毕业设计(论文)-论复合材料在现代汽车上的应用.doc
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1、西安航空职业技术学院 毕业设计论文 1 论复合材料在现代汽车上的应用论复合材料在现代汽车上的应用 【摘要】 本论文主要介绍了复合材料在现代汽车上的应用,随着汽车工业的不断发 展,节能、安全、轻量化将成为未来汽车的主要发展方向,而具有刚性大、强 度高、重量轻等特点的复合材料正好顺应了汽车的发展趋势,因此,研究复合 材料在汽车产业的应用就变得尤为重要。复合材料在汽车上的广泛应用,必将 导致未来汽车材料的巨大革新,本文将探讨复合材料在汽车应用领域的广泛前 景和发展趋势。 关键词:现代汽车 复合材料 趋势 Abstract:Abstract: This paper mainly introduced
2、composite materials in modern automotive applications, with the continuous development of auto industry, energy saving, safety and lightweight will become the main development direction of future automobiles, and rigidity, high strength, light weight etc. Characteristics of composite materials just
3、go with the car, therefore, the development trend of composite materials in automobile industry research and the application becomes especially important. Composite materials in the car on the widespread application, will cause the great future automotive materials, this paper discusses innovation c
4、omposite materials in automobile application fields and the development trend of the extensive prospect. KeyKey words:words: modern automobile;composite materials;trend 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 2 目目 录录 1 1 复复合合材材料料的的概概念念、分分类类及及性性能能特特点点 . .3 3 1.1 复合材料的概念3 1.2 复合材料的分类3 1.2.1 按其组成分类 .3 1.2.2 按其结构特点分类 3 1.3 复
5、合材料的性能特点4 1.3.1 高的比强度和比模度4 1.3.2 抗疲劳性能好 4 1.3.3 良好的破裂安全性能 4 1.3.4 优良的高温性能 4 1.3.5 减震性能好 4 1.3.6 成型工艺简便灵活及可设计性强 .4 2 2 复复合合材材料料在在汽汽车车上上应应用用的的优优势势 . .5 5 2.1 减轻整车重量 5 2.2 可设计性强 .5 2.3 缩短开发周期 5 2.4 耐冲击性 .6 2.5 耐腐蚀性和耐化学药品性好.6 2.6 投资小 更新快 .6 3 3 复复合合材材料料在在汽汽车车工工业业中中的的应应用用现现状状及及发发展展状状况况. .6 6 3.1 玻璃钢/复合材料
6、在汽车工业中的应用现状.7 3.1.1 汽车玻璃钢/复合材料应用概况.7 3.1.2 欧美等发达国家汽车玻璃钢/复合材料的应用现状.7 3.1.3 我国汽车玻璃钢/复合材料的应用现状 10 4 4 复复合合材材料料在在我我国国汽汽车车工工业业中中的的应应用用前前景景及及发发展展. .1 13 3 4.1 我国汽车复合材料的应用前景 .13 4.2 我国汽车复合材料的发展.13 结 束 语 . .15 谢 辞 . .16 参 考 文 献. .17 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 3 1 复合材料的概念、分类及性能特点 复合材料是一种新型的工程材料,它具有一系列其他材料不具备的优点, 它的出现
7、,开辟了一条发展新材料的重要途径。 1.1 复合材料的概念 复合材料,是由两种或两以上的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。各种材料在性能上互相取长补短,产生协 同效应,使复合材料的综合性能优于原组种成材料而满足各种不同的要求。复 合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、 钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材 料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶 须、金属丝和硬质细粒等。 1.21.2 复合材料的分类复合材料的分类 复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用,代
