《汽车材料》-第7章　复合材料、摩擦材料

７.１复合材料７.１.１复合材料的性能、组成及分类１.复合材料的概念在汽车的轻量化进程中，由于金属、塑料、橡胶、陶瓷等材料在性能上各有优点与不足，各有较合适的应用范围。因而，高性能的复合材料的发展及在汽车中的应用变得特别重要。复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质经一定方法合成而得到一种新的多相固体材料。复合材料可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥材料的综合性能，例如，塑料和玻璃的强度及韧性都不强，而其复合而成的材料(玻璃纤维塑料)却有很高的强度与韧性，而且质量很小。下一页返回７.１复合材料复合材料可按照构件和受力要求，给出预定的、分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计。汽车保险杠和板簧等零件使其纤维方向与受力方向垂直，传动轴中的纤维方向与轴向呈４５°时，既可使零件得到合理的强度和刚性，又使轻量化效果大大提高。复合材料可以创造单一材料不易具备的性能和功能，或在同一时间里发挥不同的功能。黄铜片与铁片的双金属片复合材料如图７-１所示，具有控制温度开关的功能。由两层塑料的中间夹一层铜片所构成的复合材料如图７-２所示，能在同一时间里的不同方向上具有导电和隔热的双重功能。这些功能都是单一材料所无法实现的。所以，复合材料开拓了一条创造材料功能的新途径。上一页下一页返回７.１复合材料２.复合材料的组成复合材料的组成见表７-１。３.复合材料的分类复合材料可以由金属、高分子聚合物和陶瓷中任意两者来合成，也可以由两种或更多的金属、陶瓷、高分子聚合物来制备。因此复合的范围很广、种类很多，具体见表７-２。目前使用最多的主要复合材料如图７-３所示。４.复合材料的性能特点复合材料中的各组成材料在性能上互相取长补短并保持各自的最佳特性，从而获得优良的性能效果，与其他材料相比较的突出特点如下:(１)比强度和比模量较高:复合材料有比其他材料高得多的比强度(强度极限除以密度)和比模量(弹性模量除以密度)；上一页下一页返回７.１复合材料(２)抗疲劳性能好:多数金属的疲劳极限是拉伸强度的４０％~５０％，而碳纤维增强的复合材料则可达７０％~８０％；(３)破损安全性好:复合材料每平方厘米上独立的纤维有几千根甚至几万根，当构件过载并有少量纤维断裂后，会迅速进行应力重新分配，由未断裂的纤维来承载，使构件在短时间内不会失去承载能力，提高使用安全性；(４)高温性能好:一般铝合金在４００℃时弹性模量大幅度降低，强度显著下降，而碳(或硼)纤维增强铝合金制成的复合材料在此温度下强度和模量基本不变，是高温状态下工作零件的理想材料；(５)减振性良好:机械的自振频率与材料比弹性模量的平方根成正比，由于复合材料的比模量大，自振频率很高，不易产生共振。纤维与基体的界面具有吸振能力，故振动阻尼高；上一页下一页返回７.１复合材料(６)独特的成形工艺:复合材料可以整体成型，减少了零部件紧固和接头数目，材料利用率也高得多。例如，硼纤维增强复合材料，１００ｋｇ的原料可获得８０ｋｇ的零件。各种材料的性能比较见表７-３。７.１.