汽车机械基础：陶瓷材料和复合材料进展

1.陶瓷材料

陶瓷是指以天然或人工合成的各种化合物为基本原料，经原料处理、成形、干燥及高温烧结而成的一种无机非金属固体材料。

（1）陶瓷的性能特点

1）硬度高，抗拉强度较低，但抗压强度高，陶瓷在室温下塑性几乎为零，韧性和疲劳性能较差。

2）具有高的熔点和高温强度，在1000℃以上仍能保持其室温下的强度。

3）高的抗氧化能力，在室温下及在高温下都不会发生氧化，对酸、碱、盐的腐蚀有较强的抵抗能力。

4）较好的绝缘性能。有的陶瓷具有各种特殊性能，如压电陶瓷、磁性陶瓷及透明铁电陶瓷等。

（2）陶瓷的分类按成分、性能和用途分。

1）普通陶瓷（传统陶瓷）。以天然的硅酸盐矿物为原料（如粘土、长石及石英等），经成形、烧结而成的产品。

2）特种陶瓷（新型陶瓷）。采用纯度较高的人工合成原料（如氧化铝、碳化硅及氮化硅等），并采用烧结工艺制成的具有独特的力学、物理或化学性能的陶瓷，如压电陶瓷、高温陶瓷、磁性陶瓷及电光陶瓷等。

（3）常用工业陶瓷

1）普通陶瓷。这类陶瓷质地坚硬，不氧化生锈，耐腐蚀，不导电，能耐一定的高温，成本低，加工成形性好，但强度低，耐高温性能比其他陶瓷低。

2）氧化铝陶瓷。这类陶瓷以Al₂O₃为主要成分，耐高温性能好，耐酸、碱和化学药品的腐蚀，有优良的电绝缘性，但脆性大，不耐冲击，抗热振性差。常用来制作高温容器和内燃机的火花塞、刀具及耐磨零件等。

3）碳化硅陶瓷。这类陶瓷高温强度大，其抗弯强度在1400℃仍可保持在500～600MPa，有很高的热传导能力，良好的热稳定性、耐磨性、耐蚀性和抗蠕变性。

4）氮化硅陶瓷。此类陶瓷具有良好的化学稳定性。除氢氟酸外，能耐各种无机酸和碱溶液的腐蚀，也能抵抗熔融的非铁金属的侵蚀；硬度高，有良好的电绝缘性和耐磨性；摩擦系数小，是一种良好的耐磨材料；热膨胀系数小，抗高温蠕变性能和抗热振能力比其他陶瓷强。常用来制作高温轴承、燃气轮机的转子叶片、泵和阀的密封环。

2.复合材料

由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成而成的多相固体材料，称为复合材料。

复合材料可以克服或改善单一材料的弱点，充分发挥其优点，并能得到单一材料不易具备的性能和功能。例如，混凝土性脆，但抗压强度高，钢筋韧性好又有较高的抗拉强度，为使其性能上可以取长补短，人工制成了钢筋混凝土复合材料；玻璃和树脂的强度和韧性都不高，但它们组成的复合材料（玻璃钢）却有很高的强度和韧性，而且质量轻。

复合材料为多相（或组成）体系，全部相可分为两类：一类为基本相，起粘结剂作用；另一类为增强相，起提高强度（或韧性）的作用。

1）复合材料的性能特点。复合材料具有高的比强度和比模量（弹性模量/密度），例如，碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量比钢大3倍；复合材料有好的抗疲劳性能，例如碳纤维和聚酯树脂的疲劳强度是其抗拉强度的70%～80%，而大多数金属的疲劳强度只有其抗拉强度的30%～50%；复合材料减振性能强，例如用同样尺寸和形状的梁进行振动试验，金属材料制成的梁需9s才停止振动，而碳纤维复合材料则只需2.5s就可停止振动；同时复合材料还有高温性能好、断裂安全性高的优点。

2）复合材料的分类。复合材料的种类很多，常见的分类方法有以下三种。(www.xing528.com)

①按基体分类，分为非金属基体（如高聚物、陶瓷等）和金属基体两类。

②按增强相的种类和形状分类，分为颗粒复合材料、层叠复合材料和纤维增强复合材料。

③按性能分类，分为结构复合材料和功能复合材料。

3）常用的复合材料。

①纤维增强复合材料。纤维增强复合材料的名称、特性和用途见表1-25。

表1-25 常用合成橡胶的名称、性能和用途

②层叠复合材料。这种材料是由两层或两层以上不同材料复合而成。常见的层叠复合材料有：

a.双层金属复合材料

这种材料是将性能不同的两种金属，采用胶合或熔合等方法复合在一起，以满足某种性能要求。我国生产的不锈钢———碳素钢复合钢板即属于此类材料。

b.塑料-金属多层复合材料

此种材料表面层用的塑料为聚四氟乙烯或聚甲醛。这种复合材料比单一的塑料提高承载能力约20倍，导热系数提高约50倍，热膨胀系数降低75%，从而改善了尺寸稳定性，可用作高应力（大于140MPa）、高温（270℃）及低温（-195℃）和无油润滑条件下的各种轴承。目前已用于汽车、化工行业等部门。

c.夹层结构复合材料

是由两层薄而强的面板中间夹一层轻而弱的芯子组成。面板一般为金属、玻璃钢、增强塑料等；而芯子常用泡沫、塑料、木屑、金属箔、玻璃钢等。夹层结构的特点是：密度小，减轻了构件自重；有较高的刚度和抗压稳定性；可按需要选择面板、芯子的材料，得到绝热、隔声及绝缘等所需性能。

夹层结构复合材料已用于飞机上的天线罩隔板、机翼以及火车车厢等方面。

③颗粒复合材料。这种材料是由一种或多种材料的颗粒均匀分布在基体材料内所组成的材料。

颗粒复合材料的增强原理是利用大小适宜的增强颗粒，高度弥散分布在基体中，以阻止基体塑性变形或高分子链的运动。故增强粒子太大或太小都会降低强化效果，一般粒子直径在0.01～0.1μm范围内增强效果最好。常见的颗粒复合材料有金属陶瓷、石墨-铝合金颗粒复合材料等。将陶瓷微粒分散于金属基体中，使两者复合为一体，即为金属陶瓷。金属陶瓷具有高的硬度、强度，耐磨损、耐高温，热膨胀系数小等优点。

石墨-铝合金颗粒复合材料是在铝液中加入颗粒状石墨，并悬浮于铝合金中浇得的铸件，它具有优良的减摩、减振性和较小的密度，是一种新型轴承材料。

4）复合材料在汽车上的应用。复合材料在汽车上应用最多的为纤维增强型复合材料，纤维增强型复合材料之所以在汽车工业中应用广，是由于它能减轻汽车质量、降低能耗及提高载重能力。如增强橡胶材料制成的轮胎；玻璃纤维-塑料复合材料制作的车身、顶篷及车体结构件等；无机纤维-塑料制作的制动片、离合器片及电热散热器等。层叠复合材料在汽车中也有应用，如汽车前窗玻璃一般要求用夹层玻璃。夹层玻璃是由两层玻璃中间夹一层透明的塑料薄层制得的复合材料。有些汽车中使用金属粉与陶瓷粉烧结所得复合材料制作制动片。今后从汽车发展动向来看，为了减轻自重、节能和安全，复合材料在汽车上的应用会进一步增加。

[1]此处应称灰口铸铁，与一般称为灰铸铁的不同，只在石墨呈片状时才称为灰铸铁。