《汽车材料》课程授课教案非金属材料

1、汽车材料课程授课教案课题非金属材料学知识课次2授课班级 10 级汽修 1-6 班学时2上课地点多媒体教室能力目标知识目标素质目标1、能区分各种不同的1、明确汽车用非金属1、培养学生的创新精神与实践能力；教学目标 2、了解 、掌握非金属材料的使用范常用非金属材料的应围、掌握非金属用；2、促进学生个性发展，培养学生分析问题与解决问题的能力；3、培养学生分学习能力和团队合作精与难点参考资料教学条件配 min导 入15 min讲 授60min料在车身上的应用神。非金属材料的分类，使用范围等汽车应用材料汽车工程材料多媒体主 要 教 学 内 容.第一节 复合材料具有重量轻、比强度高、比模量高、抗疲劳性能好

2、、减振性能好、成型工艺简单、可实现复杂零件集成化生产、对环境污染更小等诸多优点，使得许多种类型的复合材料在车身轻量化过程中得到了施展才能的舞台，并在汽车的轻量化进程中大显身手。一.复合材料的组成及特性二.复合材料的分类陶瓷基复合材料、石墨基复合材料（碳复合材料、混凝土基复合材 料等；常见的复合材料分类图与手段实物展示演示案例教学讲解事项三. 复合材料的特性1）比重轻、比强度与比模量高材料的比强度（强度极限比重）与比模量（比重是衡量汽车用材料优劣的重要指标。复合材料的这两项指标比其他材料 高得多，这表明复合材料具有较高的承载能力。通常，碳纤维增强环氧 倍、比模量是钢的倍。此外，它不仅具有强度高，

3、而且还有重量轻的特点，这对要求减轻自重和高速运转的结构 和零件是非常重要的。因此，将复合材料用于动力设备，可大大提高动 力设备的效率。据统计由复合材料制成的汽车与使用钢材制造的汽车质量相 比要轻密度/抗拉强度弹性模量比强度比模量m-3）钢7.81030210 000132.7m-3）钢7.81030210 000132.7铝2.847075 000172.6钛4.5960114 000212.5玻璃钢2.0106040 000532.1硼纤维/铝2.651000200 000387.5硼纤维/环氧2.11380210 00066101.451500140 0001032.11.61.45150

4、0140 0001032.11.61070240 00067151.4140080 0001005.7高模碳纤氧有机纤维SiC纤维环氧2.2102 0004.6过载时安全性能好纤维增强复合材料是由大量单根纤维合成，平均每平方厘米面积上有几千到几万根纤维，超载后即使有少量纤维断裂，载荷也会迅速重新分布，由未断裂的纤维承担，这样可使构件丧失承载能力的过程延长，断裂安全性能较好。减摩、减振性能好复合材料具有高的比模量，因此也具有高的自振频率，可以有效地防止在工作状态下产生共振及由此引起的早期破坏。同时，一些复合材料的摩擦系数低，具有良好的减摩性。对相同形状和尺寸的梁共同进行振动实验，即轻合金梁与碳纤

5、维复合材料的梁同时起振，前者需要9s才能停止振动；而复合材料的梁只需就静止了。耐热性能好2000而且在高温条件下仍然可保持较高的高温强度，故用它们增强的复合材 料具有较高的高温强度和弹性模量，特别是金属基复合材料，更显出其 400时，弹性模量接近于零，强度值也从室温的500MPa 降到400时强度和弹性模量几乎可保持室温时100200之间，耐热性要比相应的塑料有明显的提高。成型工艺简便灵活，可设计性强紧固件和接头数目，材料利用率较高。充分发挥技术集成的优势，达到 精简零部件数量、减少加工工序、裁减加工设备及生产线、减少中间环 节、降低材料消耗、裁减工作人员、提高产品质量、削减投资、降低生 产成