8、替了很多 传统的材料。 1.2.11.2.1 按按其其组组成成分分类类 金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材 料。 1 1. .2 2. .2 2 按按其其结结构构特特点点分分类类 复合材料按其结构特点又分为: 纤维复合材料 、夹层复合材料 、细粒 复合材料、混杂复合材料 。 (1)纤维复合材料 :将各种纤维增强体 置于基体材料内复合而成。如 纤维增强塑料、纤维增强金属等。 (2)夹层复合材料 :由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材 强度高、薄;芯材质轻、强度低,但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和 蜂窝夹层两种。 (3)细粒复合材料 :将硬质细粒均匀分布于基
9、体中,如弥散强化合金、 金属陶瓷等。 (4)混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材 料中构成。与普通单增强相复合材料比,其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 4 显著提高,并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、 层内层间混杂和超混杂复合材料 。 1.31.3 复合材料的性能特点复合材料的性能特点 1.3.11.3.1 高的比强度和比模度高的比强度和比模度 比强度、比模度高,对要求减轻自重和高速运转的结构和零件是非常重要 的,碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度是钢的 7 倍、比模度是钢的 4 倍。 1 1. .3 3. .2
10、2 抗抗疲疲劳劳性性能能好好 由于纤维复合材料对缺口、应力集中敏感性小,而且纤维和基体界面能 够阻止和改变裂纹扩展方向,因此复合材料有较高的疲劳极限。研究表明, 碳纤维复合材料的疲劳极限可达抗拉强度的70% 80%,而一般金属材料 的疲劳极限只有抗拉强度的 40% 50%。 1 1. .3 3. .3 3 良良好好的的破破裂裂安安全全性性能能 纤维复合材料中有大量独立的纤维,平均每立方厘米面积上有几千到几 万根纤维,当纤维复合材料构件由于超载或其他原因使少数纤维断裂时,载 荷就会重新分配到其他未断裂的纤维上,因而构件不致在短期内发生突然破 坏,故破裂安全性好。 1 1. .3 3. .4 4
11、优优良良的的高高温温性性能能 由于增强纤维的熔点均很高,而且在高温条件下仍然可保持较高的高温 强度,故用它们增强的复合材料具有较高高温强度和弹性模度。 1 1. .3 3. .5 5 减减震震性性能能好好 结构的自振频率与材料的比模量的平方根成正比,而复合材料比模量高, 其自振频率也高,高的自振频率就不容易引起工作时的共振,这样就可避免 因共振而产生的早期破坏。同时复合材料中纤维及基体间的界面具有吸振能 力,因此它的振动阻尼很高。 1 1. .3 3. .6 6 成成型型工工艺艺简简便便灵灵活活及及可可设设计计性性强强 对于形状复杂的构件,根据受力情况可以一次整体成型。减少了零件、 紧固件和接
12、头数目,材料利用率较高。例如日产布尔巴特汽车前端板,用钢 板制造时由 20 多个零件组成,而用纤维增强塑料复合材料,则用7 个零件 就可以。 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 5 2 复合材料在汽车上应用的优势 由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性,可减振和降低噪声、抗疲劳性 能好,损伤后易修理,便于整体成形,故可用于制造汽车车身、受力构件、 传动轴、发动机架及其内部构件。 而复合材料在汽车上应用的主要优势有: 2 2. .1 1 减减轻轻整整车车重重量量 复合材料密度较小,如树脂基复合材料的密度一般不超过2g/cm3。汽 车重量减轻,提高了燃油经济性,从而带来更小的功率需求,驱动引擎和悬 挂
13、装置,进而减少冲击危险。统计结果表明,汽车重量每减轻100kg,意味 着行驶时能节省燃油 0.7L/110km。除了对汽车的各种零部件结构进行优化 设计和改进外,采用高性能轻质材料也是实现汽车轻量化的一条重要途径。 据估计,碳纤维复合材料的应用和使汽车车身,底盘的重量减轻40%- 60%,相当于钢结构重量的 1/3-1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材 料的减重效果进行研究,结果表明,碳纤维增强聚合物材料的车身仅重 172kg,而钢制车身重量则为 368kg。 2 2. .2 2 可可设设计计性性强强 复合材料增强用的纤维是柔软的,树脂是可以流动的。这表明,在制造 过程中,它们可以再形成
