1、圖一：汽車能耗與重量關(guān)系復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用一、汽車用復(fù)合材料簡(jiǎn)潔概述隨著全球能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題的重視，汽車對(duì)于重量、噪聲、耗油等方面的要求 的越來越高。另一方面，高檔轎車的附加功能越來越多，又會(huì)增加轎車質(zhì)量。汽車的輕量化 會(huì)可以降低油耗、節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境、改善汽車性能。圖一展現(xiàn)了各類不同汽車的車重和 它們的百公里油耗比照狀況。從圖中可以看出汽車車重平均削減100kg,汽車的百公里油耗 削減0.7L。值得提示的是，汽車部件的能耗可以從三個(gè)方面考察：原材料能耗、加工能耗和 運(yùn)載能耗，圖一所示的只是運(yùn)載能耗。汽車輕量化設(shè)計(jì)最有效的途徑就是更 換新材料。在現(xiàn)代的眾多材料之中，聚合物 基復(fù)合

2、材料具有比強(qiáng)度和比模量高、耐疲 憊、本錢低、減振和降噪性能良好、耐腐蝕 和尺寸穩(wěn)定等優(yōu)良性能，生產(chǎn)耗能只有鋼材 的 50%-60%,是 Al、Mg 材料的 70%80%, 其實(shí)不僅是聚合物基復(fù)合材料具有以上幾 點(diǎn)特點(diǎn)，用復(fù)合材料替代傳統(tǒng)材料，普遍表 現(xiàn)出質(zhì)量小、耐腐蝕、易修補(bǔ)、噪聲小、燃 油消耗低、成型工藝便利、易回收采用，已 廣泛應(yīng)用與制造汽車車身、車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、 油底殼、保險(xiǎn)杠、板彈簧和驅(qū)動(dòng)軸等。例如: 美國(guó)的Pontiac Fiero轎車采納纖維增加塑料 車身，車重削減了 80%o下面概述一下各種復(fù)合材料在汽車上 面的應(yīng)用。金屬基復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用：目前應(yīng)用與汽車工業(yè)的金屬基復(fù)合材

3、料主要有AI或Mg基的顆?；蛘叨汤w維增加的材 料，特點(diǎn)是：比強(qiáng)度和比剛度高，耐磨性好，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)低。金屬基復(fù)合材料適 合制造汽車的制動(dòng)器耐磨件，如制動(dòng)盤等?，F(xiàn)在的汽車制動(dòng)盤大多采納鑄鐵制造，但是用鋁 基復(fù)合材料替代鑄鐵可以減重50%-60%,同時(shí)制動(dòng)距離短，提高導(dǎo)熱系數(shù)，制動(dòng)過程中的大 量的熱量能夠散發(fā)出去，提高了抗熱震性能。在反復(fù)連續(xù)制動(dòng)的工況下外表溫度基本維持在 450,而鑄鐵剎車盤外表溫度高達(dá)700C,止匕外，摩擦系數(shù)更為穩(wěn)定。金屬基復(fù)合材料還廣泛用于制造輕質(zhì)連桿和活塞。如：四缸發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的燃油經(jīng)濟(jì) 性能，但是當(dāng)其排量大于2.0L時(shí)，做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的連桿和活塞裝配件將因平衡

4、不穩(wěn)定產(chǎn) 生有危害性的振動(dòng)附加力，用復(fù)合材料就能提高構(gòu)件的剛度，解決這一問題。樹脂基復(fù)合材料在汽車上面的應(yīng)用：樹脂基復(fù)合材料也稱為纖維增加塑料，它以合成樹脂偉基體，以纖維（玻璃纖維、碳纖 維、芳綸纖維等）為增加材料。玻璃鋼是目前汽車上應(yīng)用最多的樹脂基復(fù)合材料，常見的有： 聚苯乙烯玻璃鋼、尼龍玻璃鋼、聚酯樹脂玻璃鋼等。碳纖維增加塑料是汽車輕量化最抱負(fù)的材料，用它替代鋼可減重68%,減低油耗40%, 還有特別好的耐疲憊性能和耐久性。但是，它的本錢太高，目前不能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。專家推 想，只有碳纖維的本錢降到6611美元/kg之間時(shí)，才有可能在汽車工業(yè)中推廣使用。芳綸纖維增加的復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量很

