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1、1,高分子材料在汽车中的应用,卢晓峰 吉林大学,2,高分子材料基本概念：,高分子材料是指以分子量一般在 5000 以上的有机化合物为主要组成物的材料。,分类： 来源：天然高分子，半合成高分子，合成 高分子。 2. 性能：通用高分子，功能高分子 3. 主链结构：碳链高分子、杂链高分子、元素 有机高分子 4. 热行为：热塑性高分子、热固性高分子 5. 聚合方法：加聚高分子、缩聚高分子,3,1839 橡胶硫化过程 (Goodyear) 1846 硝化纤维素 (C.F. Schnbein) 1869 Plastic celluloid (Hyatt) 1872 Bell, 1907 Baekeland
2、, 酚醛树脂 (Real First man-made) 1912 不饱和树脂 1920 聚合物理论: Staudinger 1925 聚醋酸乙烯酯工业化 (白胶水）(1912,Germany) 1926-1927 PMMA and PVA 1926 PVC 1930-1937 聚苯乙烯 (German, America) 1935 -1938 尼龙工业化 (Carothers, Dupont Co.) 1939 低密度聚乙烯 (ICI Co.) 1941 PET 1943 PTFE 1950 PAN 1953 HDPE and PP 1960-70 高性能塑料 1977 导电高分子,高分子材
3、料发展历史：,四个诺贝尔奖,4,车身用高分子材料,1.汽车材料概述 2.车身材料概述 3.车身用高分子材料 特点 组成 分类 主要性能指标 4.车身材料的发展趋势,5,1.汽车材料概述,1886 年德国人卡尔本茨制造出世界上第一辆 汽车，在这一个多世纪里，汽车工业在全世界 得到了几乎是绝无仅有的持续高速发展，2010 年全球汽车产量已经达到7800 多万辆。我国汽车近十多年来也发展十分迅速，1994 年产量为135 万辆，而2010年已经突破了1826 万辆，汽车的普及浪潮正从发达国家向广大发展中国家席卷而来。,6,2007-2009全球汽车产量排行榜,7,材料汽车工业的基础,在现代工业中，材
4、料、能源、信息被看作三大支柱，而能源和信息的发展，在某种程度上又依赖于材料的进步。对于汽车工业也是如此，材料也是汽车工业的基础。据统计，一辆汽车约有3万多个零件组成，这些零部件采用了4千余种不同的材料加工而成。从汽车的设计、选材、加工制造，到汽车的使用、维修和养护，无一不涉及到材料。,8,以现代轿车用材为例，按照重量换算，钢材占汽车自重的5560，铸铁占512，有色金属占610，塑料占812，橡胶占4，玻璃占3，其他材料(油漆、各种液体等)占6 12。,材料汽车工业的基础,9,现代汽车要满足: 安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格低等要求.材料是首要考虑方面。,材料汽车工业的基础,10
5、,汽车材料是指生产汽车，以及汽车在运行过程中所用到的材料。按照用途来分，一般将其划分为汽车工程材料和汽车运行材料。 汽车工程材料是指用于制造汽车零部件的材料。汽车工程材料大致可分为金属材料和非金属材料两大类。常用的汽车工程材料，如图1所示,材料汽车工业的基础,11,图1 汽车工程材料,12,2.车身材料概述,车身,13,车身材料,汽车车身常采用的材料有：钢、有色金属、塑料。 钢： 普通钢板：根据不同的部位使用0.60.8mm厚的钢板。 高强度钢板：与普通钢板厚度相同，但具有更高强度。 防锈钢板：钢板的一面或者是两面镀锌使其难生锈。,14,车身材料,铝： 车身板件用铝合金：重量约为钢板的二分之一
