汽車常用非金屬材料

第五章汽車常用非金屬材料第一頁，共四十六頁。第五章汽車常用非金屬材料 在制造汽車的過程中，除大量使用金屬材料外，還大量使用非金屬材料，如輪胎、傳動帶、風(fēng)窗玻璃、后視鏡玻璃、制動摩擦片、保險杠、轉(zhuǎn)向盤、儀表板殼、連接軟管、火花塞、溫度傳感器等都是用非金屬材料制成的。非金屬材料以其優(yōu)良的性能，原料來源豐富，加工簡便，而被廣泛使用。 非金屬材料的種類很多，本章主要介紹橡膠、玻璃、摩擦材料、塑料、陶瓷材料等非金屬材料的基本知識及其在汽車上的應(yīng)用。

第二頁，共四十六頁?！?-1橡膠 橡膠是一種有機高分子彈性化合物。汽車上有許多零部件都是用橡膠制成的，如輪胎、風(fēng)扇傳動帶、緩沖墊、油封、制動皮碗、門窗密封膠帶、各種膠管等。汽車用橡膠零部件對汽車的防振、減噪、提高車輛的行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性等起著很大作用。第三頁，共四十六頁。 一、橡膠的基本性能

1、極高的彈性

2、良好的熱可塑性

3、良好的黏著性

4、良好的絕緣性 橡膠的缺點是易老化。所謂橡膠老化是指，橡膠在儲存和使用的中，隨著時間的增加，其彈性、硬度、抗溶脹性及絕緣性發(fā)生變化，而出現(xiàn)變色、發(fā)粘或變硬、變脆龜裂，最后不能使用的現(xiàn)象。 引起橡膠老化的主要原因有空氣中氧、臭氧的氧化以及光照（尤其是紫外線照射）、溫度的作用和機械變形而產(chǎn)生的疲勞等。因此，在使用過程中，為防止橡膠老化，延長其使用壽命，應(yīng)避免與酸、堿、油類等放在一起，也不能用開水長時間浸泡，更不能用火烤或在陽光下暴曬。第四頁，共四十六頁。 二、橡膠的組成 生膠是橡膠的工業(yè)的主要原料，按其來源可分為天然橡膠和合成橡膠兩種。 （1）天然橡膠 天然橡膠是應(yīng)用最廣泛的橡膠，它是從橡膠樹上采集的乳白色膠乳，經(jīng)凝固、干燥、加壓等工序而制成的一種高彈性天然高分子化合物。其成分中91％～94％為橡膠烴（聚異戊二烯），分子式是（C5H8）n，其余為蛋白質(zhì)、脂肪酸、灰分、糖類等非橡膠物質(zhì)。經(jīng)加工后的天然橡膠不再為乳白色的粘液，而是成片狀固體。第五頁，共四十六頁。二、橡膠的組成二、橡膠的組成 合成橡膠又叫人工橡膠，它是由丁二烯、異丁烯、乙烯、丙烯、苯乙烯、異戊二烯、氯丁二烯和丙烯腈等低分子化合物，經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)制成的高彈性聚合物。這些低分子材料主要來自煤、石油和天然氣。 按合成橡膠的實際應(yīng)用及其使用特性，可分為通用型橡膠和特種橡膠兩大類。

第六頁，共四十六頁。2、配合劑 雖然生膠具有極其寶貴的高彈性和其他一系列優(yōu)良性能，但生膠本身在性能上存在許多缺點，單純使用生膠并不能制得適合于各種作用要求的橡膠制品。配合劑的加入能改善生膠性能并降低成本，得到符合實際使用要求的橡膠制品。

