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汽车用非金属材料最新进展

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维普资讯 http://www.cqvip.com 30 技术纵横 轻型汽车技术 2002(9)总157 汽车用非金属材料最新进展 李尹熙摘 王要 力 汽车非金属材料包括塑料、橡胶、织物、玻璃等各种无机和有机材料。本文叙述汽车 用塑料、橡胶、摩擦材料、化学纤维、玻璃和陶瓷材料近几年新的发展情况和方向。 叙词:非金属材料汽车 1 汽车用塑料 由于聚烯烃材料密度低、性能较好、成本低,其 在汽车用材比重已发展到汽车用全部塑料量的 形的格栅,经过透明涂覆处理,其外观非常好看。 后阻流板:用塑料制作的后阻流板显著提高汽 车的空气动力性和行驶稳定性,比金属件轻得多。常 用的塑料有PC/PBT.PP.TPE等。多数吹塑成形,也 50%。为了便于汽车解体后塑料再生利用,近几年要 求把汽车内饰和外装材料尽量统一到聚烯烃材料的 呼声越来越高,其种类也趋于统一化。例如最近有些 车型把汽车保险杠,叶子板衬里,前后阻流板,车身 有注塑成形。为了便于材料再生利用和统一化,近几 年来大多采用增强聚丙烯。 保险杠:近几年来保险杠材料再生利用方面做 了大量的工作。涂漆的保险杠再生利用时,由于漆膜 的隔离作用,其冲击性能和伸长率有较大的下降,因 此只能用于其它零部件的制造。为了直接再用于制 造保险杠,近几年来开展了漆膜剥离技术的研究试 裙部等大型塑料件材料都统一到聚丙烯上。 1.1外装塑料制品 车身外板:欧洲一些汽车厂商热心于设计试制 全塑料车身的小型汽车。外板的垂直部分主要是用 验以及分解涂膜等众多技术,从而有可能把回收的 保险杠直接再用于造保险杠。 最近开发出来的超高性能聚烯烃合金材料,无 需填加无机物也具有低线膨胀系数和高刚性。改善 涂装性能的聚丙烯保险杠材料,液晶聚合物改性的 增加塑料的试验研究也在积极进行中。 PC/ABS、PA/PPO合金塑料,水平部分一般采用 SMC。车门外板和叶子板塑料化是近几年来的热门 试验对象。车门外板尺寸精度要求高,前后叶子板要 求高刚性和易着色性。PA/PPO材料注射成形的车 门外板和叶子板,涂上导电性底漆后有可能和钢板 同时进行静电喷涂,使其颜色与整车保持一致。使用 塑料保险杠,除材料方面的开发研究外,在加工 方面也有很多发展,如气辅注射成形、吹塑成形、低 压注射成形等。 总而言之,材料和成形加工技术方面的发展使 SMC制造车顶和发动机罩仍然是主流。全塑车身的 汽车虽不断问世,但真正投批量生产并不多,主 要问题是成本高。 格栅:用于生产散热器格栅的材料主要有ABS、 PC、PPO、PET等。格栅是汽车的脸面,必须具有很好 汽车塑料更便宜、轻量化和高性能化起来,而且也是 将来的主流发展方向。 1.2汽车内饰材料 的光泽和立体感,应具有很好的电镀性能或涂装性 能,多数采用ABS或PPO。ASA/PC着色塑料注射成 ★李尹熙、王力:一汽集团公司。 为了提高内装材料的再生利用性和舒适性,内 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002(9)总157 轻型汽车技术 技术纵横 3l 饰材料的发展总趋势是聚烯烃和聚酯纤维。