6、本、提高效费比的目的。例如日产“布尔巴特”汽车前端板，用钢板制造时由20多个零件组成， 而用纤维增强塑料复合材料，则用7个零件就可以；采用硼纤维增强复合材料，用1000N的原料可获得8000N的零件。四.汽车常用复合材料高分子基复合材料（FRP）FRP是汽车轻量化的最重要的材料。FRP主要是由三部分组成：纤维。多为玻璃纤维、碳纤维和陶瓷短纤维等，特别是玻璃纤维在价 25% 30%；树脂。聚丙烯塑料PVCABS等不饱和聚酯和 制作过程中，加入适当的硬化剂和增粘剂，使用先进的成形工艺，便可 得到成形流动性好的高分子基复合材料。高分子基复合材料（FRP）在汽车中的应用世界各国汽车工业中，美国于195

7、3年就开始在汽车上使用FRP；日本于1955年开始使用。现在FRP在汽车工业中已得到广泛的使用。由于FRP的大量应用，使轿车的平均密度大为降低。例如，日本小型轿车的平均密度由1974年的/cm3降低到1992年的/cm3。目前，利用FRP制作的汽车部件有：车身车顶壳体、发动机部件、仪表盘、阻流板、车灯、前隔栅、夹层板、后闸板等。FRP中典型的应用塑料有：有玻璃纤维增强塑料碳纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料：指由玻璃纤维与热固性树脂或热塑性树脂复合的材料。通常称之为玻璃钢。它具有高强度、价格低、来源丰富、工艺性能好等特点，比普通塑料有更高的强度（包括抗拉、抗弯、抗压）和冲击韧度，热膨胀系数减小，尺寸

8、稳定性增加，在汽车行业广泛的应用。根据基体的不同，玻璃钢又可分为热塑性和热固性两大类。热塑性玻璃钢它是以玻璃纤维为增强剂和以热塑性树 脂为粘结剂制成的复合材料。玻璃纤维柔软如丝，比玻璃钢的强度和韧性高很多，其抗拉强度可10003000MPa，比高强度钢还高出倍；耐热性高，250以下力学性能变化不大；化学稳定性好；主要缺点是性较大。但玻璃纤维与合成树脂结合在一起，便形成了性能较好的玻璃钢。应用教多的热塑性树脂是尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类、热塑性聚酯和聚碳酸酯种但尼龙的增强效果最好汽车上常用的热塑性玻璃钢是聚苯乙烯玻璃钢、尼66玻璃钢，主要用于制作汽车内饰件材料、汽车仪表壳罩、汽车灯罩等。热塑性玻

9、璃钢与热塑性塑料的比较玻璃纤维强化热塑性树脂在汽车中的应用汽缸盖汽车底盘热固性玻璃钢它是以玻璃纤维为增强剂和以热固性树脂为粘剂制成的复合材料。种。酚醛树脂出现最早，环氧树脂性能教好，应用较普遍。耐腐蚀性好，介电性能优越，成形性能良好。它们的比强度比铜合金和 1/101/5，耐热性不高（低于20，容易老化容易蠕变等。汽车常用的热固性玻璃钢为聚酯树脂玻璃钢。汽车油箱汽车前灯碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料是指具有基体和碳纤维复合特性的复合材料主要是以环氧树脂基体、以碳纤维为基体的环氧树脂基碳纤维增强塑料。碳纤维增强塑料的特性它的抗拉强度和疲劳强度高，密度低，耐磨性好，耐蚀性好，膨胀系数小，能导电，延伸

10、率小，抗冲击性差。常用的碳纤维补强树脂基 复合材料的比强度高、质量轻、抗冲击，根据碳纤维编织取向 CFRP CFRP使重量减轻60%，并大幅度降低车内噪音，还可使车身前后方向振动大 幅降低。碳纤维增强塑料在汽车中的应用金属基复合材料镁合金和镍合金。增强材料一般为纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、 （抵抗变形及断裂、高抗磨性（防止表面损伤）与高化学稳定性（防止与空气和基体发生化 学反应。金属基复合材料在汽车工业中的应用汽车工业中应用碳化硅颗粒铝合金基复合材料的发展是最快的。它的强度比中碳钢好，与钛合金相近而又比铝合金略高，其耐磨性也比 1/3，与铝相近。汽车上用来制作汽车活塞、制动部件等。其中，纤