２复合材料在汽车上的应用在汽车上所采用的复合材料是纤维增强塑料(ＦＲＰ)、纤维增强陶瓷(ＦＲＣ)、纤维增强金属(ＦＲＭ)。１.纤维增强塑料(ＦＲＰ)(１)纤维增强塑料(ＦＲＰ)的种类见表７-４。上一页下一页返回７.１复合材料(２)纤维增强塑料(ＦＲＰ)作为汽车材料的特点。ＦＲＰ密度低，且比强度高，因而可减轻汽车自重，降低发动机负荷，提高燃料利用率；由于ＦＲＰ的流动性和层压性好，可制成形状各异的曲面，其设计自由度大，有利于设计空气阻力小的车身形状，满足美观要求，可一体成型，减少装配工序；着色方便，在树脂中混入颜料可达到任意着色的目的；可随时根据设计要求调整纤维配比及排列，以便在不同取向上得到合理的强度和刚性，也可任意调整厚度，从而制成轻量的不等向性、不等厚度的制件；耐冲击性好，可大量吸收冲击能，有利于提高安全性。不足之处是生产率低，可靠性差，接合强度低(只能铆接或化学黏结)，阻热性、耐燃性、表面涂装性差等。上一页下一页返回７.１复合材料(３)玻璃纤维增强材料(ＧＴＲＰ)。玻璃纤维增强材料是汽车上应用最广的复合材料，它的成型方法及在汽车上的应用归纳如下:ＢＭＣ材料(即块状模压塑料):ＢＭＣ材料是加有填料、化学增稠剂、固化剂、颜料、脱模剂等的树脂与短切玻璃纤维等主要成分混合成块料，装入配合挤压模后压缩成型的，其为预制材料。其成型自由度大，但是在混合搅拌时玻璃纤维被破坏，使强度下降。ＢＭＣ生产的汽车零件有轻型车进气罩下体、护风圈、前大灯、前端电枢、空调器壳、发动机盖、发动机壳等。上一页下一页返回７.１复合材料ＳＭＣ材料(片状模压塑料复合材料):ＳＭＣ是用低黏度的不饱和聚酯树脂、填充剂、增稠剂、固化剂、内脱模剂等组分浸渍片状玻璃纤维而制成的片状模压塑料复合材料。由于浸渍时玻璃纤维不受破坏，可得到比ＢＭＣ强度更高的成型件，ＳＭＣ是片状的，有利于模压成型，使生产率大大提高，ＳＭＣ材料改善了表面粗糙度，保持了尺寸稳定性，提高了生产率。ＳＭＣ生产的汽车零件有车顶导流板、翼子板、前大灯箱、车轮盖、车门、侧板、车身装饰物嵌饰条、风挡窗框、顶盖、发动机罩及通风孔等。树脂注入法(ＲＴＭ法):ＲＴＭ是在装入玻璃纤维的封闭模具里压入树脂，常温或加热固化。其由玻璃纤维毡或预浸玻璃纤维粗纱和不饱和聚酯组成。设备简单，投资小，且制品物理性能优异，适合中小规模生产。由于树脂成型是在封闭的模具里，逸出的聚苯乙烯少，是一种环保成型法。ＲＴＭ生产的汽车零件有护风罩、前后保险杠、导流罩、顶盖、后举升门等。上一页下一页返回７.１复合材料拉制成型法(ＰＰ):拉制成型法是将多根玻璃线同时连续地通过树脂液，使之浸渍、聚束后通过拉(伸)模制成所需的断面形状，加热后使之固化。拉制成型法生产的汽车零件有大型货车用集装箱内外板的隔板(与铝板共用)、保险杠横梁、推杆、车架等。ＲＩＭ反应注射模压成型法:ＲＩＭ反应注射模压成型法是把两种和两种以上的液态树脂迅速混合同时注入模子里，在模内很快反应固化成制品。ＲＩＭ反应注射模压成型法生产的汽车零件有保险杠、转向机等。ＲＲＩＭ增强反应注射成型法:ＲＲＩＭ增强反应注射成型法是用玻璃纤维增强ＲＩＭ的方法。它具有成型性好、弹性好、耐冲击性好等优点，大量用于保险杠等。ＲＲＩＭ增强反应注射成型法生产的汽车零件有保险杠、挡泥板、车门外蒙皮等。上一页下一页返回７.１复合材料(４)碳纤维增强材料(ＣＦＲＰ)。