传统的 使用30%GF增强PA66制造。 PVC表皮材料逐渐用聚烯烃系热塑料性弹性体TPO 涡轮增压器转子:碳纤维增强聚酰亚胺(PAI)一 取代,因为TPO和PP能够相熔而且容易回收利 次注射成形的涡轮增压器转子取代铝制品显著降低 。 成本和机械加工时间。 仪表板:目前使用的仪表板可分为硬质仪表板 等速万向节防尘罩:热塑性聚酯弹性体TPEE 和软质仪表板。 取代原来的橡胶制造的等速万向节防尘罩,轻量化 硬质仪表板多用PPO、ABS/PC、改性PP材料。 50%,能回收利用,生产周期短,具有非常好的低温 最近发展的气体辅助注射成形,采用一点注人口也 抗疲劳特性,耐磨性和耐油性。尤其是这种材料离心 能够克服形成表面缩孔和发生熔接痕,同时提高制 膨胀性低,因此在高速运输条件下显出更多的优越 品的刚度。 性。 软质仪表板,其表皮一般采用PVC/ABS真空 油箱:最近发展了填加聚乙二醇的HDPE的油 吸塑成形或粉末PVC搪塑成形,缓冲材料为PU泡 箱材料,其综合性能优于其他复合材料。 沫,骨架材料为ABS、AS/GF、改性PP、硬纸板、钢板 等。因此这种仪表板材料再生利用非常困难。为便于 2 橡胶材料 回收利用,正在发展热塑性聚烯烃表皮(TPO)、聚丙 橡胶占汽车用材料总重的5%,每辆车上多达 烯骨架、聚丙烯泡沫塑料组成的仪表板。欧宝Ve. 400~500个橡胶件。随着环保和汽车多样化,橡胶 traⅡ型车上已装出TPO仪表板表皮50万套。 的再生利用,材料的耐热性,进一步降成本已成为汽 门内板:采用ABS和PP注射成形的整体门内 车橡胶发展的主要课题。 板是近年来门板制造过程中的一个变化。使用热塑 新型弹性体材料,如热塑性弹性体,高饱和丁腈 性弹性体TPO取代PVC制造门内板蒙皮已成为主 橡胶在汽车上取得长足的发展,其在汽车上用量已 要发展方向。另外着色塑料注射成形整体门内板,天 占汽车橡胶总消耗量的29%~50%(除轮胎)。汽车 然纤维增强PP材料门内板等新形材料已开始登 上大量使用氟胶、硅胶、丙烯酸酯橡胶等高档胶和耐 场。 热弹性体仍是将来汽车橡胶发展的主流方向。 顶棚内衬:目前的轿车顶棚内衬难于回收利用, 2.1汽车轮胎 只能粉碎成粉末埋人地下,最新开发出PP瓦楞板 汽车轮胎子午化进一步推广,在西欧已全部实 +PP发泡片材+TRO表皮层压成一体的顶棚。货车 现轮胎子午化,我国子午化水平为40%。随着轮胎 上开始应用低密度发泡状GMT成型顶棚内衬,制造 使用条件的提高,冬季防滑轮胎,超低滚动阻力轮 设备投资少,容易换型。 胎,安全轮胎,双胎面花纹轮胎将进一步得到推广应 地毯:目前趋向于采用具有抗菌性的聚酯材料 用。最近的发展方向是节能、高速稳定、轻量化、耐久 构成的地毯。 性轮胎。为了节能橡胶材料应具有滚动阻力小,即高 座椅:座椅蒙皮材料将以带有多功能,例如防静 反弹性,然而轮胎高速稳定性却要求材料具有高耐 电、防汗、除臭等的复合纤维纺织品为发展方向。发 蠕变,即低反弹性。最近开发的末端改性的S—SBR 泡缓冲材料暂时还没有其他材料能取代,骨架材料 材料有可能满足上述矛盾的性能要求。一般来说,胎 可用GMT材料。