未来的非金属材料应用发展趋势

任务介绍

非金属材料一般包括高分子材料、陶瓷材料、复合材料3类，具有金属材料所不能及的某些性 能，如绝缘性、耐高温、抗腐蚀、质量小等，在汽车工业中得到了越来越广泛的应用。

学习目标

1.理解塑料和橡胶的概念及应用。

2.了解常用的陶瓷、玻璃及复合材料。

相关知识

一、高分子材料

高分子材料是以高分子化合物为主要组成部分的材料，又称聚合物或高聚物。高分子化合物主要含碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）等元素，所以密度小，为0.9～2g/cm3。

高分子材料分为天然和人工合成两大类。天然高分子材料有羊毛、蚕丝、淀粉等，工程上应用的高分子材料主要是人工合成的。人工合成的高分子化合物按工艺性质可分为塑料、橡胶、胶粘剂和纤维素。常用的高分子材料有塑料、橡胶等。

1.塑料

塑料是一种以有机合成树脂为主要组成成分的高分子材料，在其中加入一些用以改善其使用性能和工艺性能的添加剂，经加热、加压后被注塑或固化成形产生的材料。汽车用工程塑料主要用于制造某些机器零件或构件，具有强度、韧度和耐磨性较好，价格低廉、耐腐蚀、降噪声、美观、质量小等特点。

树脂是决定塑料性能和使用范围的主要组成物，在塑料中，起粘结其他组分的作用。塑料中的合成脂质量分数一般为30％～100％。根据使用要求，可在塑料中掺入一些添加剂，以改善塑料的性能，常用的添加剂有填充剂、增塑剂、稳定剂、着色剂及其他。

汽车用塑料按照用途可分为内饰用塑料、工程塑料和外装件用料。汽车内饰用塑料品种主要有聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）和苯乙烯树脂（ABS）等。它们用于制作坐垫、仪表板、扶手、头枕、门内衬板、顶棚衬里、地毯、控制箱、转向盘等内饰塑料制品。汽车上常用的工程塑料有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯烯、苯乙烯树脂（ABS）、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛树脂等。汽车的外装件及结构件包括传动

轴、车架、发动机罩等，要求具备高强度，因而多采用纤维增强塑料复合材料制造。

2.橡胶

橡胶是以生胶为原料，加入适量的配合剂，经硫化工艺处理以后得到的一种生产原材料。生胶是指未经硫化的天然或合成橡胶。

橡胶显著的特点是具有高的弹性和回弹性。同时，橡胶还有一定的强度，优异的抗疲劳性及良好的耐磨、绝缘、隔声、防水、缓冲、吸振等性能。

橡胶的组成：生胶、增塑剂、硫化剂、硫化促进剂、防老剂、填充剂（填料）等。 常用的橡胶有天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）、氯丁橡胶（CR）等。

（1）天然橡胶

天然橡胶为聚异戊二烯混合体，来源于橡胶树的胶乳。

优点：耐磨性、耐蚀性、耐低温性、介电性好，易于加工成形。

缺点：耐油、耐溶剂性差，抗臭氧老化性差。

应用：轮胎、胶鞋、胶管等。

（2）丁苯橡胶

丁苯橡胶为合成橡胶，是产量最大、应用最广的通用橡胶，为丁二烯和苯乙烯共聚物。

优点：耐磨性、耐热性、耐油性、抗老化性都比较好，特别是耐磨性超过天然橡胶，且价格低廉。

缺点：强度低、成形性不佳。

应用：轮胎、胶板、胶布等通用制品。

（3）氯丁橡胶

氯丁橡胶为合成橡胶，俗称“万能橡胶”，是氯丁二烯聚合物。

优点：力学性能与天然橡胶相似，耐磨、耐热、耐油、抗老化等。

缺点：耐寒性差、密度大、成本高。

应用：三角带、运输带、腐蚀介质输送管、胶粘剂等。

二、陶瓷材料

陶瓷是经原材料配制、坯料成形高温烧结制成的无机非金属材料，是现代工业中非常有发展前途的一类材料。陶瓷材料、高分子材料、金属材料将构成固体材料的三大支柱。随着科学技术的发展，陶瓷在品种、制造技术、应用领域等方面都有了很大的突破，精细陶瓷已成为许多高新技术领域中不可缺少的关键材料，得到了非常迅速的发展，在汽车及工程机械上的应用越来越广，如用于制作耐高温高压的火花塞、陶瓷发动机等。

陶瓷材料具有熔点高（一般2000℃以上）、硬度高、化学稳定性好、绝缘性好、耐高温、耐腐蚀等特点。工业上的陶瓷主要用于制作耐高温、耐磨元件、绝缘材料、高硬度耐磨材料及各种功能材料。常用陶瓷材料有普通陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。

1.普通陶瓷

普通陶瓷是以黏土为原料，经配制烧结而成的陶瓷。这种陶瓷具有良好的耐蚀性、电绝缘性、成形性，且成本低廉，但强度低、易软化，故主要应用于耐腐蚀的容器和管道、电绝缘件等。

2.氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷是以A12O3（占45％以上）为主要成分的特种陶瓷。其优点是强度高（为普通陶瓷的3～7倍）、硬度高（90HRC）、耐磨性很好、电绝缘性好、可在高温下长期工作等。其缺点是脆性大、抗热振性差。其主要用来制造内燃机火花塞、金属拉丝模、切削冷硬铸铁和淬火钢的刀具、熔化金属的坩埚、导弹整流罩等。

