汽车用非金属材料性能及应用剖析

汽车用非金属材料性能及应用

一、非金属材料分类及在汽车上的应用概述

汽车工程材料包括金属材料和非金属材料。其中金属材料包括黑色金属和有色金属；非金属材料包括高分子材料、陶瓷材料、复合材料。

高分子材料又分为工程塑料、合成纤维、橡胶、胶粘剂、涂料。工程塑料主要指强度、韧性和耐磨性较好的，具有价廉、耐蚀、降噪、美观、质轻等特点，可用于汽车保险杠、汽车内饰件、高档车用安全玻璃、仪表板等零部件。合成纤维是指单体聚合而成具有很高强度的高分子材料，如尼龙、聚酯等，用于汽车座垫、安全带、内饰件等。橡胶具有高的弹性和回弹性，一定的强度，优异的抗疲劳，良好的耐磨、绝缘、隔声、防水、缓冲、吸振等特点，用于制造汽车的轮胎、内胎、防振橡胶、软管、密封带、传动带等零部件。各种胶粘剂起到粘结、密封等作用。涂料对车身的防锈、美化及商品价值有不可忽视的作用。

陶瓷材料分为陶瓷、玻璃，陶瓷用于制造火花塞、传感器等；玻璃用于制造汽车前后门窗、侧窗等。

复合材料包括非金属基复合材料、金属基复合材料，用于汽车车顶导流板、风挡窗框等车身外装板件。

二、塑料、橡胶在汽车上的应用

1．一些基本概念

应力和应变：当材料受到外力作用，而所处的条件使它不能产生惯性移动时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化就称为应变。材料发生宏观的变形时，其内部分子间以及分子内各原于间的相对位置和距离就要发生变化，产生了原子间及分子之间的附加的内力，抵抗着外力，并力图恢复到变化前的状态，达到平衡时，附加内力与外力大小相等，方向相反。定义单位面积上的附加内力为应力，显然，其值与单位面积上所受的外力相等。

弹性模量：对于理想的弹性固体，应力与应变关系服从虎克定律，即应力与应变成正比，比例常熟成为弹性模量。可见弹性模量是材料发生单位应变时的应力，它表征材料抵抗变形能力的大小，模量愈大，愈不容易变形，表示材料刚度愈大。

拉伸强度：是在规定的试验温度、湿度和试验速度下，在标被试样上沿轴向施加拉伸裁荷，直到试样被拉断为止，断裂前试样承受的最大载荷P与试样的宽度b和厚度d的乘积的比值。σt=P/(bd)

冲击强度：是衡量材料韧性的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力。通常定义为试样受冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。σi＝W/(bd)

硬度：是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关，而硬度试验又不破坏材料、方法简便，所以有时可作为估计材料抗张强度的一种替代办法。硬度试验方法很多，加荷方式有动载法和静载法两类，前者用弹性回跳法和冲击力把钢球压入试样，后者则以一定形状的硬材料为压头，平稳地逐渐加荷将压头压入试样，通称压入法，因压头的形状不同和计算方法差异又有布氏、洛氏和邵氏等名称。布氏硬度试验是以平稳的裁荷将直径D一定的硬钢球压入试样表面，保持一定时问使材料充分变形，并测量压入深度h，计算试样表面凹痕的表面积，以单位面积上承受的载荷(公斤／毫米2)为材料的布氏硬度。