14、所需性状后再复合固化,制成最终制件。对于曲面 性状的汽车构件,当用具有一定厚度的钢板冲压成型时,其曲面的形状往往 受到限制, 而使用复合材料时,比较易于制成各种形状的曲面,从而达到 空气动力学设计和美观方面的要求。同时,复合材料的课设计性非常强,根 据产品结构和受力情况,通过调整纤维的取向 ,织物的组织结构,排列的方 式等,就可制成满足不同要求的制品。 2 2. .3 3 缩缩短短开开发发周周期期 复合材料用品往往是材料制造与产品成型同时完成。通过合理的磨具设 计,可将不同厚度的零件,凸起部,筋,棱等全部一体成型,而用金属板则 比较困难,且生产效率低,难以保证制件的精度。例如日产“布尔巴特”
15、汽车前端板,用钢板制造时需 20 多个零件组长,而用复合材料用 7 个零件 就能够实现。据报道,当产量为 2 万件/a 时,采用金属材料的投产准备期 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 6 为 15 个月,而复合材料仅为 6 个月。福特公司的研究报告称,复合材料可 将零部件减为原来的 80%,而加工费用比钢材降低 60%,粘结费用则比焊 接减少 25%-40%,且树脂复合材料结构件具有极好的韧性和抗冲击性能,还 能通过设计实现一些特殊的性能要求。 2 2. .4 4 耐耐冲冲击击性性 以聚合物为基本的纤维复合材料由于本身特有的结构,震动衰减系数大, 因此在受冲击时能够吸收大量的冲击能,有利于提
16、高人身安全。 2 2. .5 5 耐耐腐腐蚀蚀性性和和耐耐化化学学药药品品性性好好 汽车上的许多部件都能承受机油,刹车油,汽油,汽车传动液等化学品 的腐蚀,以及高温,严寒,盐雾等恶劣环境,传统的金属材料难以保证不同 使用环境下性能的一致性和寿命,但复合材料制品不存在生锈和被腐蚀问题。 2 2. .6 6 投投资资小小 更更新新快快 随着新材料,新技术不断进入汽车行业,汽车的更新速度越来越快。传 统的金属材料加工困难,巨大的模具,工装投资已难以适应更新换代的需要。 而复合材料加工周期短,模具工装的变动较容易,因而投资较小,这正好适 应了现代社会对汽车多样化,更新快的需要。 3 复合材料在汽车工业
17、中的应用现状及发展状况 作为构成汽车以塑代钢的重要轻量化材料玻璃钢/复合材料,与汽车节 能、环保、安全有着密不可分的关系。采用玻璃钢/复合材料制造汽车车身壳体 及其他相关部件,是使汽车轻量化最有效的途径之一;玻璃钢/复合材料的问世, 为汽车造型设计提供了重要的变革条件,利用其设计自由度大和成型方便的特 点为汽车产品的造型、功能增添了新奇与美感,实现汽车车身流线型的设计理 念;同时,玻璃钢/复合材料还具有安全、低噪音、保温隔热等优良性能。由于 汽车的质量减轻,滚动阻力减少,进而收到降低油耗、节约能源、减少环境污 染以及保证安全等一系列效能。 3.13.1 玻璃钢玻璃钢/ /复合材料在汽车工业中的
18、应用现状复合材料在汽车工业中的应用现状 3.1.13.1.1 汽车玻璃钢汽车玻璃钢/ /复合材料应用概况复合材料应用概况 自从 1953 年世界上第一部 FRP 汽车GM Corvette 制造成功以后,玻璃 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 7 钢/复合材料即成为汽车工业的一支生力军。传统的手糊成型工艺只适于小批量 生产,无法满足汽车工业不断发展的需要。20 世纪 70 年代开始,由于 SMC 材 料的成功开发和机械化模压技术以及模内涂层技术的应用,促使玻璃钢/复合材 料在汽车应用的年增长速度达到 25,形成汽车玻璃钢制品发展的第一个快速 发展时期;到 20 年代 90 年代初,随着环保和
19、轻量化、节能等呼声越来越高, 以 GMT(玻璃纤维毡增强热塑性复合材料) 、LFT(长纤维增强热塑性复合材料) 为代表的热塑性复合材料得到了迅猛发展,主要用于汽车结构部件的制造,年 增长速度达到 1015,掀起第二个快速发展时期。作为新材料前沿的复合材 料逐步替代汽车零部件中的金属产品和其它传统材料,并取得更加经济和安全 的效果。 玻璃钢/复合材料汽车零部件主要分为三类:车身部件、结构件及功能件。 (1)车身部件:包括车身壳体、车篷硬顶、天窗、车门、散热器护栅板、 大灯反光板、前后保险杠等以及车内饰件。这是玻璃钢/复合材料在汽车中应用 的主要方向,主要适应车身流线型设计和外观高品质要求的需要,
20、目前开发应 用潜力依然巨大。主要以玻璃纤维增强热固性塑料为主,典型成型工艺有: SMC/BMC、RTM 和手糊/喷射等。 (2)结构件:包括前端支架、保险杠骨架、座椅骨架、地板等,其目的在 于提高制件的设计自由度、多功能性和完整性。主要使用高强 SMC、GMT、LFT 等材料。 (3)功能件:其主要特点是要求耐高温、耐油腐蚀,以发动机及发动机周 边部件为主。如:发动机气门罩盖、进气歧管、油底壳、空滤器盖、齿轮室盖、 导风罩、进气管护板、风扇叶片、风扇导风圈、加热器盖板、水箱部件、出水 口外壳、水泵涡轮、发动机隔音板等。主要工艺材料为:SMC/BMC、RTM、GMT 及玻璃纤维增强尼龙等。 (4
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