非金属材料在汽车行业的不可替代性

非金属有许多金属材料不具备的特点，因此已成为现代工业中必不可少的材料，在汽车中的应用逐年提高。

非金属材料是指除金属材料以外的其他材料，其种类繁多，在这里主要介绍有机高分子材料、陶瓷材料、复合材料。

1.高分子材料

高分子材料是相对分子质量在5 000以上的有机化合物的总称。高分子化合物的相对分子质量很大，如橡胶为10万，聚乙烯在几万到几百万。

在汽车中高分子材料的应用十分广泛。据统计，现代轿车中高分子材料用量占自重的12%～16%。高分子材料的缺点是强度、刚度不够大，易老化，一般不适于做承重量大的结构件。

高分子材料按热性能及成型特点分为热固性和热塑性；按用途分为塑料、合成橡胶、胶黏剂等。这里主要介绍汽车中常用的高分子材料，如塑料、橡胶。

（1）塑料。塑料是应用最广泛的高分子材料。塑料的密度小、价格低。采用塑料代替部分钢铁件，既可减轻车辆自重又可降低成本。例如，近年来用高密度聚乙烯制造轿车汽油箱，可使油箱减重30%之多。而轿车内部构件也采用塑料来制造。

汽车塑料制品根据其应用部位，可分为内装件、外装件、功能件。目前世界各国的汽车内饰件已基本塑料化，今后主要是发展车身覆盖件、外装件及功能件。常用工程塑料种类很多，表2-1-8列举了部分汽车常用塑料的名称、符号及用途。

表2-1-8　汽车常用塑料的名称、符号及用途

（2）橡胶。橡胶是一种具有极高弹性的高分子材料，其弹性变形量可达100%～1 000%，而且回弹性好。同时，橡胶还有一定的耐磨、吸振、绝缘、隔音特性。它是常用的弹性、密封、减振防振和传动材料。橡胶的主要缺点是易老化，耐油性差。

根据橡胶的应用范围，橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。汽车常用橡胶的种类、代号、性能及用途见表2-1-9。

表2-1-9　汽车常用橡胶的种类、代号、性能及用途

（3）胶黏剂。工程上常借助一种材料在固体表面产生黏合力，将材料牢固地连接在一起的方法叫胶结，所用的材料称为胶黏剂（又称黏合剂）。胶接的特点是：接头处应力分布均匀，接头的密封性、绝缘性及耐蚀性好，适用性强，而且操作简单、成本低。因此，胶黏剂在工业中得到广泛使用。

汽车修理中常用的胶黏剂有环氧树脂和酚醛树脂胶黏剂，用来粘接离合器摩擦片、修补缸体、蓄电池等。(www.xing528.com)

2.陶瓷材料

陶瓷原指硅酸盐材料。目前，陶瓷的概念广义化了，为所有无机非金属材料的简称，主要指陶瓷、玻璃，还包括搪瓷、石膏、水泥、石英等。金属、工程塑料和陶瓷是现代工业三大支柱材料。

（1）陶瓷。陶瓷在汽车工业中的典型用途为火花塞绝缘体，汽车的排气净化器、发动机缸盖底板、缸套、活塞顶等也用到了陶瓷材料。

（2）玻璃。玻璃是一种非晶态固体，它是以石英砂、纯碱、长石、石灰石等为主要原料，并加入某些金属氧化物等辅料在1 550℃～1 600℃高温下熔融后经拉制或压制而成的。经过特殊工艺处理，还可制成具有各种不同特殊性能的特殊玻璃。

在汽车上，主要用作挡风玻璃和车身玻璃等。钢化玻璃是普通玻璃经过高温淬火处理（钢化处理）的特种玻璃。钢化玻璃在受到冲击破碎后，碎片小而无棱角，不会造成人体伤害。但这种玻璃在破碎前会产生很多裂纹，由于光线的漫射作用，玻璃会变得模糊不清，所以，钢化玻璃仅作为汽车后窗玻璃和侧窗玻璃。各国规定汽车前挡风玻璃必须使用夹层玻璃。夹层玻璃是将两片或两片以上的平板透明玻璃或钢化玻璃用聚乙烯醇缩丁醛塑料衬片黏合在一起而成。这种玻璃强度高，即使被击碎，由于中间有塑料衬片的黏合作用，仅产生辐射状的裂纹而玻璃不致脱落伤人，并且不产生折光现象，透明度仍然良好。

3.复合材料

在汽车轻量化的进程中，要求其使用的结构材料同时具有高弹性模量、高强度、小密度、高可靠性等特点。普通金属、非金属材料已无法同时满足这些要求。

复合材料是指由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。例如，现代汽车中的玻璃纤维挡泥板，就是由脆性玻璃和韧性聚合物相复合而成的。复合材料不仅综合了各组成材料的优点，而且获得了单一材料无法达到的优良综合机械性能，甚至某些性能超过了各组成材料性能的总和。

高分子基复合材料（FRP）是汽车轻量化的最重要的材料。FRP主要由三部分组成：纤维、树脂、填充料。

FRP早在20世纪50年代就开始在汽车上使用，现在已得到广泛应用。由于FRP的大量应用，轿车的平均重量大为降低。目前，利用FRP制作的汽车部件有：车身车顶壳体、发动机部件、仪表盘、阻流板、车灯、前隔栅、夹层板、后闸板等。

FRP中较典型的有：玻璃纤维增强塑料，通常又称为玻璃钢。由于它具有高强度、价格低、来源丰富、工艺性能好等特点，比普通塑料有更高的强度（包括抗拉、抗弯、抗压）和冲击韧度，热膨胀系数减小，尺寸稳定性增加，在汽车行业有广泛的应用。玻璃纤维增强尼龙的强度超过了铝合金而接近于镁合金，可以用来替代这些金属。在汽车发动机、气缸盖等部位若采用玻璃纤维强化热塑性树脂（GFRTP），比用铸铁制造质量可减轻45%；汽车底盘若采用玻璃纤维增强树脂（GFRP），其质量可以比用钢铁材料减轻80%。从20世纪80年代起，玻璃纤维增强塑料已被世界各大汽车公司采用，是汽车上应用最广的复合材料。

碳纤维增强塑料将是汽车工业大量使用的增强材料。因为汽车要求具备油耗小、轻量化、发动机高效化、车型阻力小等特点，都迫切希望有一种质轻和一材多用的轻型结构材料，而碳纤维增强塑料是最理想的选择。它主要的应用有：发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮，传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等，底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等，车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。

金属基复合材料除了强度大、刚性好、耐热耐磨性好之外，还具有优良的导热性和导电性。因此，如果零件要求兼有以上的综合性能时，可采用这类材料，如汽车中的活塞、活塞销、气门摇臂、连杆、汽缸体、挺柱等。但由于制造问题，目前金属基复合材料未能得到广泛使用。

陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、高耐磨性和良好的韧性等特点，目前已应用在高速切削工具和内燃机部件上。汽车工业的研究重点是使用陶瓷材料替代金属制造发动机的零部件。这样可以大大提高热效率，也无须水冷，而且比硬质合金的质量轻得多。