熔融指数：热塑性树脂和塑料在规定温度、恒定负荷下，熔体在一定时间内流过标淮出料模孔的重量。熔触指数可作为热塑性树脂质量控制和热塑性塑料成型加工工艺条件的参

数。熔融指数RZ按下式计算：RZ＝600W/t(g/10min) 式中W—切取样条重量的算术平均值(g)，t—切取样条时间间隔(s)。

2．主要热塑性塑料的性能与应用

常用工程塑料包括热塑性工程塑料（PE、PP、PVC、ABS、PS、PA、POM、PC等）、热固性工程塑料（酚醛树脂PF、氨基树脂UF、环氧树脂EP等）。

3．橡胶应用简介

常用橡胶包括天然橡胶、合成橡胶（SBR、BR、CR、IR、IIR、NBR、ERM、EPRM、ACM、AUEU等）。

轮胎：载重汽车的生胶以天然橡胶为主，轿车轮胎则以合成橡胶为主。

车用胶管包括水、气、燃油、润滑油、液压油等的输送管通常采用丁腈橡胶、氯丁橡胶等材料制造。

车用胶带多用氯丁橡胶制造。

车用橡胶密封件多用丙烯酸酯橡胶、硅橡胶等材料制造。门窗玻璃密封件多采用乙丙橡胶制造。

三、1用非金属材料分类（主要为塑料类）

A用非金属材料分类（主要为塑料类）

关于前、后保险杠

在轿车上保险杠主要分为前保险杠和后保险杠，属于安全件。在车辆碰撞时起到吸收碰撞能量，降低对人体的伤害程度的作用。在保险杠的性能试验方面，最主要的是耐侯性能试验、缺口冲击强度试验，落球试验，整车以9公里时速撞击时，保险杠能恢复原状，抗碎石冲击性能等。

保险杠材料的选择是实现其功能的首要条件。一般采用PP+EPDM(PE)的材料，使保险杠具有一定的弹性，可以吸收部分碰撞能量。

前、后保险杠的材料选用PP+ PE，其中PE使保险杠具有一定的弹性，保险杠结构分为内外两层，本体＋缓冲器，缓冲器用热板焊接到本体上。缓冲器采用蜂窝状结构，使保险杠

的缓冲性能发挥到极限。

前保险杠总成重量是9056g，后保险杠总成重量是10332g。

前、后保险杠的材料选用PP+ EPDM+T15，其中EPDM使保险杠具有一定的弹性，保险杠结构分为内外两层，本体＋缓冲器，考虑到成本，缓冲器结构相当简单，性能上相对于的要差些。

前保险杠总成重量是2976 g，后保险杠总成重量是3239 g。

前、后保险杠的材料选用PP+ EPDM+T10，其中EPDM使保险杠具有一定的弹性，保险杠结构分为内外两层，本体＋缓冲器，缓冲器用卡扣联接到本体上。前保险杠缓冲器采用中空状结构，材料为GMT，强度很好，有很好的缓冲性能，但价格昂贵。后保险杠缓冲器也采用中空状结构，材料为PC+PBT，强度很好，但保险杠的缓冲性能相对来说不如A11。

前保险杠总成重量是3900 g，后保险杠总成重量是5500 g。

前、后保险杠的重量在整车附件中占有很大的比例，它的重量将会影响到整车的油耗等。因此，在设计时，应根据不同的材料，选用不同的料厚，达到减轻重量的作用。

保险杠的开发周期为6个月，其中2个月用于设计，3个月用于开模，1个月用于匹配。

保险杠的主要失效模式有开裂，装配不良，于大灯干涉、设计工艺性差等。

关于仪表板总成

仪表板简称I/P（Instrument panel）,是汽车内饰的重要组成部分。

一、材料及工艺

重点介绍搪塑工艺：

主要优点表皮纹理清晰均匀，产品设计时不用考虑脱模角度，设计自由度大。

1）搪塑模具的制作过程：

根据数模，加上收缩率，减去皮纹层的厚度，数控加工出木模―――在木模上贴上皮纹皮（贴皮引起模具上有拼缝）----翻出软的硅树脂模（有拼缝）―――翻出硬的树脂主模型，并手工修掉拼缝―――翻出硅树脂模―――翻出电极阳模（为了导电，表面喷银粉，并布置电极）―――电镀出搪塑模具外壳―――加上支撑，形成搪塑模

2）搪塑的工艺流程：

1、首先将堂速模具本体加热至230－250℃；

2、然后将模具与粉箱对合并夹紧（以防粉末露出），模具在上，粉箱在下；

3、模具和粉箱一起旋转至粉箱在上，模具在下，粉箱里的粉末这是落在模具里，在高

温的作用下，紧贴在模具的那一层就融化并相互粘在一起，然后继续旋转，使得模

具的每个角落都有粉末，且融化并粘在一起，直至形成的表皮厚度增加至符合要求

为止（一般的PVC的厚度为1.1mm），这时粉箱在下方，剩余的粉末又回到风箱里；

4、模具与粉箱分离，并移到冷却工位，用水或空气等对模具进行快速冷却至60－80℃

时，工人扒下表皮。

3）搪塑设备的分类（按模具的加热方式分类）

1、气加热设备：价格最便宜。它时通过燃烧天然气或重油产生的热风来加热模具。它

有一个加热炉，整个模具置于炉子中加热。模具的温度控制较差，成品的合格率低，模具的寿命约为2万模次；

2、油加热设备:价格最贵。模具的加热和冷却都是通过油来进行的（分别是热油和冷油），