目前的发展方向是设计上考虑解体 面使用E—SBR、S—SBR、NR、IR等胶,胎体使用 方便,材料易回收利用,降成本等。 NR、BR、IR等胶。节能性和安全性较好的硅橡胶和 1.3发动机周边用塑料制品及其它 S—SBR胶配合的轮胎材料也在研究开发中。 进气歧管:法国PSA公司使用塑料进气歧管取 2.2门窗密封条 代铝材料之后轻量化50%,降成本20%~30%。奥 汽车密封制品占汽车橡胶件重量的25%一 迪A6—2.4L和V6—2.8L发动机上使用塑料进气 28%(除轮胎)。近来具有耐自氧、耐气候老化的 歧管,其重量只有4.5kg。塑料进气歧管的材料可用 EPDM胶广泛用于制造汽车门窗密封条并逐步取代 35%GF增强PA66或PA6以及PPS。 传统的NR和CR胶。每辆车上使用10~15m长的 散热器水室:目前生产的散热器水室几乎都在 各种密封条。 维普资讯 http://www.cqvip.com 32 技术纵横 轻型汽车技术 2002(9)总157 车的防振要求。 2.5防尘罩:最重要的是要求材料耐候性好,而 为了降成本和美观,国外厂商开始使用,I’PE材 料制造汽车门窗密封条。TPE材料具有着色方便,再 生利用方便的特点。 2.3胶管 且根据使用部位需要耐屈折、耐油、耐磨。等速万向 节一般用耐候的CR材料,但随耐热性要求的提高, 气、水、制动用胶管:车用空气软管根据其装配 使用的位置有不同的要求,如耐油性、耐弯曲性、减 振性能以及耐热性能等,因此其材料种类也较多,如 CR、NBR/PVC、EPDM、ECO(均聚型氯醚胶)、CM(氯 欧美和日本部分车上开始使用TPEE。TPEE材料能 够满足耐候、耐油、耐热的要求,同时实现轻量化的 目的。 2.6胶带用橡胶:V型传动带、齿型带材料要求 磺化聚乙烯)、ACM等橡胶。最近以来为了降成本和 强力高、模量大、热稳定性好。传统的材料是CR橡 轻量化,开始使用TPO及TPEE,而且在形状设计方 面充分考虑其制品的减振特性。 水系用软管有散热器软管、加热器软管,大多使 用SBR、EPDM胶。随着发动机室环境温度的提高, 开始使用过氧化物化硫化EPDM橡胶。 制动软管一般使用SBR橡胶,近来为了满足耐 热性的要求和耐老化性,开始推广使用EPDM或 EPDM/IIR橡胶,将来它的使用量会扩大。 润滑系用软管:润滑油在车上使用的周边环境 温度越来越高,抗氧剂等各种填加剂加入量也增 加。NBR橡胶虽然具有优异的耐油性,但在有些抗 氧填加剂中发生硬变,因此开始使用具有耐各种填 加剂性能极好的ACM橡胶以及具有耐热和耐油性 很好的FKM橡胶。 动力转向软管:一般情况下内皮用NBR,外皮 用CR,但随温度和填加剂的变化,开始使用HN— BR/CSM材料制造的软管。 燃:燃一般使用NBR橡胶,随着电子 喷射装置的应用以及含氧元素燃料的增加,开始使 用FKM、HNBR、CSM等橡胶。也可以使用内外皮不 同的材料,外皮材料可用EPDM、TPO等材料。 空调用软管:随着空调介质由CFC一12转换成 HFC一134a,压缩机润滑油也由矿物油转为PAG(聚 烷撑二醇)润滑油,因此软管也从NBR橡胶转换成 PA/EPDM共混改性材料。为了耐PAG润滑油,软管 做成4层复合管,每层材料从内到外,分别是PA/I— IR/聚酯/EPDM。