3.氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷是以Si3N4为主要成分的特种陶瓷，有反应烧结和热压烧结两种。其优点是化学稳定性好、耐腐蚀、硬度高、摩擦系数小且有自润滑作用，同时热膨胀系数低、抗热振性能好、绝缘性能好。其缺点是应用受氮化层深度的限制。氮化硅陶瓷用来制造石化用密封环、高温轴承、电硅泵管道/阀门（反应烧结），或简单的耐磨、耐高温刀具（热压烧结）等。(www.xing528.com)

三、玻璃

现代汽车上应用玻璃的部位越来越多，采用玻璃能够提高驾驶的视野，可使汽车外观更加美观。将玻璃准确地安装在金属边框上，能够减小空气阻力，提高金属平整度，同时降低风噪，并可展示汽车圆滑、整洁的车身外表。玻璃是一种非晶态固体，它是以石英砂、纯碱、长石、石灰石等为主要原料，并加入金属氧化物等辅料，在高温窑中煅烧至熔融后，经成形、冷却所获得的非金属材料。汽车玻璃分为安全玻璃、夹层玻璃、钢化玻璃、区域钢化玻璃。

（1）安全玻璃

汽车用安全玻璃是由无机材料或无机与有机复合材料所构成的产品，应用于汽车上时，可以减少车祸中严重伤人的危险，对其可见性、强度和耐磨性都有规定。

（2）夹层玻璃

夹层玻璃用于制造各种风窗玻璃。在构造上，这种玻璃由两片很薄的玻璃片及其中间夹有的一块塑料膜片或数层胶粘剂组成。破碎时，这类玻璃中间的塑料膜片能够粘住碎玻璃，可防止碎玻璃引起的伤害。这种玻璃一般用于制造前部风窗玻璃。

（3）钢化玻璃

钢化玻璃一般用于侧面和后风窗玻璃，很少用于前风窗玻璃。它仅由一片经过热处理的玻璃组成，用将玻璃加热到软化点附近后骤冷的方法制成，这可提高玻璃的强度和热稳定性。钢化玻璃比同样厚度的普通玻璃耐碰撞，一旦钢化玻璃被破坏，其碎片无尖锐棱角且很小，呈颗粒状。其破碎后呈现一种连接的结构，减少了透明度，这是这种玻璃不能用于前风窗玻璃的一个原因；另一个原因是这种玻璃并不是随处都有，而且在碰撞中会使驾驶人受到比较严重的头部损伤。

（4）区域钢化玻璃

它是分区域控制钢化程序的钢化玻璃，一旦破坏，总体上符合安全玻璃对碎片的要求，即当突然受到外力作用破碎时，有的部分碎片大，有的部分碎片小。这样，既保证了驾驶人和乘员的安全，又提供了一个不妨碍驾驶的视区。

汽车的前风窗玻璃为A类夹层玻璃、B类夹层玻璃或区域钢化玻璃，它们在认证标志中的产品代号分别为LA、LB、Z；其他部位的玻璃一般为A类夹层玻璃、B类夹层玻璃或钢化玻璃。其中，A类夹层玻璃的安全性能最好。

现代汽车玻璃的发展趋势是安全、美观、多功能、轻而薄，并出现了许多新品种，如减速玻璃 、吸热玻璃、带有印制电路的防霜玻璃、带天线的玻璃等等。

任务小结

1.塑料

汽车用塑料品种主要有聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、苯乙烯树脂（ABS）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛树脂等。

2.橡胶材料

常用的橡胶有天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等.

3.陶瓷材料

常用陶瓷材料有普通陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。

4.玻璃

汽 车用玻璃都是安全玻璃，包括夹层玻璃、区域钢化玻璃和钢化玻璃。

拓展提高

复合材料

复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，经一定方法合成而得到的一种新的多相固体材料。它不仅具有各组成材料的优点，还具有比单一材料更优良的综合性能。

1.复合材料的分类

复合材料的分类至今尚不统一，目前主要采用以下几种分类方法：

1）按材料的用途可分为结构复合材料（用于制造受力构件）和功能复合材料（具有如导电、导磁、阻尼、摩擦、屏蔽等特殊性能）两大类。

2）按增强材料的物理形态可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料及层叠复合材料。

3）按基体类型可分为非金属基体复合材料及金属基体复合材料两大类。

2.复合材料的性能

1）比强度（强度和密度的比值）和比模量（单位密度的弹性模量）高。

2）抗疲劳性能好。

3）减振性能好。

4）高温性能好。

5）工作安全性好。

6）成形工艺简便灵活及可设计性强。

3.常用复合材料

1）纤维增强塑料（FRP）：纤维增强塑料是汽车轻量化的重要材料，主要由3部分组成，即纤维、树脂和填充料。纤维增强塑料基体是塑料，承受载荷的主要是增强相纤维，而增强相纤维处于基体之中，彼此隔离，其表面受到基体的保护而不易受到损伤；基体能阻止裂纹的扩展，并对纤维起到黏结的作用，使复合材料的强度得到很大提高。FRP中比较典型的有玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料。

2）金属基复合材料（MMC）：增强金属基复合材料是由低强度、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、铜合金、镁合金和镍合金，增强材料一般为要求具有高强度和弹性模量、高抗磨性与高化学稳定性的碳化硅、硼、氧化铝和碳纤维。

3）纤维增强陶瓷（FRC）：纤维增强陶瓷中利用增强纤维可以提高陶瓷断裂强度，并提高断裂韧性。目前，FRC有碳纤维系、陶瓷纤维系和晶须纤维系，国外在汽车发动机上已有许多零件采用纤维增强陶瓷材料。