11、维补强金属基复合材料是利用纤 是指通过在陶瓷材料中加入颗粒、晶须及纤维等得到的陶瓷基复合材料，可以使陶瓷的韧性大大提高。陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、高的耐磨性和良好的韧性，目前已用于高速切削工具和内燃机部件上。陶瓷基复合材料在汽车工业中的应用汽车工业的研究重点是用陶瓷复合材料替代金属制造发动机的零部件。汽车发动机部件以至整机，用陶瓷材料可以提高热效率、无需水冷，而且比硬质合金的重量轻的多。例如，采用氮化硅陶瓷复合材料制造发动机的涡轮增压器，比镍基热合金涡轮增压器的重量减轻34%， 启动到104r/min所需的时间缩短了36%。第二节 陶瓷材料传统上的 陶瓷经原料配制、坯料

12、成型、窑炉烧成工艺制成的产品，都称为陶瓷（这也包括了粉末冶金制品。现代陶瓷材料是以特种陶瓷为基础由传统陶瓷发展起来，有鲜明特点的一类新型工程材料。它早已超出了传统陶瓷的概念和范畴，扩大到了所有无机非金属材料，是一种高新技术的产物。一、陶瓷材料的性能力学性能与金属材料相比，陶瓷的弹性模量大，硬度高，抗压度高。但脆性大，抵抗裂纹扩展的能力很低。热性能陶瓷属于耐高温材料，它的熔点高，大多数2000 以上具有的金属材料高得多的抗氧化性和耐热性陶瓷的抗蠕变能力强热膨胀系数和导热系数小，红硬性可1000。但多数陶瓷材料的抗热 震性都很差。有较强的耐蚀性，不会发生老化。普通陶瓷 以粘土、长石、石英等天然原料

13、为主，经粉碎、成型、烧结工艺制成的产品均属普通陶瓷（传统陶瓷卫生陶瓷、低压和高压电瓷、化工陶瓷（耐酸、碱、多孔陶瓷。特种陶瓷特种陶瓷是指用化工原料制成的，具有许多优异性能的瓷。包括所有新型无机非金属材料，都属于特种陶瓷。如：氧化铝陶瓷 、氮化硅陶瓷 、碳化硅陶瓷 和敏感陶瓷氧化铝陶瓷2Al O ，又称为刚玉瓷。它具有高硬度， 不能承受温度的突变。由于它优异的综合性能，使其成为应用最广泛的 2氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷的显著特点是抗热震性能好，具有自润滑性优异的电绝缘性。常用作高温轴承、耐蚀水泵密封环等。碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷是目前高温强度最高的陶瓷，它在1400的高温下仍能保持500600MPa的抗弯

14、强度。常用于火箭尾喷嘴、燃气轮机的叶片、核燃料的包装材料等，也可制作耐磨密封圈。敏感陶瓷敏感陶瓷是一种采用粉末冶金的方法制成的精细陶瓷，按其功能和敏感效应又分为半导体陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、热电陶瓷、压电陶瓷导电陶瓷和磁性陶瓷等。陶瓷类敏感元件或传感器是借助于敏感陶瓷的物理量（或化学量）对电参量变化的敏感性，实现对温度、湿度、电、磁、声、光、力和射线等信息进行检测的器件，敏感陶瓷作为其主体材料而得到日益广泛的应用。三、汽车上常用的功能陶瓷2325做为结构材料和功能材料，陶瓷在汽车中有广泛的用途。经过实验与工业化应用证明：陶瓷材料优越的机械特性及高温化学性能，已远远超过金属材料或其它材料制成的

15、零部件。由于这些部件体积很小，而且材料的密度较小，重量轻，灵敏度高对恶劣环境的适应性好。此外， 金属体表面喷涂耐磨润滑陶瓷在汽车上也有应用。活塞环表面耐涂料层23253（AL2O3、O 、WC、AlTiO 等，转动部件的润滑耐磨涂层，隔热涂层和耐磨涂层等。汽车中应用的功能陶瓷材料特性制品Al2O3绝缘性基板，封袋MgO温度敏感器氧化物硅酸盐透光性车窗挡风调光BaTiO3诱电性回路部件(MnNiZn)Fe3O4磁性马达BAl2O3导体NaS电池ZrO2测氧测温元件，燃料电池过渡金属氧化物半导体热敏湿敏元件PZT压电性机电转换器，加速传感器PT流量计，压力传感器水晶非氧化物ZnSSiC发光性导电性

