汽车材料（第3版）课件：复合材料

汽车材料（第3版）

复合材料复合材料的种类及性能金属基复合材料在汽车上的应用第一节第二节１.了解复合材料的种类及性能特点。２.了解复合材料在汽车上的应用及前景展望。学习目标第一节复合材料的种类及性能

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。确切地说，复合材料首先应该是一种结构物，其次才是一种材料(例如:钢筋混凝土就是一种复合材料)。一、复合材料分类一般有下列三种分类方法。１.按性能分类(１)功能复合材料:处于初始研制阶段。(２)结构复合材料:大量研制和应用。２.按基体分类(１)非金属基复合材料:目前大量研究和使用的是以高聚物材料为基体。(２)金属基复合材料。按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、钛基、高温合金基、金属间化合物基以及难熔金属基复合材料等。第一节复合材料的种类及性能３.按增强剂的种类和形状分类(１)颗粒复合材料。(２)层状复合材料。(３)纤维增强复合材料。①玻璃纤维增强复合材料。②碳纤维增强复合材料。③硼纤维。④晶须等。目前使用最多的是纤维增强复合材料。二、复合材料性能特点１.比强度和比模量高第一节复合材料的种类及性能２.抗疲劳性能好复合材料中基体和增强纤维间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展。３.减振能力强纤维增强复合材料比模量大，则自振频率高，可避免产生共振而引起的早期破坏。另外纤维与界面吸振能力强，故振动阻尼性好，即便发生振动也会很快衰减。４.耐高温性能好５.断裂安全性好增强纤维的复合材料中在每平方厘米截面上有成千上万根纤维，即使有一部分纤维断裂，载荷也会由未断裂的纤维承担起来，所以断裂安全性好。６.化学稳定性好复合材料能耐酸碱腐蚀，还具有一些特殊性能，如隔热性等。第一节复合材料的种类及性能三、汽车常用复合材料复合材料的主要组成一般分为基体和增强材料两大类，其中基体材料又分为金属和非金属两大类。比较常见的几种复合材料有玻璃钢、工程塑料、先进复合材料(一般是指高档纤维)、热固性复合材料和热塑性复合材料等。复合材料工艺方法多种多样，各自有不同的优点。纤维增强塑料(ＦＲＰ)是汽车轻量化的最重要的材料。ＦＲＰ主要是由三部分组成:(１)纤维。有玻璃纤维、碳纤维和陶瓷短纤维等。(２)树脂。有聚丙烯塑料(ＰＰ)、聚乙烯塑料(ＰＶＣ)、聚二烯塑料(ＰＥ)、ＡＢＳ等不饱和热塑性树脂等。(３)填充料。常用中空的玻璃微球、陶瓷微球和有机物微球。第一节复合材料的种类及性能１.玻璃纤维增强塑料(ＧＦＲＰ)玻璃纤维增强塑料(ＧＦＲＰ)是以玻璃纤维为增强剂，以树脂为黏结剂(基体)而制成的，俗称玻璃钢。２.碳纤维增强塑料(ＣＦＲＰ)碳纤维增强塑料(ＣＦＲＰ)用作基体的树脂主要有热固性的酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和热塑性的聚四氟乙烯.利用ＦＲＰ制作的汽车部件有:车身外板零件挡泥板、行李舱盖、散热器前装饰护栅、带加强筋的发动机罩、车顶盖、保险杠、侧密封、下盖板、车厢后围板的装饰、前照灯壳体等，发动机舱内的蓄电池槽、汽缸盖罩、等，驾驶室内的仪表板芯、仪表罩壳等。ＣＦＲＰ制件的最大优点是轻量化效果显著，见表９-１。节能效果胜于钢和铝制件。第一节复合材料的种类及性能四、金属基复合材料(ＭＭＣ)增强金属基复合材料通常是由低强度、高韧性的基体和高强度、高弹性模量的纤维组成的。金属基复合材料的基体大多采用铝、铜、铝合金、铜合金、镁合金和镍合金。第一节复合材料的种类及性能１.纤维增强金属基复合材料(ＦＲＭ)