硫化劑防老劑補強填充劑軟化劑第七頁，共四十六頁。 三、橡膠在汽車中的應(yīng)用橡膠在汽車上用量最大的制品是輪胎，此外還廣泛應(yīng)用于各種膠帶、膠管、減震配件以及耐油配件等。第八頁，共四十六頁。 三、橡膠在汽車中的應(yīng)用第九頁，共四十六頁。第十頁，共四十六頁。 三、橡膠在汽車中的應(yīng)用第十一頁，共四十六頁?！?—2玻璃玻璃是構(gòu)成汽車外形的重要材料之一（如圖5-2-1），它具有剛度高、透光性好、隔音及保溫效果好等優(yōu)點。為保證駕駛員有良好的可見性，已經(jīng)經(jīng)歷了由平板型向曲面型、普通型向強化型、全鋼化向局部鋼化、鋼化玻璃向夾層玻璃、三層夾層向多層夾層、功能化玻璃等發(fā)展的過程。第十二頁，共四十六頁。 一、玻璃的基本性能 玻璃是一種較為透明的固體物質(zhì)，它是以石英砂、純堿、長石、石灰石等為主要原料，在高溫熔融時形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冷卻過程中粘度逐漸增大并硬化而不結(jié)晶的硅酸鹽類非金屬材料，其主要成分是二氧化硅（sio2）。

1、強度

2、硬度

3、光學(xué)性質(zhì)

4、電學(xué)性能

5、熱性質(zhì)

6、化學(xué)穩(wěn)定性第十三頁，共四十六頁。 二、車用安全玻璃 汽車在它的前后風(fēng)擋、側(cè)窗、反光鏡、燈具等部位采用了玻璃，除去一些與安全關(guān)系不大的極少部位采用的是浮法玻璃（它是在錫槽里，玻璃浮在錫液的表面上制出來的）外，汽車上其他部位都采用了安全玻璃。 安全玻璃分為鋼化玻璃、區(qū)域鋼化玻璃、夾層玻璃和中空玻璃。第十四頁，共四十六頁。1、鋼化玻璃 簡單的來說，把普通玻璃加熱至其軟化點附近（約600℃）時，向其均勻地吹入常溫的空氣使其迅速冷卻后即生產(chǎn)出鋼化玻璃。 普通的浮法玻璃經(jīng)加熱后再急速冷卻處理，使玻璃晶相組織間形成殘余應(yīng)力，這樣不僅增加了玻璃的強度（在不經(jīng)熱處理的情況下，比普通玻璃增強3~5倍），而且當(dāng)遇到有破壞性的外力沖擊和造成玻璃破裂時，在殘余應(yīng)力的作用下玻璃迅速形成雪崩樣的小碎粒，而不會形成鋒利的刀口而傷人，故主要用于擋風(fēng)玻璃。 但單純的鋼化玻璃由于制作時應(yīng)力大，容易產(chǎn)生“自爆”,整塊玻璃呈稠密網(wǎng)狀裂紋全面破碎，在行駛中嚴(yán)重影響視線，引起安全事故（二次事故），故不用于前擋風(fēng)玻璃，而主要用于側(cè)窗和后擋玻璃。第十五頁，共四十六頁。

2、區(qū)域鋼化玻璃 為了彌補上述鋼化玻璃的缺陷，采用特殊的熱處理方式，在駕駛員的視野范圍內(nèi)加大碎片，以保證破碎后不影響視區(qū)，避免二次事故的發(fā)生。 區(qū)域鋼化玻璃由于成本較低，在一些中低檔汽車上，就選用區(qū)域鋼化玻璃作前擋風(fēng)玻璃。第十六頁，共四十六頁。3、夾層玻璃 夾層玻璃，共有3層，即在兩層玻璃之間有一層PVB粘合劑（聚乙烯醇縮丁醛樹脂膜），該膠合劑具有很強的柔韌性，當(dāng)玻璃碎裂時，PVB膠片會把玻璃碎片粘在一起，制止細碎裂紋，保證視野。 夾層玻璃據(jù)其夾層的厚度，可分為普通復(fù)合玻璃和HPR（HighPenetrationResistance）夾層玻璃。 普通復(fù)合玻璃中PVB粘合劑的厚度為0.38mm。而HPR夾層玻璃中PVB粘合劑的厚度為0.76mm，是普通復(fù)合玻璃的兩倍，這樣就有效提高了對破裂的抗力，被廣泛用于前擋風(fēng)玻璃上。第十七頁，共四十六頁。