ＣＦＲＰ是由人造丝、石油沥青、聚丙烯为原料制成。碳纤维增强塑料(ＣＦＲＰ)的性能特点:ＣＦＲＰ的成型加工法与ＧＦＲＰ差不多，ＣＦＲＰ材料具有高的比强度和比弹性模量，密度低，抗压强度比ＧＦＲＰ高一倍左右，它还具有较好的耐疲劳特性，是一种理想的汽车材料；ＣＦＲＰ还具有很好的耐蠕变性能，耐腐蚀性能，热伸缩性小，能导电，Ｘ射线穿透性好，耐磨性高，磁电屏蔽性好，振动衰减快，振动传导小，这些性能适用于汽车材料。ＣＦＲＰ的缺点主要表现在耐冲击性差，易发生纤维和树脂之间的层间分离，在与金属连接处易发生电化学腐蚀，且价格昂贵。采用碳纤维增强塑料生产的汽车零件有发动机挺柱、保险杠骨架、大梁、横梁、传动轴、挂板簧等。上一页下一页返回７.１复合材料(５)芳纶(Ｋｅｖｌａｒ)纤维复合材料。芳纶纤维复合材料是一种有机合成纤维，具有高强度、高弹性、低密度，它的强度与碳纤维相同，而质量比碳纤维小１０％~１５％，比玻璃纤维小４５％，具有高的抗拉强度及压缩模量，耐破坏性、振动衰减性、疲劳性，成本较高。芳纶纤维复合材料生产的汽车零件有:缓冲器、门梁、托架、铰链、变速器支架、压簧、传动轴等。为了降低成本和提高复合材料的耐冲击性，开发了高性能的混合纤维，即碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维交错层压或交织增强方法获得的纤维。随着汽车用ＦＲＰ零件在可靠性、安全性、高质量和成本方面的进一步开发和试验，其用途会越来越广泛。上一页下一页返回７.１复合材料２.纤维增强陶瓷(ＦＲＣ)纤维增强陶瓷是克服陶瓷脆性的有效方法，利用纤维承受载荷可提高断裂强度，阻止裂纹扩展，提高断裂韧性，分散裂纹的扩展使断裂面积增大和利用纤维的拉伸增大抗断裂能力。高弹性纤维增强陶瓷可提高陶瓷的强度，耐热纤维增强陶瓷可提高陶瓷的高温强度。纤维增强陶瓷与陶瓷的性能特点比较见表７-５。纤维增强陶瓷有待于继续开发，除界面的控制方法等基础研究外，还应开发廉价的成型加工法和评价方法，推广纤维增强陶瓷的应用范围。上一页下一页返回７.１复合材料３.纤维增强金属(ＦＲＭ)(１)纤维增强金属材料特点。ＦＲＭ材料的特点是比强度、比刚性高，耐热性等化学性能高，热传导和电导性优良，耐磨性高。如果只追求轻量化效果，无需采用ＦＲＭ，只有同时要求良好的耐热性、耐磨性以及热传导和电导性时，才有必要采用ＦＲＭ。(２)纤维增强金属(ＦＲＭ)在汽车上的应用。汽车零件中有ＦＲＭ化的有活塞、活塞销、连杆、气门系的摇臂、挺柱、汽缸体等。ＦＲＭ活塞:汽车发动机的第一道活塞耐磨环采用Ａｉ２Ｏ３/Ａｉ的纤维增强金属ＦＲＭ，耐磨性优良、强度高、成本低，热膨胀少，可减少活塞与汽缸的间隙，降低发动机的噪声，提高耐灼烧性，热导性好。上一页下一页返回７.１复合材料ＦＲＭ连杆如图７-４所示:铝连杆的杆部嵌入直径０.０２５ｍｍ的不锈钢，提高了强度、刚性，减轻了质量；活塞销采用Ａｉ２Ｏ３＋ＳｉＯ２长纤维增强，显著提高了强度；转子式发动机径向密封片采用碳纤维增强铝合金制成；转子式真空泵叶片采用分散离子型Ｃ/Ａｉ合金复合材料。但由于使ＦＲＭ广泛应用的课题尚待解决，如基体金属和纤维的结合问题，成型体制造方法问题，控制强化纤维的取向、分布状态问题，ＦＲＭ没有能像ＦＲＰ那样被大量应用。上一页返回７.２摩擦材料７.