16、液晶计时器，光电开关气体点火器，发热体陶瓷材料在汽车中的应用陶瓷应用于汽车上，可以有效地降低车辆的重量、提高发动机的热效率、降低油耗，减少排气污染，提高易损件寿命、完善汽车智能性功能等都有重要意义。近些年来，国际特种陶瓷界的科学家经过艰苦试验与攻关，已开发研制出一大批汽车用功能陶瓷制品，下面介绍几种常用功能陶瓷制品：氧化锆陶瓷氧传感器 、堇青石陶瓷蜂窝催化剂载体 、陶瓷气门加热器 、爆燃传感器 和各种陶瓷传感元件等。第三节 玻璃玻璃是汽车不可缺少的组成部分，正是它承担着挡风、遮雨和采光的基本功能，而且也对汽车的外观和内在性能起着重要的作用。随着人们对汽车在美观、舒适和环保等方面的标准越来越高，

17、汽车玻璃已日益成为设计师们实现各种附加功能的重要工具，是现代汽车工业和建筑业等行业不可缺少的材料。一、玻璃的性能玻璃是一种非晶形固体，它是以石英砂、纯碱、长石、石灰石等为主要原料，并加入某些金属氧化物等辅料，在高温窑中煅烧至熔融后，经成型、冷却所获得的非金属材料。密度普通玻璃的密度一般为左右，石英玻璃的密度最小，为而铅玻璃的最大密度可。力学性能抗拉强度低，抗压强度高，硬度较高（莫级韧性很差，是典型的脆性材料。耐热性普通玻璃的耐热性较差，经过热处理后，可提高其热性。的抵抗能力。但氢氟酸对玻璃具有较强的腐蚀作用。绝缘性固态玻璃具有良好的绝缘性能，可用于制造各种绝缘材和电学仪器。但液态玻璃却具有良好

18、的导电性。光学性质玻璃最突出的特点是具有良好的光学性质。玻璃的学性质主要反映在透明性和折光性。二、常用玻璃的种类、特点及主要用途按其化学组成的不同可分为：钠玻璃、钾玻璃、铅玻璃、铝镁玻璃、硼硅玻璃和石英玻璃等。按用途的不同还可分为：建筑玻璃、工业玻璃、光学玻璃、化学玻璃及玻璃纤维等。其中建筑玻璃有平板玻璃、波纹玻璃、玻璃砖和异形玻璃构件；工业玻璃有泡沫玻璃、夹丝玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃、中空玻璃以及磨光玻璃等；而平板玻璃又有一般窗用玻璃、压花玻璃、磨砂玻璃、彩色玻璃和浮法玻璃的种类。常用的几种玻璃产品平板玻璃通常是指窗用平板玻璃，又称镜片玻璃。在日常生活中处可见。磨砂玻璃 通常又叫毛玻璃。它是

19、对平板玻璃进行表面磨砂处理而得到的。其主要特点是透光不透明，常用于制作浴室、卫生间门窗等， 还可用于制作灯罩、黑板面等。浮法玻璃 是经锡槽浮抛成型的高质量平板玻璃。主要特点是表面平整，无波纹，光学性质比一般平板玻璃优良。多用于橱窗的制作及高级建筑的门窗等。钢化玻璃钢化玻璃是普通玻璃经过高温淬火处理的特种玻璃，即将普通玻璃加热到一定温度后，迅速冷却进行特殊钢化处理。其性能特点是具有很高的温度急变抵抗能力，强度也较高。钢化玻璃主要用于高层建筑的门窗、厂房的天窗、汽车、火车、船舶的门窗和挡风玻璃等。夹丝玻璃 又称防碎玻璃玻璃中间夹有一层金属网夹丝玻璃又分为夹丝压花玻璃（在压延过程中夹入金属丝或网，一