4、中空玻璃 中空玻璃與夾層玻璃有些相似，也是由兩片或多片玻璃基片組成，不過基片與基片之間“夾”的是鋁合金間隔條，并填充有一定的干燥劑。中空玻璃具有保溫、隔音、節(jié)能等優(yōu)點，但缺點是抗沖擊性弱，安全系數(shù)低，因為被逐漸淘汰出車用安全玻璃行列。防彈玻璃多用于一些軍事級別或?qū)Ｓ冒踩囕v，普及性較低。第十八頁，共四十六頁。 二、車用安全玻璃第十九頁，共四十六頁。 二、車用安全玻璃第二十頁，共四十六頁。 三、車用新型玻璃

1、特殊夾層玻璃 如果在夾層中添加不同的物質(zhì)，還可以在夾層玻璃的基礎(chǔ)上，增加更多特殊的功能。 （1）防彈玻璃第二十一頁，共四十六頁。 三、車用新型玻璃 （2）電熱玻璃 在兩層玻璃與PVB薄膜結(jié)合時，中間夾入極細的鎢絲，通電后鎢絲熱，可將玻璃表面的水分蒸發(fā)。這種玻璃主要用于冬天防止風(fēng)擋玻璃上結(jié)冰、結(jié)霜及陰雨潮濕地區(qū)結(jié)霧。第二十二頁，共四十六頁。 三、車用新型玻璃 （3）天線夾層玻璃 在玻璃夾層中夾有很細的康銅絲，用以代替拉桿天線，即可避免天線桿拉進拉出的麻煩，又不致發(fā)生腐蝕。天線夾層玻璃的天線主要用于電視、AM和FM收音機以及電話和導(dǎo)航用。 （4）遮陽夾層玻璃 在前風(fēng)擋玻璃上方夾層上一層彩色膜片，由深而淺，在某種程度上起遮陽作用，如圖5-2-8所示。 （5）隔熱夾層玻璃 夏天為了抑制車室內(nèi)溫度的升高，減輕空調(diào)的負荷，采用了隔熱夾層玻璃。 該玻璃，用噴鍍或其它方法將尼龍熱線反射薄膜夾在夾層玻璃中間，使玻璃具有反射功能。它可以讓太陽的可見光透入，而對于近紅外光譜熱線都能大部分反射回去，從而降低車內(nèi)的溫度。第二十三頁，共四十六頁。三、車用新型玻璃

2、其他新型玻璃 （1）單面透視玻璃 （2）憎水玻璃 （3）明暗自動調(diào)節(jié)玻璃 （4）電熱風(fēng)擋玻璃（除霜玻璃） （5）控制雨刷玻璃 （6）顯示器系統(tǒng)玻璃 （7）清污玻璃 （8）隱蔽玻璃第二十四頁，共四十六頁。 §5—3摩擦材料 摩擦材料是一種應(yīng)用在動力機械上，依靠摩擦作用來執(zhí)行制動和傳動功能的部件材料。它廣泛應(yīng)用于各種交通運輸工具（如汽車、火車、飛機、輪船等）和各種機器設(shè)備的制動器、離合器及摩擦傳動裝置。 汽車用摩擦材料，是汽車消耗性較大的材料之一，它是汽車制動系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)的重要組成部分。

第二十五頁，共四十六頁。 一、摩擦材料的主要功能 現(xiàn)代汽車摩擦材料是一類以摩擦為主要功能，兼有結(jié)構(gòu)性能要求的復(fù)合材料。它將動能轉(zhuǎn)變成熱量，然后將熱量吸收或散發(fā)掉，同時降低貼合部件間的相對運動。摩擦材料在工作時主要承受反復(fù)變化的機械應(yīng)力場與熱應(yīng)力場，而力與熱的發(fā)生源是無限形成新工作面的摩擦界面。 汽車用摩擦材料主要是制動摩擦片和離合器片。它們既是安全件，又是易損件，它們在汽車中用量不是很大，但在汽車結(jié)構(gòu)中占有特殊及重要的的地位。第二十六頁，共四十六頁。二、汽車用摩擦材料的性能要求

