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1、汽车内外饰常用材料 性能 工艺介绍 骆元德 欢迎 塑料与汽车工业 塑料的优点 塑料在汽车上的应用已有近50年的历史 其对汽车的减重 安全 节能 美观 舒适 耐用等功不可没 塑料与其他材料相比 具有如下优点 塑料的优点 1 质轻 塑料的密度通常在0 83 2 2g cm3之间 是除木材之外的较轻的材料 当将其制成泡沫时 其密度可以低至0 01 0 05g cm3之间 而钢材为7 8g cm3 铝为2 7g cm3 都高于塑料 2 塑料的抗冲击性 柔韧性优异 手感好 耐摩擦磨损性能 耐疲劳性能优良 避震 吸音 NVH等方面表现良好 某些玻纤增强的塑料其比强度 强度与相对密度之比 已接近甚至超过一般
2、的金属材料 塑料的优点 3 耐化学药品性能优良 特别是耐腐蚀性能优良 4 电绝缘性和绝热性优良 是电和热的绝缘导体 塑料的优点 5 设计自由度大 外观多样 可制成透明 半透明或不透明的制品 着色性良好 可按需要制成各种各样的颜色 可以进行表面涂装 印刷等特殊效果 6 成型加工性能优良 复杂形状的制品可以一次成型 能采用各种成型方法进行大批量的生产 生产效率高 成本低 相同质量的零件 采用塑料制造费用仅为钢或铝的1 2 2 3左右 塑料的优点 7 可回收利用 能满足环境保护 人类可持续发展战略的要求8 是节省资源 节能型的材料 塑料的缺点 塑料虽然具有上述的各种优点 但同时也存在着下面的一些缺点
3、 1 耐热性较差 多数只能在60 150 下使用 导热性也不好 2 成型收缩率大 难以制得高精度的制品 尺寸稳定性差 3 长期使用性能较差 易老化 易发生蠕变 疲劳等 4 易燃烧 燃烧时产生大量黑烟和有毒气体 污染环境 影响人类健康 塑料的应用 总的来说 塑料具有其他各种材料所不具有的各种优点 特别基于成本和节能的方面 所以被汽车工业大量的采用 特别是随着三次石油危机的爆发和石油资源的日益枯竭 对汽车减轻自重和降低能耗的要求日益提高 再加上对乘坐舒适性 安全性 美观性的要求 汽车塑料件的用量正在逐年增加 塑料的应用 每100kg塑料可替代汽车上的其他材料200 300kg 可在汽车的平均寿命里
4、程150000km里节油750L 即每100km节油0 5L以上 德国汽车塑料件的应用状况 塑料的应用 1996年 全世界汽车塑料的用量为550万吨 2000年约为670万吨 在满足使用性能和加工性能的前提下 随着人们环境保护意识增强 对汽车用塑料的回收再生备受重视 因此更倾向于选用热塑性塑料 聚丙烯的用量明显上升 而ABS PVC的用量则有所下降 下表为汽车用塑料品种及其所占比例 汽车用塑料的基本知识 塑料的分类 按照受热时的行为和是否具有反复成型加工性 可以将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两大类 前者受热时熔融 可进行各种成型加工 冷却时固化 再受热又可熔融 加工 即具有多次重复加工性 后
5、者受热熔化成型的同时 发生固化反应 形成立体网状结构 再受热不熔融 在溶剂中也不溶解 当温度超过分解温度时将被分解破坏 不具备重复加工性 塑料的分类 热塑性塑料中按照耐热性 力学性能和成本 市场规模等可以分为通用塑料和工程塑料 工程塑料是指长期耐热温度超过100 拉伸强度大于50MPa 弯曲模量大于2000MPa 刚性好 蠕变小 具有自润滑等特性 可替代金属用作结构材料的一类热塑性塑料 塑料的分类 工程塑料又可以分为通用工程塑料和高性能工程塑料 高性能工程塑料的长期耐热温度超过150 由一种单体聚合而成的塑料称为均聚物 如PP等 由两种或两种以上的单体共聚而成的高分子化合物称为共聚物 如ABS