20、面压有花纹的平板玻璃、 夹丝磨光玻璃（表面进行磨光的夹丝玻璃。特点是强度高，不易破碎。即使破碎，玻璃碎片也会附着在金属网上而不易脱落，具有一 如厂房天窗、防火门窗、地下采光窗等。夹层玻璃 又称安全玻璃。它是将两片以上的平板类玻璃用聚乙烯醇缩丁醛塑料衬片粘合而成，具有较高的强度。在受到破坏时，会产生辐射状或同心圆形裂纹，碎片不易脱落，且不影响透明度，不产生折光现象。玻璃四类。信号玻璃的质量要求远高于普通玻璃。它要求具有色彩鲜艳且均匀一致，较高的透明度，有选择的色光透过性等特性。广泛应用于铁路、公路、水路、航空等领域制作各种信号机、信号灯。玻璃纤维 制成玻璃纤维的玻璃主要为二氧化硅和其它氧化物的共

21、熔体并以极快的速度抽拉成细丝状玻璃，直径一般为柔10003000Mpa， 比250以下力学性能变化不大；化学三、常用汽车玻璃汽车用玻璃的使用量占汽车总重的左右（轿车。玻璃是汽车璃，使汽车的造型更加美观实用。根据玻璃在汽车上的安装位置不同，分为风窗玻璃、后窗玻璃、前角窗玻璃、前门窗玻璃、后门窗玻璃、后角窗玻璃和后侧窗玻璃等。此外,汽车用玻璃必须是安全性能高的夹层玻璃、局部钢化玻璃或钢化玻璃。汽车玻璃四、新型汽车玻璃简介现代汽车工业对于汽车玻璃的性能要求上越来越高。随着科技水平的发展，新型功能性玻璃材料应运而生，并广泛地运用于汽车上。这里介绍几种常见的新型汽车玻璃:防紫外线钢化玻璃 、具有红外反射

22、功能的汽车挡风玻璃 、智能化自洁性抗反射玻璃 和超吸热玻璃 。防紫外线钢化玻璃是利用一些金属氧化物的纳米粒子，对紫外线的选择性吸收与反射作用，选择采用了纳米态的含有o、Fe、r等氧化物族系，经高温涂敷融熔烧结整合处理，而获得的一种具有紫外线辐射的防护特性满足车辆作业使用条件的新品玻璃，具有永久性防紫外线辐射的功能。具有红外反射功能的汽车挡风玻璃具有红外反射功能的汽车挡风玻璃采用中频交流磁控溅射镀膜技术，在夹胶安全玻璃的里侧沉积一层具有极高可见光透过率、很高红外反射率的特殊功能薄膜，可以极大提高驾乘舒适性。在炎热的盛夏，对具有强烈热效应的中远红外线产生80以上的反射作用，使轿车内的驾乘人员感觉犹

23、如在茂树厚荫之中；在寒冷的冬天，可使驾乘室内的热量不会以红外辐射的形式散发，使轿车具有冬暖夏凉的功效。智能化自洁性抗反射玻璃自净玻璃自净玻璃又称之为自洁玻璃，它是在平板玻璃表面涂覆了一层透明的二氧化钛光催化剂涂膜的新玻璃。当被称为“光触媒”的二氧化钛催化剂膜遇到太阳光或荧光灯、紫外线照射后，在外界光的激发状态下会使玻璃面层上的透明二氧化钛表面附着的有机物、污染物变成氧化碳和水且自动消除。超吸热玻璃顾名思义就是与普通玻璃相比有着非同一般的吸热性能的玻 璃产品，而且除了吸收热量以外，这种玻璃还能吸收阳光中大部分的紫外线。该种玻璃的配方可以在不过份牺牲玻璃透光率的前提下，大幅度和紫外线透过率两项指标

24、上有着明显的优势，且稳定性好、更有利于环保等特点。第四节 摩擦材料汽车用摩擦材料，是汽车上的消耗性材料之一，主要起到传递动力、制动减速、停车制动等作用，是汽车制动系统与行车系统的重要组成部分。采用摩擦材料制造的零部件主要包括汽车制动摩擦片、汽车离合器摩擦片及手制动摩擦片等。一、汽车用摩擦材料的性能要求系数。使摩擦对偶的磨损降低。物理、力学性能摩擦材料的物理、力学性能除能满足摩擦材料的加工要求以外，还要满足摩擦材料在使用中的强度要求，以保持良好的 使用性能对于汽车离合器摩擦片要求摩擦材料具有良好的冲击韧度抗压强度、抗剪强度，以及良好的导热性、耐热性，性能随温度的变化 要小。噪声汽车产生制动噪声产