IIR材料耐水渗透性好。 2.4减振橡胶制品 缓冲块、胶垫、胶板一般为NR和SBR材料。随 着耐热性要求的提高部分产品使用了EPDM,但其 动态特性和耐久性不及NR,因此仍以NR为主。在 更理想的缓冲块材料还没有找到的情况下,目前开 始使用封入硅油的减振块,基本上能够满足现代汽 胶,但因其耐热性界限为110c,因此近来开始使用 耐热、耐久的HNBR橡胶。HNBR的耐热性比CR高 40C,其寿命也比CR橡胶长2倍。 3 汽车摩擦材料 汽车摩擦材料是汽车制动器,离合器的关键材 料,要求稳定的摩擦系数,动静摩擦系数差小,导热 性好,耐磨和抗粘着性,不擦性对偶材料、无噪声、低 成本、低污染等。 自1972年国际肿瘤医学讨论会,确认石棉纤维 含有致癌物质后,国外汽车摩擦材料从传统的石棉 型过渡到半金属型、金属型以及90年最新的环保型 无机摩擦材料。 我国将于2003年10月起全面禁用汽车石棉摩 擦材料。无石棉摩擦材料,如半金属型、金属烧结型 摩擦材料试用后仍存在不少缺点,半金属型摩擦材 料中的钢纤维易锈蚀,玻璃纤维增强的摩擦材料噪 声大,复合纤维材料(C纤维和芳纶)制造成本高。近 几年来各国开发了各种改良型半金属材料、陶瓷型 材料、新型烧结铁基材料等,但仍存在很多问题,需 要开发性能更好的摩擦材料。 3.1摩擦材料用树脂 摩擦材料一般由树脂、填料和增强纤维组成。树 脂在摩擦材料中起粘合作用,而且是决定摩擦材料 特性的关键组分,因此各国对树脂进行了很多研究, 常用的树指为酚醛树脂,聚酰胺树脂和橡胶。酚醛树 脂对其较好的耐热性和低成本,最广泛的用于制造 汽车摩擦材料。 化学改性酚醛树脂:聚乙烯醇缩醛改性酚醛树 脂能提高摩擦材料的韧性,但其耐热性较差,只是在 早期的摩擦材料中使用过。 环氧改性酚醛树脂能提高材料强度,适用于车 速不高的轻型车。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002(9)总157 轻型汽车技术 技术纵横 33 亚麻油改性酚醛树脂适用于旅行车用制动片。 腰果壳油改性酚醛树脂制成的摩擦材料具有较 好的摩擦性能,美国、英国和前苏联用的较多,我国 因资源有限使用很少。 究单位利用沥清碳纤维制造出价格较低的摩擦材 料,但还未批量应用。 此外国内外广泛开展了芳纶,玻纤/芒纶,钢纤 维/芳纶,矿物纤维(针状硅灰石等),植物纤维(亚 麻纤维等)等增强的摩擦材料的研究开发并取得很 好结果,不久将投入生产。 尼龙改性的酚醛树脂使摩擦材料具有较高的强 度,硼改性的酚醛树脂摩擦材料热稳定性好,但成本 较高,在我国还未实用过。 总之改性酚醛树脂制成的制动摩擦材料,磨损 率小,粘结强度高,制动时无噪声,已在国内外多种 车型上大量应用。 总的发展方向来看,钢纤维增强的无石棉半金 属基摩擦材料仍然是主流。 4 汽车用化学纤维 每辆轿车平均使用20kg~30kg化学纤维,其中 轮胎用量占64%,座椅占16.5%,地毯占1 1.1%, 安全带占5.2 ,顶棚内衬等覆盖物占3.2%。汽车 上使用的化学纤维制品,根据其作用可分为内饰用 化学纤维和增强用化学纤维。 共混改性酚醛树脂:通过熔融共混可以将树脂 和橡胶混合在一起,把它作为基体树脂制造的摩擦 材料具有较好的粘合性和摩擦性能。