5、高，廣泛用于航空航天、艦船領(lǐng)域，同樣由于價(jià)格太高，目前在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用很少。汽車的內(nèi)部飾件等處，還可以采納自然 纖維增 加的樹脂基復(fù)合材料，加拿大的Motive工業(yè)公司甚至用大麻復(fù)合材料勝利制造了一個(gè)整車 車體，其強(qiáng)度相當(dāng)于玻璃鋼。下列圖為局部自然 纖維的力學(xué)性能：表2局部天然纖維的力學(xué)性能纖維種類 模量/GPa強(qiáng)度/MPa斷后延長(zhǎng)率5密度/（g . cm*劍麻46700大麻26-30500900亞麻48-858002 000尊麻87 281 594 6422.110.81黃麻10254008001.00 2. 00玻纖 722 2001. 461.331. 481. 541. 502. 54

6、陶瓷基復(fù)合材料主要基體有：玻璃陶瓷、氧化鋁、氮化硅等。基本的優(yōu)點(diǎn)是：高溫強(qiáng)度好、耐磨性好、 耐腐蝕性高、熱膨脹系數(shù)低、隔熱性能好和密度低。用結(jié)構(gòu)陶瓷代替高強(qiáng)度合金制造的各類 發(fā)動(dòng)機(jī)，可以將熱效率提高一倍以上。活塞局部使用陶瓷材料，可以使得燃燒室中實(shí)現(xiàn)局部 隔熱，減小冷卻系統(tǒng)容量?！坝捎谔沾刹牧腺|(zhì)量較小，配氣機(jī)構(gòu)中的氣門、挺柱、搖臂及彈 簧座改用陶瓷后，允許發(fā)動(dòng)機(jī)以提高轉(zhuǎn)速來提高功率，或者在轉(zhuǎn)速不變的狀況下降低氣門彈 簧的彈力從而降低功率損耗。氣門座、搖頭臂等易磨損部件用陶瓷材料替代后，可以削減磨 損，延長(zhǎng)使用壽命。此外，氣門缸、活塞銷以及排氣管即可使用陶瓷制造。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)具有 質(zhì)量小、無須潤(rùn)滑

7、和冷卻水等優(yōu)點(diǎn)，整機(jī)效率高，可節(jié)省30%的熱能，而且工作效率比鋼制 發(fā)動(dòng)機(jī)提高了 45%以上二二、復(fù)合材料汽車剎車片剎車片材料主要經(jīng)受了三個(gè)時(shí)期：自然 材料時(shí)期、合成材料時(shí)期、多種材料復(fù)合使用 階段。最早使用的汽車制動(dòng)材料是木材和皮革，明顯這種材料無法滿意人類對(duì)于速度的追求。 此時(shí)已經(jīng)開頭有人討論制動(dòng)摩擦材料，到1908年，石棉編制的石棉布開頭應(yīng)用與摩擦材料 之中。到20世紀(jì)30年月，石棉摩擦材料研制勝利，并主導(dǎo)了汽車制動(dòng)材料50多年時(shí)間。石棉的特點(diǎn)：質(zhì)輕，廉價(jià)，分散性好，摩擦損耗性能好，增加效果好等優(yōu)點(diǎn)，曾被認(rèn)為 是最正確的摩擦材料用增加纖維。但是石棉有兩大缺點(diǎn):第一，石棉材料的高溫摩擦性能

8、不好， 主要是由于石棉在400將失去結(jié)晶水，550完全失去結(jié)晶水，同時(shí)失去彈性和強(qiáng)度。其 次，20世紀(jì)70年月左右，人們覺察，加工和制動(dòng)的塵埃中細(xì)小的石棉纖維進(jìn)入肺部，會(huì)引 起石棉肺，還會(huì)導(dǎo)致肺癌。世界各國(guó)開頭禁止石棉摩擦材料的使用，并開頭各種替代材料的 討論。消失了多種替代材料，包括：半金屬摩擦材料、燒結(jié)摩擦材料、使用纖維增加或聚合 物粘結(jié)摩擦材料、混雜纖維摩擦材料、陶瓷型材料。半金屬摩擦材料是以金屬纖維（鋼纖維、銅纖維）代替石棉纖維，以樹脂或其改性物作 為粘結(jié)劑，加入各種摩擦性能調(diào)整劑制備而成。它的一般成分為粘結(jié)劑（酚醛系列樹脂）占 515%,鐵、銅及其合金的纖維和粉末占4070%,石墨等