6、 丙稀腈 丁二烯 苯乙烯共聚物 E P 乙烯 丙稀共聚物 EPDM 三元乙丙橡胶 塑料的分类 均聚物树脂的分子链类似与下面图示的结构 共聚物树脂的分子链类似与下面图示的结构 工业上也经常使用由两种或两种以上的塑料与塑料或塑料与橡胶形成的宏观上不分相 微观上分相的多组分多相材料 通常称为高分子共混物或高分子合金 如PC ABS ABS PVC等 塑料的分类 塑料的分类 各种塑料在汽车上的常见使用场合 塑料的性能 物理性能密度吸水率收缩性机械性能蠕变冲击性能热性能力学性能 塑料的性能 常见塑料的密度 g cm3 塑料的性能 常用塑料的吸水率吸水率是材料的重要特征之一 水分的存在往往会引起一系列的不
7、良后果 如 1 某些树脂在成型时会因水解而使其相对分子质量降低 物性下降 2 引起制品出现气泡 表面银丝 条痕等缺陷 3 导致制品尺寸不稳定 限制了某些用途 尤其是不能用作精密制品 4 会引起刚性 强度等机械性能 电器绝缘性能和折射率等光学性能的变化 影响其应用 常用塑料的吸水率 塑料的性能 特例 某些塑料制品 如PA 在干燥条件下较脆 而吸收一定水分后韧性增加 故成型后需进行调温调湿的后处理 举一个实际的例子 各种注塑的尼龙卡扣需要较高的韧性 所以一般在成型后用水煮4 8小时 就是为了提高韧性 去处脆性 塑料的性能 收缩性塑件自模具中取出冷却到室温后 发生尺寸收缩的特性称为收缩性 塑件的成型
8、收缩主要表现在以下几个方面 1 塑件的线尺寸收缩 由于热胀冷缩 塑件脱模时弹性恢复 塑件变形等原因导致塑件脱模冷却到室温后 其尺寸缩小 为此模具设计时必须给予补偿 2 收缩的方向性 成型时由于分子的取向作用 使塑件呈现各向异性 沿料流动方向收缩率大 强度高 与料流动方向垂直方向则收缩小 强度低 另外 成型时由于塑件各部位密度及填料分布不均匀 故收缩也不均匀 3 后收缩 脱模后由于残余应力的存在导致塑件的再次收缩称为后收缩 一般塑件在脱模后10h内变化最大 24h后基本稳定 塑料的性能 收缩性在实际成型中 不仅塑料品种不同其收缩率不同 而且同一品种塑料的不同批号 或统一塑件的不同部位的收缩值也常
9、常不同 影响收缩率变化的因素如下 1 塑料品种 各种塑料都有其各自的收缩范围 同一种塑料由于相对分子质量 填料及配比等不同 则其收缩率也不同 2 塑件的结构 塑件的形状 尺寸 壁厚 有无嵌件 嵌件数量及布局对收缩率值影响也很大 例如塑件壁厚则收缩率大 有嵌件则收缩率小 3 模具的结构 模具的分型面 加压方向 浇注系统系统形式 布局及其尺寸对收缩率对收缩率及其方向性影响也很大 例如 与料流方向平行则收缩率大 4 成型工艺 挤出成型和注塑成型一般收缩率较大 方向性明显 塑料的性能 蠕变塑料零件在长时间受力的情况下显示出两个重要的性质 蠕变和应力松弛定义 当在塑料零件上施加一个恒定的载荷 会产生一个
10、内应力 经过一段时间 塑料会缓慢变形以重新分配零件的内应力 通过施加恒定的应力可测量变形随时间的变化 这种与时间有关的形变称为蠕变 如果塑料零件随着时间的变化发生一恒定的应变 或拉伸 保持恒定应变所需的应力会逐渐衰减 这种现象被称为应力松弛 冲击性能在北美地区广泛采用悬臂梁冲击试验而在欧洲普遍采用摆锤冲击试验 试验样条一般均分为缺口和不带缺口两种 悬臂梁冲击试验的夹紧力会导致试验的偏差 热性能聚合物对温度的变化非常敏感 聚合物的机械性能 电性能和化学性能都收到温度变化的影响 熔点 当增加温度时 热塑性聚合物会变得很柔软 结晶型树脂城乡出明显的熔点 熔点对于成型过程及焊接是一个重要的性能参数 热
11、变形温度 通常热变形温度指按ISO标准试验中样条承受0 45MPa或1 82MPa载荷 弯曲0 25mm时的温度 塑料的性能 塑料的性能 力学性能 拉伸强度 压缩强度 泊松比 弹性模量 杨氏模量 弯曲模量 塑料的性能 拉伸强度拉伸强度时材料承受轴向载荷的能力 在拉伸强度测试的美国标准中 标准的样条放置在拉伸试验机中 样品两端被试验机的夹具夹住并且两端同时受拉伸 机器自动记录应力随应变的变化曲线 一般的拉伸速度为50mm min 拉伸强度的单位为MPa 塑料的性能 压缩强度压缩力除以横截面积得到压缩强度 单位MPa 在塑料零件实际设计计算中 经常假设塑料的压缩强度等于其拉伸强度 塑料的性能 泊松