1、有足夠高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù) 2、有良好的耐磨性 3、有較好的機械強度和物理性能 4、不產(chǎn)生過重的噪聲第二十七頁，共四十六頁。 三、摩擦材料的組成 摩擦材料屬于高分子三元復(fù)合材料，它由增強材料、黏結(jié)材料和填充材料三部分組成。 1、增強材料 增強材料是摩擦材料的重要組成部分，其主要作用是使摩擦材料具有一定的強度和韌性，使摩擦材料能承受沖擊、剪切、拉伸等機械力的作用，它的選用對摩擦材料的摩擦、磨損性能有著極其重要的影響。 增強材料按其應(yīng)用進程可分為棉花、棉布和皮革、石棉、其他非石棉纖維。（1）棉花、棉布和皮革

（2）石棉

（3）玻璃纖維（4）鋼纖維

（5）有機纖維

（6）碳纖維（7）混雜纖維第二十八頁，共四十六頁。 三、摩擦材料的組成

2、黏結(jié)材料 對于摩擦材料而言，樹脂和橡膠的耐熱性是非常重要的性能指標(biāo)。選用不同的粘結(jié)材料就會得出不同的摩擦性能和結(jié)構(gòu)性能。 選用黏結(jié)材料時，首先要考慮其熱性能，包括結(jié)構(gòu)強度高、模量低、貼合性好，分解溫度高、分解物少，分解速度慢及分解殘留物有一定的摩擦性能等。目前使用的有機粘結(jié)劑為酚醛類樹脂、合成橡膠和改性酚醛樹脂，如用丁腈粉改性、橡膠改性及其它改性酚醛樹脂作為摩擦材料的粘結(jié)劑。第二十九頁，共四十六頁。三、摩擦材料的組成

3、填充材料 摩擦材料組分中的填充材料，主要是由摩擦性能調(diào)節(jié)劑和配合劑組成。使用填料主要是為了調(diào)節(jié)和改善制品的摩擦性能、物理性能與機械強度；控制制品熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、收縮率，增加產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性；改善制品的制動噪音；提高制品的制造工藝性能與加工性能；改善制品外觀質(zhì)量及密度及降低生產(chǎn)成本。 常用的填充材料有有機、無機和金屬三種。如重晶石、硅灰石、氧化鋁、鉻鐵礦粉、氧化鐵、輪胎粉及銅、鉛等粉末等。第三十頁，共四十六頁。第三十一頁，共四十六頁。§5—4塑料 塑料是應(yīng)用最廣泛的高分子材料，在汽車上的應(yīng)用發(fā)展很快，從最初的內(nèi)飾件和小機件，發(fā)展到可以替代金屬制造各種配件。 塑料的密度小，價格低。采用塑料代替部分金屬件，既可減輕車輛自重又可降低成本，還可改善汽車的耐磨、防腐蝕、減振、降噪等性能。因此，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，塑料越來越為人們所重視。第三十二頁，共四十六頁。 一、塑料的組成 所謂塑料，廣義的講是指具有可塑性的那部分材料，最初制造塑料的原料為農(nóng)副產(chǎn)品，其后是來自煤，60年代以來，則主要來自石油。 大多數(shù)塑料是以合成樹脂（也成高分子化合物）為基礎(chǔ)，再加入一些用來改善使用性能和工藝性能的添加劑，在一定的溫度和壓力下制成的高分子材料。 1、合成樹脂 2、添加劑第三十三頁，共四十六頁。 二、塑料的主要特性

塑料具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)及力學(xué)性能。 1、質(zhì)量輕、強度低、剛度低 2、比強度高 3、耐蝕性好 4、絕緣性能好 5、減摩性能、耐磨性能差異大 6、吸振性能高、消音性好