9、減磨劑占1020%,其余為橡膠粉、 腰果油等增磨劑及一些調(diào)整性能的填料。半金屬摩擦材料是一種性能優(yōu)良的摩擦材料，它具有以下性能特點(diǎn)（1）摩擦系數(shù)在400以下特別穩(wěn)定，熱衰退率小，熱穩(wěn)定性好。（2）耐磨性好，使用壽命比石棉摩擦材料提高了 35倍。（3）摩擦接觸面上比壓上升時(shí)，摩擦系數(shù)變化小，較高負(fù)荷下有良好的摩擦性能。（4）優(yōu)良的能量汲取性能可使制動(dòng)器和離合器尺寸縮小。（5）制動(dòng)噪音小。（6）導(dǎo)熱性能好，能改善摩擦面的溫度環(huán)境。（7）對(duì)環(huán)境污染小。半金屬材料的這些特點(diǎn)使它成為一類具有廣泛進(jìn)展前景的摩擦材料，但是也存在一些缺 陷，主要表現(xiàn)為：（1）鋼纖維簡(jiǎn)潔生銹，銹蝕后或者粘著對(duì)偶或者損傷對(duì)偶，使

10、摩擦材料強(qiáng)度降低、磨 損加劇，同時(shí)鋼纖維的含量越高，越易于刮傷對(duì)偶，加速對(duì)偶磨損。對(duì)此，國(guó)外有些專利介 紹加入鋅或鋅的化合物、CFaZ或用某些樹脂涂覆鋼纖維等可以起到防銹的效果。（2）由于熱傳導(dǎo)率高，當(dāng)摩擦溫度高于300C時(shí)，使摩擦界面間的樹脂粘結(jié)劑易于發(fā) 生分解，加上大的溫度梯度引起熱應(yīng)力甚至消失剝離現(xiàn)象，同時(shí)高的摩擦熱傳到制動(dòng)器液壓 機(jī)構(gòu)，引起密封圈軟化和制動(dòng)液發(fā)生氣阻而造成制動(dòng)失靈；（3）易產(chǎn)生低頻噪聲陶瓷型剎車片材料：陶瓷摩擦材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段，僅限于一級(jí)方程式賽車和高級(jí)跑車上 面，但是其進(jìn)展?jié)摿Σ恍泄懒?。陶瓷制?dòng)材料具有質(zhì)量小、耐磨損、耐高溫、抗熱衰退力量 強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，

11、被譽(yù)為“一種具有革命性意義的制動(dòng)系統(tǒng)”。陶瓷基制動(dòng)材料的摩擦系數(shù)比鑄鐵高25%左右，在緊急制動(dòng)時(shí)無需額外制動(dòng)幫助技術(shù), 單靠制動(dòng)器便能快速供應(yīng)充分的制動(dòng)力。陶瓷制動(dòng)器采納六活塞的制動(dòng)卡鉗，在活塞與制動(dòng) 片之間，裝有陶瓷隔熱體，用以防止制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高熱傳入液壓組件和制動(dòng)液，這套剎車系 統(tǒng)可以在800高溫下正常工作。在制動(dòng)測(cè)試中，連續(xù)25次從272 km/h減速至Io。km/h,在第11次測(cè)試時(shí)，摩擦力依 舊維持在峰值的90%左右，這樣的抗衰退力量是一般制動(dòng)材料無法比較的。這種制動(dòng)材料是 將炭纖維增加樹脂基復(fù)合材料經(jīng)炭化制得CC多孔體，再依據(jù)C-Si之間良好的潤(rùn)濕性， 在1420進(jìn)行熔融滲硅，最終

12、制備出C/CSiC復(fù)合材料。剎車片用聚合物基復(fù)合摩擦材料：（1）基體樹脂主要使用酚醛樹脂，主要是考慮其良好的抗壓強(qiáng)度、耐溶劑性、不易燃，缺陷也有，包 括：硬度高、脆性、耐熱性缺乏等等，因此改性酚醛樹脂稱為重要的手段。改性的手段一般 有兩種：封鎖酚羥基和引入其他組分。有機(jī)物改性：聚乙烯醇縮醛改性、二甲苯改性、環(huán)氧樹脂改性、腰果殼油改性、芳烷基醛改性、有機(jī) 硅改性、桐油改性、亞麻油改性、苯并嗯嗪改性、橡膠改性。無機(jī)物改性：M。改性：采用M。的氧化物、氯化物、酸同苯酚、甲醛反響制備鋁改性酚醛樹脂，主 要是用O-Mo-O連接了不同的酚基團(tuán)，由于鍵能比C-C鍵大許多，因此提高酚醛樹脂的熱 分解溫度。例如