２.１汽车摩擦材料的组成汽车摩擦材料主要由增强材料、胶黏剂及填充材料等组成。(１)增强材料。增强材料是摩擦材料的一个重要组成部分，纤维的选用对摩擦材料的摩擦、磨损性能有着重要的影响，增强材料主要有石棉、钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、有机纤维和混杂纤维等。(２)胶黏剂。选择胶黏剂首先要考虑热性能，此外还要求其结构强度高、模量低、贴合性好、分解温度高、分解物少、分解速度慢及分解残留物有一定的摩擦性能等。早期使用的主要是橡胶型胶黏剂，但橡胶因耐热性差且磨损大，已逐渐被酚醛树脂取代或与树脂混合。目前国外大都采用改性树脂。下一页返回７.２摩擦材料(３)填充材料。填补材料是摩擦材料中不可缺少的组分，其在摩擦材料中主要起改善材料的物理与力学性能，调节摩擦性能及降低成本的作用，可分为有机、无机和金属三种材料。目前，填料常用重晶石、硅灰石、氧化铝、铬铁矿粉、氧化铁、轮胎粉及铜、铅等粉末等。７.２.２汽车上制动摩擦片的要求用于制动摩擦片和离合器片的摩擦材料有着严格的性能要求。这类摩擦元件的主要功能是将动能转变成热量，然后热量被吸收或散发掉，同时通过摩擦减低摩擦材料和被它贴合的部件之间的相对运动。为了达到这些目的，汽车用摩擦材料必须满足以下要求:上一页下一页返回７.２摩擦材料１.有足够高而稳定的摩擦系数摩擦系数是摩擦材料最重要的技术指标之一，通常它不是一个常数，而是受温度、压力、速度或者表面状态、摩擦环境等影响而变化。理想情况下，摩擦系数应该是受这些因素的影响变化较小的。２.具有合适的抗热衰退性及恢复性制动蹄片在制动时，温度不高，摩擦系数是稳定的，但在高温时摩擦系数会下降，出现热衰退现象，所以要求摩擦蹄片具有良好的抗热衰退性能。性能良好的摩擦片要求摩擦表面有足够的耐分解性，分解后的表面始终保持良好的摩擦状态，不产生分解产物的硬质层。上一页下一页返回７.２摩擦材料３.具有较高的耐磨性耐磨性是衡量摩擦材料使用寿命的重要指标。它包括常温下制动片的抗剪切能力和高温时制动片的高分子有机物地的抗热分解能力。４.有大单位面积吸收功率及低磨损摩擦片的单位面积吸收功率越大，制动能力越强，汽车的制动时间越短。所以，必须依据运动部件的质量及速度的增加来选择合适的制动摩擦片。５.较高的机械强度摩擦片必须在常温时具有良好的结构强度，以保证整个制品的装配、使用及铆钉的连接强度，以及在高温时也能保持一定的强度；要求摩擦材料具有良好的冲击韧性、抗压强度、抗剪强度，以及良好的导热性，性能随温度的变化小。上一页下一页返回７.２摩擦材料６.噪声汽车制动噪声的产生与制动机机构有关，也与摩擦片有关。一般来说，摩擦片的材料的种类是影响汽车制动噪声的因素，金属成分含量过高，模量过大，摩擦系数过高，都会造成较大的制动噪声。７.２.３制动摩擦片材料的分类１.石棉摩擦材料由石棉、聚合物、摩擦性能调节剂三部分组成，以聚合物黏结而形成的基体；摩擦时易于磨合，舒适性好。２.金属陶瓷摩擦材料采用粉末冶金方法制成的铁基、铜基金属陶瓷材料；在高速高压下摩擦系数变化小；价格高，噪声大，脆性大，低温效率低。上一页下一页返回７.２摩擦材料３.半金属基摩擦材料由高组分的金属粉末、纤维及摩擦性能调节剂组成，并用有机或无机胶黏剂黏结在一起，这种摩擦材料的