25、生的原因很复杂。就摩擦材料而言，的摩擦系数比较容易产生过重的噪声。二、汽车摩擦材料的组成汽车摩擦材料主要由骨架材料、粘结剂和填充材料所组成。以上。粘结剂摩擦材料用粘结剂多以酚醛树脂为主，也有相当一部分使 用了含橡胶腰果油聚乙烯醇或其它高分子材料成分的改性酚醛树脂3）填充材料填充材料多采用重晶石、硅灰石、氧化铝、铬铁矿粉、氧化铁、轮胎粉及铜、铅等粉末。目前，摩擦材料的生产多采用模压法，即将各种组成材料经混合、热压、研磨后得到摩擦材料。也有采用辊压法、一步成型法或其他加工方法的。学生训练训练任务：非金属材料的分类10 min检查评价5 min作业1-3题汽车构造（底盘）思考题集第十三章 汽车传动系

26、统概述13-1 汽车传动系统的基本功用是什么?汽车传动系统有哪几种类型?各有什么特点?教师发给 学生实训 生实训过 助学生解 决遇到的 困难时检查4442不同?第十四章 离合器汽车传动系统中为什么要安装离合器?为何要求离合器从动部分的转动惯量要尽可能小?热，在结构上可采取哪些措施?和推式膜片弹簧离合器在结构上有何不同?两者相比，有何优缺点?EQl090E作用。离合器的操纵机构有哪几种?各有何特点?第十五章 变速器与分动器承，在结构上都采取了哪些措施?齿圈的齿宽较小而常啮斜齿轮的齿宽却较大，这是什么道理?么在变速器的操纵机构中还要设置自锁装置?15-8CA7220016第十六章 液力机械传动和机

27、械式无级变速器自动变速器的类型有哪些?各由哪些部分组成?试述液力变矩器的工作原理和液力变矩器特性。在液力变矩器导轮的轴上为什么要装单向离合器?在汽车上采用液力机械变速器与采用普通机械变速器相比，有何优缺点?转矩，你能用直观的方式说明此道理吗?CVT第十七章 万向传动装置17-1 举例说明万向传动装置主要应用在什么地方?性。双十字轴式万向节传动的等速条件是什么?轴向定位方式主要有哪几种?各有什么优缺点?球叉式与球笼式等速万向节在应用上有何差别?为什么?(VL去掉?VL 节与 RF 节的位置能否对换?为什么 7第十八章 驱动桥汽车驱动桥的功用是什么?每个功用主要由驱动桥的哪部分来实现和承担?EQl

28、090E到驱动轮为止的传动路线(依次写出动力传递零件的名称)。速器支承轴承却相背布置?定是曲线齿锥齿轮传动还是准双曲面齿轮传动?双速主减速器有何特点?试说明行星齿轮式双速主减速器的工作原理。齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍?差速器工作时，运动和力是如何具体传递的?驱动桥中的轴承为什么要预紧?具体如何实现预紧?18-29LTll0其防滑的道理何在?18-1lK上得到采用?具体说明驼峰现象机理和作用?变速驱动桥结构上有什么特点?在前置前驱动轿车上采用变速驱动桥传动求?驱动桥中各主要运动件是如何润滑的?结构上有哪些措施?个轴承支承，那么侧向力是如何来承受和平衡的?为什么铸造式整体桥壳和冲压焊接式

29、整体桥壳都得到较为广泛的采用?18-10锁是如何工作的?第十九章 汽车行驶系统概述19-l用?造成的反力矩是如何传到车架的?为什么?半履带式汽车有什么特点?车轮一履带式汽车有什么特点?它们是如何工作的?第二十章 车架为什么说车架是整个汽车的基体?其功用和结构特点是什么?何谓边梁式车架?为什么这种结构的车架应用更广泛?CAl091K2轿车的车架为什么更复杂?它具有哪些结构特点?大客车的车架布置又有什么特点?为什么?20-7bca多的采用?合式车架和钢管焊接的桁架式车架各有什么结构特点?ISR什么?第二十一章 车桥和车轮立悬架而断开式车桥与独立悬架相配用?现负值?前束如何测量和调整?部件实现的?为什么现代轿车上广泛采用发动机前置前驱动形式?为什么辐板式车轮比辐条式车