但塑料也具有不少缺點，與剛相比，其熱膨脹系數(shù)大（是鋼的3～10倍），所以塑料零件的尺寸精度不夠穩(wěn)定；熱導(dǎo)率較?。ㄒ话銥榻饘俚?/500~1/600），所以導(dǎo)熱性較差；耐熱性差，大多數(shù)只能在溫度小于100℃時使用，只有高溫塑料可在200℃左右使用；容易吸水，塑料吸水后，會引起使用性能惡化；此外，塑料還有易老化、易燃燒等缺點。第三十四頁，共四十六頁。 三、塑料的分類

1、按其熱性能不同可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類

熱固性塑料是指經(jīng)一次固化后，不再受熱軟化和熔融，亦不溶于有機溶劑，只能塑制一次的塑料，它通常為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這類塑料耐熱性能好，受壓不易變形，但力學(xué)性能較差。常用的有酚醛塑料、環(huán)氧塑料、氮基塑料、有機硅塑料等。

熱塑性塑料是指受熱時軟化，冷卻后變硬，再加熱又軟化，冷卻又變硬．可反復(fù)多次加熱塑制的塑料。它通常為線型結(jié)構(gòu)，能溶于有機溶劑。這類塑料加工成型方便、力學(xué)性能較好，但耐熱性相對較差、容易變形。常用的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龍、ABS塑料等。

2、按使用范圍可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料

通用塑料是一種非結(jié)構(gòu)材料，其產(chǎn)量大、價格低、性能一般，可作為日用品、農(nóng)用及包裝材料。目前主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。

工程塑料一般力學(xué)性能較好，且耐高溫、耐輻射、耐腐蝕，電絕緣性能好，因而可代替金屬在汽車、機械、化工等部門用來制造機械零件及工程結(jié)構(gòu)。主要有聚酰胺(尼龍)、聚碳酸脂、ABS、聚甲醇等。在實際使用中，通用塑料和工程塑料并沒有嚴(yán)格的界限。 特種塑料，一般是指具有特種功能，可用于航空、航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域的塑料。如氟塑料和有機硅具有突出的耐高溫、自潤滑等特殊功用，增強塑料和泡沫塑料具有高強度、高緩沖性等特殊性能，這些塑料都屬于特種塑料的范疇。第三十五頁，共四十六頁。 四、塑料在汽車上的應(yīng)用

由于塑料具有諸多金屬及其他材料所不具備的優(yōu)良性能，因此在汽車上得到廣泛應(yīng)用。 1、塑料在汽車上應(yīng)用的重要性

塑料化的目的是輕量化，節(jié)省能源；提高零部件的功能、簡化制造工藝，提高汽車的質(zhì)量和舒適性，降低成本，提高設(shè)計自由度。汽車選用輕質(zhì)的塑料有助于解決安全和節(jié)能兩方面的問題。

用可吸收沖擊能量的彈性體和發(fā)泡塑料制造的保險杠、儀表盤、座椅、頭枕等，在發(fā)生交通事故時，可減輕對人體的傷害，提高汽車的安全系數(shù)。用塑料材料制造汽車零件，可有效地降低汽車的自重，從而達到節(jié)能的目的。

近年來，為了滿足汽車減輕自重、提高舒適性和安全性的要求，汽車塑料件的品種和用量都呈現(xiàn)快速增長的趨勢。汽車零部件的塑料化，首先是從內(nèi)、外裝飾件開始的。用通用塑料代替金屬材料。第三十六頁，共四十六頁。四、塑料在汽車上的應(yīng)用

2、塑料在汽車上的應(yīng)用概況 在國內(nèi)，塑料件約占汽車自重的7%～10%，與先進國家相比有很大差距，德國、美國、日本等國的汽車塑料用量已達到了10%～15%，有的甚至高達20%。例如，在轎車和輕型車中，上海桑塔納為67.2kg，富康為81.5kg，CA7220小紅旗轎車的塑料用量為88.33kg，依維柯0041則為144.5kg；在重型車中，斯太爾1491為82.25kg，斯太爾王為120.5kg。在汽車塑料件中，熱塑性通用塑料占有相當(dāng)高的比例。第三十七頁，共四十六頁。四、塑料在汽車上的應(yīng)用