6、的铝合金，却具有与钢板相同的强度。,15,车身材料,塑料： ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯聚合物)、BMC(块体模塑料)、PA(聚酰胺=尼龙)、PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PUR(热固性氨基甲酸乙酯)、PVC(聚氯乙烯)、SMC(片装模塑料)、FPR(纤维增强塑料=玻璃纤维加强塑料)等。,16,车身材料,17,3.车身用高分子材料,在现代社会中汽车已成为主要的交通运输工具之一，也是能源梢耗的大户，据报导美国有一半多的石油能源消耗在汽车上。随着世界能源危机的加剧，降低车身自重、减少能源消耗已成为汽车行业的主要目标之一。当代汽车工业正向着高速化、舒适化、安全化的方向发展，这都
7、离不开轻量化、离不开塑料及其它高分子材料在汽车上的应用。塑料给汽车制造业带来了如下好处： 提高了汽车质量和舒适性 增加了安全性,18,车身用高分子材料,降低了成本 减轻了重量 提高了设计的自由度 加之塑料制品的能耗仅为钢制品的6080%、 铝制品的3550%，工序简便、生产效率 高、与同体积的金属制品相比价格上还略占优 势，更优于有色金属制品。,19,车身高分子材料,塑料自上世纪60 年代初进入汽车 工业以来，随着高分子材料科学及其加工技术、塑料应用技术、现代汽车设计及制造技术的发展，50 年来塑料制品在汽车工业上的应用有了很大发展。,20,车身高分子材料,世界汽车平均每辆塑料用量在2000
8、年就已达105 kg， 约占汽车总质量的8 %12 %。最近几年，我国一般汽车上塑料件占整车质量的比例从原来的5 %左右上升到了12 %18 %以上。新开发的一些轿车上塑料件已达20 %以上，如奥迪A2 型轿车，塑料件的总质量高达220 kg ，占总用材的24.16 %。,21,车身高分子材料,塑料是一种高分子材料，在汽车上的应用越来越多，已由内、外装饰件向车身覆盖件和结构件方面发展。,22,车身高分子材料,近年来，塑料在车身板和发动机周围的零部件上的使用量在不断增大，约占车身质量的10 %15 % ，尤以德国和美欧的汽车制造商采用为多。如奔驰的Smart 轿车，车身覆盖件采用了具有本色的可随
9、时更换的塑料覆盖件，倍受市场关注；雷诺的Espace 和莲花的Elise （路特斯）轿车也采用塑料车身；戴勒姆克莱斯勒公司1998 年推出的CCV 概念车采用四块热塑车身板，加上板材连接件，白车身板总质量95 kg ，开创了全热塑车身的里程碑 ，尾灯和前大灯的玻璃也将从天然材料转向一般热固性塑料 。德国拜耳公司和美国GE 塑料公司合资的Exatec 公司推出了具有杰出的耐候性和耐磨性的聚碳酸酯( PC) 汽车窗系统Exatec500 ，并已实现工业化。,23,高分子材料在汽车上的应用,24,车身用高分子材料的特点,高分子汽车材料有很多以往传统材料没有的优点。主要表现在重量轻、有良好的外观装饰效
10、果、有多种实际应用功能、有良好的理化性能、容易加工成型、节约能源、可持续利用等各方面。高分子汽车材料的主要特点如下：,25,车身用高分子材料的特点,1重量轻 高分子汽车材料最突出的优点之一就是具有轻质高强度的特性。由于各种塑料的平均比重只有一般普通钢材的15-20%，也比一般木材轻。这一特点对高档大型轿车尤其有突出的优点，可以减去大量的自重。,26,车身用高分子材料的特点,2良好的加工性能 高分子汽车材料具有非常好的加工性能。由于高分子汽车材料的可塑性和与其它材料之间良好的兼容结合性能，可以利用不同的材料组分，借助于各种现代化的成型加工机械，通过挤出、注塑、压延、模塑、吹塑等方法加工成具有各种
11、不同形状、不同性能、不同颜色的、不同功能的高分子汽车材料，如，直接挤成管材、型材、板材，注射成有各种造型的制品、压延加工成薄膜等，还可根据需要制成各种颜色、有夹层、中空、放嵌件等各种产品，还可根据要求进行二次加工，如机械制品样的车削、冲切、裁剪、焊接、也可热熔、冷锯、复合等。,27,车身用高分子材料的特点,3优良的综合理化性能 高分子汽车材料的另一个优点是具有多种功能，可被用于特殊的场合。大多数高分子材料除了具有可塑性外，还有众多优秀的理化性能。塑料具有良好的绝缘性能、卓越的防腐蚀性能、耐老化性能、良好的耐磨和耐洗刷性能、良好的防水性能和力学性能、良好的粘结结合性能，被加工成各种要求多种性能和