13、：在反響釜中加入肯定比例的苯酚、甲醛、鋁改性劑，酸性條件下加熱攪拌 24h, 0.08MPa真空下脫水值得的酚醛樹脂熱分解溫度可達(dá)534.8。B改性：先用硼酸與苯酚反響，生成硼酸酯混合物，再與甲醛反響。在分子結(jié)構(gòu)中引入了 B-0 鍵，鍵能也比CC鍵大許多，提高了耐熱性。同時(shí)，B0鍵增大了枝化程度，高溫?zé)g時(shí) 可以生成堅(jiān)硬、高熔點(diǎn)的碳化硼，碳化硼成蜂窩狀，利于散熱，所以還可以提高耐熱性能。 B改性的酚醛樹脂分解溫度可以提高130-160o納米改性：可對(duì)酚醛樹脂的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨和耐腐蝕性都有效果共混分散法：將納米粉體直接加入酚醛樹脂中，二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅插層復(fù)合法：先將聚合

14、物單體分散到層狀的硅酸鹽片層中，原位聚合，采用聚合放出的 大量熱量，克服硅酸鹽片層間的庫侖力，剝離成納米級(jí)的結(jié)構(gòu)單元，并勻稱分散在基體中， 實(shí)現(xiàn)高分子與粘土在納米尺度上的復(fù)合。復(fù)合改性：就是用上述幾種方法同時(shí)改性，以獲得多方面的性能改善。(2)增加體已開發(fā)的替代纖維有：鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、Kevlar纖維。幾種纖維的力學(xué)性能 比較見下表：表5.1石棉與幾種代用纖維的性能比較纖維種類一密度/(g/cn?)抗伸強(qiáng)度/GP拉伸模量/GP1斷裂伸長(zhǎng)率/%與樹脂浸潤(rùn)性一石棉纖維2.50. 60.8150-1702.3優(yōu)鋼纖維7. 861.772001.8中E-玻璃纖維2. 504.6865.2良K

15、evlar纖維1.442. 67588.0中瀝青基碳纖維2.002.083503.。7.0差(3)填料填料分為三類：增摩類填料，減摩類填料，有機(jī)類填料。主要作用有：改善制品的摩擦 損耗性能，提高加工性能和工藝性能，掌握熱膨脹系數(shù)、收縮率等等。增摩類填料：主要作用是增加摩擦系數(shù)，但為了防止摩擦系數(shù)太大損壞設(shè)施，同時(shí)削減噪聲，對(duì)于摩 擦系數(shù)超過5的材料應(yīng)嚴(yán)格掌握用量，常用的材料有：碳酸鈣、重晶石等。減摩類填料：所用材料的莫氏硬度一般小于3,主要是降低摩擦系數(shù)，提高摩擦穩(wěn)定性，削減噪聲等， 最常用的就是石墨。有機(jī)類填料：有機(jī)類填料可以降低硬度和模量，增加柔韌性，削減噪聲，但是用量不宜過多，由于他 它們的耐熱溫度都不高，易受熱分解等，較為經(jīng)濟(jì)適用的材料是橡膠粉，也有其他材料，但 是橡膠粉本錢很低，所以用量最大。生產(chǎn)工藝濕法工藝：濕法工藝用的就是液態(tài)樹脂，包括浸漬法和直接混合法。當(dāng)增加體是連續(xù)纖 維時(shí)，用浸漬法即用液態(tài)樹脂浸漬到增加體上。增加體是短纖維時(shí)，采納直接混合注塑。濕 法工藝耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，流淌性不好，影響制品的外觀。濕法的機(jī)械強(qiáng)度和摩擦性能都沒有 干法工藝好。干法工藝：干態(tài)基體粘結(jié)劑是粉狀樹脂，目前應(yīng)用最廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是：制得的是粉體, 工