12、比只要材料的变形在弹性范围内 其横向变形与纵向变形的比值是恒定的 该比值称为泊松比 横向形变 纵向形变泊松比的范围是0 0 5 当没有横向收缩是 其泊松比是0 当宽度上的收缩等于伸长是 其泊松比是0 5 实际上是没有泊松比是0或0 5的材料的 塑料的性能 弹性模量 杨氏模量杨氏模量定义为应力 应变曲线起始部分的斜率对任何材料 在弹性范围内 应力与应变的比值是恒定的 服从虎克定律 该比值称为杨氏模量 单位为MPa E 应力 应变 恒定值 塑料的性能 弯曲模量在聚合物的弹性范围内抵抗弯曲变形的阻力称为抗弯强度 这种性质用弯曲中的弹性模量 即弯曲模量来表示 如图所示 一个水平的样条两端被支撑起来 样
13、条中间放一重物 产生垂直载荷 当载荷引起样条弯曲时 样条受两种不同的应力 中性轴上方受压缩应力 下方受拉伸应力 塑料的改性 由于汽车对性能的特殊需要 汽车上使用的塑料一般都会添加各种添加剂 俗称塑料的改性 经改性的塑料原料由多种组分组成 一般组成成分如下 1 树脂 即主要的塑料成分 决定了塑料的主要性能 如PP PE等 塑料中树脂含量一般40 100 塑料的改性 2 填充剂 又称填料 是改性塑料中另一重要但非必要的成分 在许多情况下 填料所起的作用并不比树脂小 因而正确的选择填料可以改善塑料的性能和扩大它的使用范围 填充剂既有增量作用又有改性效果 塑料加入填料后 可以使塑料的成本大幅降低 例如
14、 PP中加入钙质填料 滑石粉 后 便成为十分廉价的具有足够刚性和耐热性的塑料 用玻纤做塑料的填料 能使塑料的机械强度大幅增加 常用的填料有 木粉 硅藻土 大理石粉 滑石粉 云母粉 高岭土 石棉纤维 玻璃纤维 碳纤维 石棉布 玻璃布等 塑料的改性 3 增塑剂 为使塑料增加柔韧性能 改善流动性 常在聚合物中加入液态或低熔点固态的增塑剂 常用的增塑剂有邻苯二甲酸二丁酯 邻苯二甲酸二辛酯等 4 着色剂 为获得所需的颜色 在塑料成分中加入着色剂 要求着色剂在塑料件使用中能长期保持稳定 使用量一般为0 01 0 02 5 润滑剂 添加润滑剂的目的是改善成型塑料的流动性 并减小和防止塑料熔体对设备和模具的黏
15、附和摩擦 一般用量为0 05 0 15 塑料的改性 6 稳定剂 为了防止或抑止塑料在成型 储存和使用过程中 因受外界因素 如热 光 氧 紫外线等 作用所引起的性能变化 即 老化 需要在塑料原料中加入稳定剂 稳定剂根据所需要的性能来选用对应的种类 用量一般为2 5 7 硬化剂 主要用在热固性塑料中 又称固化剂 目的是促进交联反应 即固化 8 发泡剂 制作泡沫塑料制品时 需预先将发泡剂加入塑料中 以便在成型时放出气体 形成有一定孔形状的泡沫塑料制品 其他常见的添加剂还有阻燃剂 防静电剂 防霉剂等 汽车常用塑料种类介绍 汽车常用塑料种类介绍 PEPPABS及PC ABSUP及SMCPUPCPAPOM
16、PET PBT PE PE具有如下特征1 原料来源丰富 生产工艺流程短 产量大 价格低廉 2 综合性能良好 商业价值高 其机械性能优良 可在较宽温度范围内使用 随相对分子量的增加 其脆化温度可以低至 140 低温冲击韧性好 3 耐化学药品性能优良 常温下没有溶剂可以溶解PE 在60 一下能耐大多数溶剂 浓硫酸 浓硝酸及其他氧化剂会缓慢侵蚀PE 4 分子中不含极性基团 介电性能优良 且不受高湿或浸水条件的影响 5 透湿率较低 并且可以采用乙烯 乙烯醇共聚物 与PA共混 氟化处理等加以克服 6 一次成型性能优良 各种成型方法几乎都可以适用 7 环境问题少 8 临界表面张力小 与此相关的印刷 涂装 粘结等二次加工性差 9 易积累静电 PE PE成型加工的主要特点如下 1 PE在高温时热稳定性良好 成型温度范围宽2 浠水率小 成形前不需要对物料进行干燥 3 几乎可以使用各种成型加工方法 4 成型收缩率大 5 发泡率高 10 80倍 可制得高发泡产品 与PS泡沫材料比较 柔软性 耐热性 耐化学药品性优良 环境问题少 PE PE在汽车上的应用PE在汽车上的用途主要分成三大类 1 外装件如燃油箱 挡