3、汽車常用塑料第三十八頁，共四十六頁?！?—5陶瓷材料 一、陶瓷材料的特點 陶瓷的性能由兩種因素決定。首先是物質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要是化學(xué)鍵的性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)。它們決定陶瓷材料的性能，例如耐高溫性、半導(dǎo)體性及絕緣性等。其次是顯微組織，包括分布、晶粒大小、形狀、氣孔大小和分布、雜質(zhì)、缺陷等。第三十九頁，共四十六頁。 二、陶瓷材料的分類

1、按原材料不同分類 陶瓷按原材料及燒制工藝的不同大致分為傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷兩大類。

傳統(tǒng)陶瓷具有加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大等特點，如我們常見的瓷器即屬于普通陶瓷。

特種陶瓷也稱為新型陶瓷、高技術(shù)陶瓷或精細陶瓷，它是近代發(fā)展起來的各種陶瓷的總稱。將它用在汽車上，對減輕車輛自身質(zhì)量、提高發(fā)動機熱效率、降低油耗、減少排氣污染、提高易損件壽命、完善汽車智能性功能等都具有積極意義。特種陶瓷按其化學(xué)成分分為氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷兩類。按其用途可分為電容陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷、電光陶瓷、高溫陶瓷等。

2、按化學(xué)成分分類

按組成陶瓷的主要化學(xué)成分，可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其他化合物陶瓷。

3、按用途分類

按用途可將陶瓷材料分為日用陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、電器陶瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷等。它們分別廣泛用于人們的日常生活、建筑、衛(wèi)生、電力、化工領(lǐng)域，如餐具、衛(wèi)生潔具、電絕緣器材料、裝飾材料等。第四十頁，共四十六頁。 三、幾種常見陶瓷1、氧化鋁（Al2O3）陶瓷2、碳化硅（SiC）陶瓷3、氮化硅（Si3N4）陶瓷4、氧化鋯（ZrO2）陶瓷第四十一頁，共四十六頁。 四、陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用 緣于陶瓷的各種優(yōu)良性能，現(xiàn)已經(jīng)在汽車上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1、陶瓷材料在汽車傳感器上的應(yīng)用 緣于陶瓷的耐熱、耐蝕、耐磨及其潛在的優(yōu)良的電磁、光學(xué)機能，使其能滿足汽車傳感器應(yīng)具備的長久適用于汽車特有的惡劣環(huán)境(高溫、低溫、振動、加速、潮濕、噪聲、廢氣)，并應(yīng)當(dāng)具有小型輕量，重復(fù)使用性好，輸出范圍廣等要求，近年來隨著制造技術(shù)的進步而得到充分利用，如各種溫度傳感器（冷卻液溫度傳感器、進氣溫度傳感器、排氣溫度傳感器等）、爆震傳感器、氧傳感器、超聲波傳感器和濕度傳感器等。第四十二頁，共四十六頁。四、陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用 2、陶瓷材料在汽車發(fā)動機上的應(yīng)用

碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷的強度很高，能耐1000℃以上高溫，為了減少在熱能和熱傳遞中損失掉的能量，用隔熱性能好的陶瓷材料圍住燃燒室進行隔熱，進而用廢氣渦輪增壓器和動力渦輪來回收排氣能量，可有效提高熱效率。

新型陶瓷渦輪比當(dāng)今超耐熱合金具有更優(yōu)越的耐熱性，而比重卻只有金屬渦輪的約三分之一，可以補償金屬渦輪動態(tài)響應(yīng)低的缺點，因而得到了應(yīng)用。

此外，為減少發(fā)動機的重量，提高發(fā)動機的工作效率，正在進行研究的陶瓷制品還有新型陶瓷活塞銷和活