可以说树脂和 橡胶共混物到目前为止最广泛的用于制造汽车摩擦 材料。共混改性用的橡胶有丁腈橡胶、丁苯橡胶等。 丁腈橡胶具有较好的耐高温性,丁苯橡胶具有较好 的耐磨性。 4.1内饰用化学纤维 汽车内饰用织物应具有柔软舒适,轻质耐磨、阻 燃、抗静电、易去污等性能。由于涤纶纤维具有较好 的性能,汽车内饰用化纤目前以它为主。涤纶纤维可 加工成织物、编织物、不织布而用于座椅、顶棚内衬 以及吸音板。由于涤纶的触感及其美观性优于其他 热塑 I生塑料(如聚酰亚胺、聚四氟乙烯等)与酚 醛树脂共混制造的摩擦材料具有较好的耐热性并能 调整摩擦特性。 3.2摩擦材料用纤维 纤维是摩擦材料中树脂之外的另一种主要组成 部分,主要起增强作用,提高材料的强度和韧性,使 材料耐得住冲击、剪切、拉伸等机械力,防止出现制 品裂纹、断裂、崩缺等机械损伤。 过去通常使用石棉作为增强纤维,自从发现石 棉致癌性以后出现了各种代用纤维,玻璃纤维,碳纤 维等。 纤维,将来仍是汽车内饰材料的主要品种。 汽车地毯已开始使用回收PET(饮料瓶)纺丝材 料制成。美国杜邦公司开发出具有耐磨性好,易清洗 的高强度尼龙纤维,用于卡车的座椅表皮。这种材料 还具有抗起纹和抗褪色性,非常适用于座椅表皮。 天然纤维强度较差而合成纤维抗静电性差,因 此混合纤维制造门内板及顶棚衬里受欢迎。混纺织 物有重量轻、强度好、可回收利用等许多优点。混纺 钢纤维:钢纤维在半金属基摩擦材料中得到广 泛应用。钢纤维导热性好,有利于降低材料表现温 度,但易锈蚀,易引起尖叫声。国内已开始批量生产 钢纤维并用于生产无石棉半金属基摩擦材料,如奥 用天然纤维可用亚麻、黄麻或天麻。 4.2增强用化学纤维 轮胎帘布:轮胎增强用帘布有锦纶、涤纶、人造 迪、桑塔纳、夏利等各种车的盘式制动块。 玻璃纤维:因其价格便宜,热稳定性好,国内外 许多科研单位和开发商进行了很多研究,但有硬度 过高、磨损较大、刮伤对偶、摩擦系数不稳定等缺 点。国内部分载重车使用少量玻璃纤维增强的摩擦 材料。 丝、棉丝等。 锦纶强度高、耐冲击、耐疲劳以及与橡胶粘合性 能好等特点,比较适用于载重车轮胎。我国生产的斜 交轮胎以锦纶布为增强材料,但锦纶的模量低,尺寸 稳定性差,变形大,产生平点等缺点,其用量逐年下 降。 碳纤维:具有耐热、耐磨、高强度等一系列优点, 在航空摩擦材料中得到广泛应用,但作为汽车用摩 涤纶模量较高、变形小、尺寸稳定性好、成本低、 不会出现平点,是轿车轮胎的理想增强材料。 随着钢丝子午线轮胎的发展,化学纤维的用量 擦材料,价格高、纤维表面处理等许多问题有待解 决,因此在运动用车之外未能广泛应用。国内一些研 受到一定。近几年来国外发展了高模量低收缩 维普资讯 http://www.cqvip.com 34 技术纵横 涤纶“HMLS”,高强力锦纶单丝“HYTEN”,“锦纶 46”,芳纶帘布等新材料。 芳纶是近年来发展起来的高强度合成纤维,具 有伸长率小、弹性模量高、耐热、尺寸稳定性好等特 点,可与钢丝媲美,其柔软性优于钢丝、质量轻。用芳 纶增强轮胎轻量化25%~30%,成为轮胎中的高科 技产品。 安全气囊:安全气囊已发展到产品,即非 涂层全成形型气囊。气囊要求织物轻薄柔易折叠、体 积小、气密性好等,因此以锦纶66为主要材料,锦纶 6、锦纶46也可以用。