ＦＲＭ是利用纤维的特性制造轻质的结构材料，具有以下优点:比强度、比刚性高，要制成同等强度的零件，可使质量下降，耐热性等热学性能提高，热传导和电导性优良，耐磨性高。因而ＦＲＭ材料在汽车上用来制造的活塞环、连杆、汽缸体、活塞销等。２.颗粒、晶须增强金属基复合材料颗粒及晶须增强金属基复合材料是目前应用范围最广，开发前景最大的一种金属基复合材料。这类复合材料的金属基大多数是采用密度较低的铝、镁和钛合金，以便提高复合材料的比强度和比模量，其中较为成熟、应用较多的是铝基复合材料。第一节复合材料的种类及性能３.纤维增强陶瓷(ＦＲＣ)

陶瓷具有耐高温、抗氧化、高弹性模量和高抗压强度等优点，但由于脆性大、经不起冲击和热冲击，因而限制了陶瓷的使用。而纤维增强陶瓷(ＦＲＣ)则是利用纤维克服陶瓷脆性的有效方法，其功能有三点:(１)利用纤维承受载荷可提高断裂强度。(２)利用纤维阻止裂纹的扩展提高断裂韧性。(３)分散裂纹的扩展使断裂面积增大和利用纤维的拉伸增大断裂性能等。４.碳纤维复合材料

ＦＲＣ是以各种树脂、碳、金属、陶瓷为基体材料的塑料，其根据基体材料可分为树脂基复合材料、陶瓷基复合材料(ＣＭＣ)和金属基复合材料(ＭＭＣ)。第一节复合材料的种类及性能(１)具有较高的强度。碳纤维复合材料具有目前常用材料中最高的比模量和比强度，用其制作与高强度钢具有同等强度和刚度的构件时，质量可减轻７０％左右。(２)具有良好的抗疲劳性。碳纤维复合材料的抗疲劳性能极佳。由于在疲劳载荷作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的结果，(３)碰撞吸能性好。碳纤维复合材料是汽车金属材料最理想的替代材料，在碰撞中对能量的吸收率是铝和钢的４~５倍，减轻车身质量的同时还能保证不损失强度或刚度，保持防撞性能，极大地降低了轻量化带来的汽车安全系数降低的风险。(４)制造工艺性好。碳纤维复合材料的工艺性和可设计性好，通过调整ＣＦＲＰ材料的形状、排布、含量，可满足构件的强度、刚度等性能要求，第一节复合材料的种类及性能

碳纤维(ＣＦ)是纤维状的碳素材料，含碳量在９０％以上，它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得，具有十分优异的力学性能。特别是在２０００℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。碳纤维在汽车上的应用如图９-１所示。

图９-１碳纤维在汽车上的应用ａ)大众碳纤维材料车身，ｂ)日产ＣＴ-Ｒ碳纤维材料保险杠，ｃ)碳纤维材质的后扰流板第二节金属基复合材料在汽车上的应用

复合材料在汽车上的应用分为几大类:覆盖件(内外饰)、结构件(以其力学性能为主要应用)、功能件(以其某些方面特殊性能为主要应用)。铝基复合材料是由铝合金基体和增强体通过特殊的加工工艺结合为一体形成的新型复合材料，其常见的基体材料有Ａｌ-Ｓｉ、Ａｌ-Ｃｕ、Ａｌ-Ｍｇ等铝合金系列，目前，铝基复合材料一般采用铝硅合金。常用的填充增强剂有陶瓷纤维和微粒等。它与铝合金相比具有质量轻、比强度高和弹性模量高、耐热性和耐磨性好等优点，是汽车轻量化的理想材料。１.铝基复合材料活塞活塞是发动机的关键零部件之一，所处的工作环境非常恶劣:承受着交变的机械负荷和热负荷,因此，活塞材料有着苛刻的要求:

质量轻、强度高、耐磨性好、尺寸稳定性高、导热性好等。第二节金属基复合材料在汽车上的应用２.铝基复合材料制动盘制动盘是汽车制动系统中的重要部件，汽车的行驶安全性关键在于其制动效果。铝基复合材料制成的制动盘，具有极好的导热性，摩擦面上的热量能够很快消散，且其磨损不大于铸铁制动盘，还可降低噪声。第二节金属基复合材料在汽车上的应用３.铝基复合材料汽缸套汽缸套是镶嵌在发动机缸体内的圆筒形零部件，决定着发动机的使用性能与寿命。传统的汽缸套材料主要是灰铸铁，但随着发动机性能要求的提高，传统灰铸铁汽缸套的性能已远不能满足要求。目前所用的各种铸铁汽缸套材料，其基体组织均为珠光体，强度一般仅为２１０~２６０ＭＰａ。