12、功能的汽车内外饰件。,28,车身用高分子材料的特点,此外，塑料制品的弹性变形特性使其能吸收大量的碰撞能量，对强烈撞击有较大的缓冲作用，可对车辆和乘员起到更有效的保护作用。因此，现代汽车上都采用塑料仪表板和转向盘，以增强缓冲作用。前后保险杠、车身装饰条也都采用塑料材料，以减小车外物体对车身的冲击力。另外，塑料还具有吸收和衰减振动和噪声的能力，可以提高乘坐的舒适性。,29,车身用高分子材料的特点,4优秀的装饰效果 高分子汽车材料最突出的优点是装饰效果优秀。它可以被一次加工成具有复杂造型和多种色彩的制品，有时还需印刷、贴膜、轧花、复层、着色，加工成具有非常逼真的形象、花纹和图案，可以仿制天然木材、金
13、属、动物皮的纹理，还可以表面烫金、贴膜、镀银、镶嵌等。,30,车身用高分子材料的特点,5节能和环保 高分子汽车材料还有一个优点是能节约能源和促进环保。由于能替代大量的天然材料，就可以相应节约大量的资源，起保护森林和石材资源的作用，不破坏更多的生态环境，具有节能的社会价值和环保意义。同时，由于塑料加工成型的方便性，制造高分子汽车需要的能源远远小于加工同等功能的天然材料，比如钢铁、动物皮等，可节约大量人工和能源。大多数汽车材料用的塑料是热塑性塑料，其废旧料能方便地回收，直接再制造，使高分子汽车材料走上可持续加工的清洁生产道路，有着极其积极的环保意义。,31,车身用高分子材料的特点,高分子汽车材料的
14、特性还有很多，其中也有一些不如传统材料的地方，主要缺点表现在它的刚性、耐热性和可燃烧性、耐老化性能、表面耐刻划性和抗冻性等。,32,车身用高分子材料的特点,1、刚性差： 高分子建筑材料具有很好的可塑性，但它的刚性较差，因此不能将它用于要求有较大承载力的地方或作为主要的受力结构件，否则会因刚度不够引起失稳等破坏；另外，它的抗变形能力也不如天然材料加工的传统材料。,33,车身用高分子材料的特点,2、耐热性差： 耐高温性能差是高分子汽车材料的另一个主要缺点。大部分热塑性高分子汽车材料的工作温度都在摄氏80度以下，该温度以上常会发生热变形，使高分子材料不能维持原来的形状和结构，性能也会发生很大变化。,
15、34,车身用高分子材料的特点,3、抗冻性能差： 很多塑料具有冷脆性，主要表现在塑料件在冬天时用时，受到冲击力特别容易引起冲击破坏，由于这一原因使很多塑料在低温环境下的应用受到了限制。热塑性塑料的这一缺点目前可以通过在原料中加入其它材料或添加剂进行配方组合进行改性，让它的低温抗冲击强度得到改善。,35,车身用高分子材料的特点,4、具有可燃烧性： 与钢材相比，塑料的另一个缺点是具有可燃烧性。这是近年来高分子汽车材料应用过程中最受人们关注的问题之一，也是很多场合中最不放心使用高分子材料的主要原因之一。塑料可分为两类，一类是不可燃烧的，另一类是可燃烧的。但是，由于塑料具有可配方组合和改性的功能，可燃烧
16、的塑料可以通过在配方中加入阻燃剂和不可燃烧的填充改性物，对其进行改性，使之成为阻燃或不可燃的塑料，让们放心使用。,36,车身用高分子材料的特点,5、耐老化性能： 塑料的老化性能是长期以来影响高分子汽车材料应用发展的又一个原因。但是，实际上应该比较客观地看待塑料建材的老化问题。高分子材料不仅要考虑耐热老化，还要考虑耐光老化和耐经常接触介质的老化。可以通过在配方中通过加入各种抗老化剂防止老化。,37,车身用高分子材料的特点,高分子建筑材料具有相当多的优点，但由于上述缺点，较多的仍然是以汽车内装饰用材和车厢内功能性汽车制品应用为主。随着科学技术的发展，越来越多的高分子新材料不断研究成功，许多高分子材料已经或者正在克服这些缺点，这将使汽车高分子材料的应用领域和范围得到更大的发展。,38,车身用高分子材料的组成,汽车塑料制品，按其使用部位可分为内饰件、外装件、机能结构件等。 表1 我国汽车中塑料件在各使用部位所占的百分比 （单位： ） 车型 内饰件 外装件 机能