将来的发展方向是使用混纺复 合纤维。 5 汽车用无机材料 5.1玻璃 在保证汽车安全的前提下,不断追求多功能的 新玻璃已成为重点发展方向。 一辆车上玻璃用量已达到4m ,占车重的 3.5%。通过汽车门窗玻璃流人的太阳能占车内全部 光能流人量的75%。因此玻璃轻量化和遮断太阳光 的流人,对于汽车节能和保持室内舒适性具有重要 意义。 吸热玻璃:近几年来发展了填加氧化铁和氧化 铈的红外线吸收玻璃,填加Ag或Ti化合物的热线 反射膜,防紫外线玻璃,着色玻璃等。紫外线吸收物 可加到夹层玻璃的中间夹层(有机物)中,也可以加 到钢化玻璃的组分中,也可以加到后成膜的薄膜 中。 印刷线玻璃:为了车内通讯设备充分发挥作用, 近几年来大量推广后窗电热印刷线钢化玻璃。我国 在“九・五”期间开发成功电热印刷线钢化玻璃用银 浆。 防水玻璃:表面上涂覆含氟硅烷系有机物成膜, 防水有效期可达3—5年。亲水性玻璃也可防止风档 玻璃表面上形成水滴,达到同样的目的,已开始用于 后视镜玻璃。 玻璃轻量化:部分汽车的前档风玻璃由4.7ram 减到4.3ram,门窗侧面玻璃最薄的达到3.1mm,但 一定要注意其足够的强度和遮音性及耐振动性。 轻型汽车技术 2002(9)总157 今后汽车玻璃发展方向为制品规格统一化,发 展多功能玻璃,开发材料回收利用技术。夹层玻璃中 间有机膜分离技术正进行中。 5.2陶瓷 以氮化硅和碳化硅、氧化铝和二氧化锆为主要 成分的陶瓷材料,强度高、耐热、耐磨、耐腐蚀,用于 制造挺杆、气门、轴承、涡轮压缩机转子等汽车零 件。 日本五十铃汽车柴油机上试验过Si,N 陶瓷挺 杆3000个。关键技术在于陶瓷片直接钎焊在钢挺杆 体上的结构和工艺以及选择合适的含Ni、Cr、Mo的 钢材作为挺杆材料。福特公司将喷射成形陶瓷挺杆 用于V8发动机上。北京清华大学选用高纯超细 Si N 粉末制成与日本陶瓷挺杆材料性能相当的材 料并解决了钎焊技术,其制品通过1000h发动机台 架试验。  ’氮化硅做的陶瓷气门比钢气门轻,有一定的节 油效果,并减少有害物的排放。Benz公司装1200辆 陶瓷气门进行路试。硅粉直接氮化得到的Si,N ,其 成本较低。德国用冷挤压法生产氮化硅陶瓷气门。 本田汽车公司大批量生产尖晶石烧结氮化硅制 成的涡轮压缩机转子。这种转子惯性小、加速性能 好、重量轻、能在高温下工作,920C小时能保持圆周 速度512m/s。 近几年来世界各国为开发低散热(LHR)发动机 做出各种努力。航天技术中广泛应用的陶瓷薄膜喷 涂技术也开始用于汽车上。这种技术的优点是隔热 效果好,能承受高温和高压、工艺成熟、质量稳定、薄 膜喷涂使用的材料大多为部分稳定氧化锆(PSZ), 喷涂厚度低于1.5mm。 为达到低散热的目标,对发动机燃烧室部件进 行陶瓷喷涂,如活塞顶喷1.25ram厚氧化锆,缸套喷 0.75ram厚氧化锆,缸盖、进排气阀表面也进行喷涂 处理。这种发动机可以降低散热损失,取消冷却系 统,减少发动机重量和尺寸,减少燃油耗量。我国近 年来也积极开展ZrzO 等离子喷涂(厚度为0.8ram) 缸盖和气阀等发动机零件的研究试验,积累了较为 丰富的经验。 

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