复合材料新技术在汽车中的应用

《复合材料新技术在汽车中的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、随着现代科学技术的发展，具有轻质、高强度、耐腐蚀、易合成型等优点的非金属材料越来越多的取代传统的金属材料，在汽车上得到了应用。在汽车工业中非金属材料有塑料、橡胶、摩擦材料、涂料、胶黏剂、复合材料、玻璃、纺织材料、密封材料及润滑油等。其中汽车用复合材料在汽车工业中越来越得到广泛的重视和应用，而且有着一定的市场开发前景。1　车用复合材料的特点　　 一般称为复合材料的是由纤维等增强材料与基底（母体）等2种或2种以上性质不同的材料，通过各种工艺手段组合而成。它与纤维增强塑料（FRP）、纤维增强金属（FRM）、金

2、属-塑料层叠材料等相当，具有质量轻、强度高、刚度好的特点，这些复合材料在汽车零部件上应用很盛行。　　复合材料是并向异性的非均质材料，与其他材料相比有以下突出特点：　　1)比强度与比模量高。比强度、比模量是指材料的强度和模量与密度之比，比强度越高，零件自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。因此对高速运转的结构件或需减轻自重的运输工具具有重要意义。　　2)纤维增强复合材料中的纤维与基体间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，外加载荷由增强纤维承担。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30％～50％，而复

3、合材料则可达到60％～80％。　　3）在热塑性塑料中掺入少量的短切碳纤维可大大地提高它的耐磨性，其增加的倍数可为原来的好几倍。如聚氯乙烯以碳纤维增强后为其本身的3.8倍，聚四氟乙烯为其本身的3倍；聚丙烯为其本身的2.5倍(本资料由东莞优畅工程塑料公司提供)；聚酰胺为其本身的1.2倍；聚酯为其本身的2倍。选用适当塑料与钢板复合可作耐磨物件，如轴承材料等。用聚四氟乙烯（或聚甲醛）为表层、多孔青铜和钢板为里层的三层复合材料，可制成滑动轴承的良好材料。　　4）化学稳定性优良。纤维增强酚醛塑料可长期在含氯离子的酸

4、性介质中使用，用玻璃纤维增强塑料，可制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀及容器等设备。如用耐碱纤维与塑料复合，还能在强碱介质中使用。耐碱纤维可用来取代钢筋与水泥复合。　　5）耐高温烧蚀性好。纤维增强复合材料中，除玻璃纤维软化点较低（700~900℃）外，其他纤维的熔点（或软化点）一般都在2000℃以上，用这些纤维与金属基体组成的复合材料，高温下强度和模量均有提高。例如：用碳纤维或硼纤维增强后，400℃时强度和模量基本可保持室温下水平。同样用碳纤维增强金属镍，不仅密度下降，而且高温性能也提高。由

5、于玻璃钢具有极低的导热系数，可瞬时耐超高温，故可做耐烧蚀材料。　　6）工艺性与可设计性好。调整增强材料的形状、排布及含量，可满足构件强度和刚度等性能要求，且材料与构件可一次成型，减少了零部件、紧固件和接头数目，材料利用率大大提高。2　复合材料的功用和性能　　复合材料与传统材料相比，具有比强度高、质量轻、比模量高、抗疲劳性能好及减振性能好等诸多优点。复合材料的各个组成材料在性能上起协同作用，具有单一材料无法比拟的优越综合性能。因此，在汽车工业中，复合材料被广泛应用于车身、灯壳罩、前后护板、保险杠、板弹簧、

6、座椅架及驱动轴等部件的设计与制造。　　在汽车工业中的复合材料设计应注意3个原则：1）比强度高和比刚度高；2）材料与环境相适应；3）性价比高。另外，在设计车身时，有一些经验方法，如：在应力高的区域适用碳纤维复合材料；在对韧性和刚度要求比较高的区域使用三合板复合材料；在几何形状复杂的区域可以使用层合板。　　复合材料性能适合车身轻量化的要求，降低油耗。传统的汽车车身材料处于以薄钢板为主的单一状态，不能适应人们追求高速与轻量化的要求，为减轻其质量，改善风阻系数和降低油耗，许多汽车厂家都积极研究和利用新材料以达到

7、上述要求。汽车自重减少50kg，1L燃油行驶距离可增加2Km；若自重减少10％，燃油经济性可提高约5.5％。许多类型的复合材料都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生手。汽车轻量化的目的就是节能和减轻排放污染。同时环境保护已成为可持续发展战略必不可少的条件，而复合材料的发展趋势正朝着延长使用期以及可再生的方向发展。3　几种研发中的复合材料　　1）碳纤维强化塑料（CFRP）。碳纤维由纤维和聚丙烯睛经高温加热处理制造而成，具有耐热性高，比重比铝和玻璃纤维还小，而且与塑料复合其强

8、度可与钢和铝相匹敌。可是CFRP的成本与GFRP（玻璃纤维增强塑料）相比，远高很多，大多限于航空宇宙和体育用品范围内使用。　　1979年，美国福特汽车公司发表了用GFRP制作轻型实验车的新构想（见图1），其中使用CFRP约300kg，燃费约可降低35％。该实验车主要是将CFRP材料应用于车体面板，其他是传动轴和板弹簧等功能性零件，同时，还尝试在发动机机体和连杆、活塞等零部件上应用。CFRP材料质轻，刚度和强度也高，因材料的各向异性，设计时，