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课时：2 教 学 安 排 备注 教学课题 复合材料的性能、分类及在汽车上的应用 教学目标 了解复合材料的性能、分类及在汽车上的应用 教学重点 复合在汽车上的应用现状及发展前景 教学难点 掌握汽车上哪些零配件是复合材料，为什么要用复合材料 教学方法 导学、讲述、交流、阅读 组织教学 安定秩序，进入课堂教学状态 提问导入 你知道汽车上哪些零配件是复合的？ 一 什么是复合材料？ 复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。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、碳化了解 硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。 复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。 复合材料的性能 二 理解 掌握 良好的抗疲劳性能 纤维复合材料,特别是纤维树脂复合材料对缺口、应力集中敏感性小，且纤维与基体界面能够阻止疲劳裂纹扩散，改变裂纹扩展方向，故纤维复合材料有较高的疲劳极限。 优良的高温性能 如铝合金在300℃时，强度由室温的500 MN/m2降到30～50 MN/m2,而用碳纤维或硼纤维增强后，在此温度的强度与室温基本相同。 减震性好 结构的自振频率与材料的比模量平方根成正比，而复材比模量高,故可较大程度地避免构件在工作状态下产生共振；另外,其界面有吸收振动能量的作用。 破断安全性好 纤维复合材料中，平均每平方厘米中有几千到几万根纤维。当纤维断裂时，载荷就会重新分配到其他未破裂的纤维上，因课时：2 教 学 安 排 而构件不致在短期内突然断裂。 复合材料的分类 备注 三 复合材料是一种混合物。复合材料按其组成分为金属与金学生 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讨论料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强举例 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。 复合材料在汽车上的应用 作为一种新型的轻量化材料，树脂基复合材料正日益成为汽车制造业中的新宠。特别在小批量车型应用领域，它可谓一枝独秀，成为欧美汽车制造商开发新车型的首选材料。那么，复合材料在汽车制造业中具有多长的应用历史？占据什么地位？其工艺技术是否已趋于成熟？应用现状又如何？ 汽车复合材料的历史 自开始制造汽车以来，复合材料，包括天然复合材料和人工合成复合材料便以各种形式应用于汽车中。早在1908年，美国福特汽车公司第一款大批量开发生产的T型车，其引擎盖就是采用天然复合材料——木头 四 制造而成的。其后，很多汽车的车身框架、车底板和汽车装饰品等也均由木质材料制成。在汽车制造史上，复合材料被大规模地应用于汽车部件生产的一个典型例子是汽车的轮胎。众所周知，轮胎的橡胶基体中含有大约50%的碳黑，它不仅使轮胎呈黑色，更主要的是，碳黑的加入显著地提高了轮胎的耐磨性。通过在轮胎纵向方向加入纤维和钢丝，还大大增加了轮胎的结构强度，这是典型的人工合成复合材料在汽车领域的应用案例。尽管现代轮胎的制造技术己取得了巨大进步，但从福特公司T型车诞生以来，轮胎的基本配方和结构形式却一直都没有改变。因此我们可以认为，汽车制造业的发展史，实际上也是复合材料在汽车上的应用史。当然，本文主要介绍的是树脂基汽车复合材料，其历史应该追课时：2 教 学 安 排 溯到树脂基复合材料诞生之后。 树脂基复合材料（以下简称“复合材料”）自1932年在美国诞生以来，至今已有近75年的发展历史。然而，其真正批量化应用于汽车工业则始于1953年。据资料记载，1951年，时任通用汽车公司车身设计负责人的Harley Early先生从通用汽车公司展示的玻纤增强复合材料概念车中得到启发，他憧憬着有朝一日能够设计出一款供批量生产的全玻纤增强复合材料车身的跑车，这款跑车可以结合所有欧洲汽车的优点。很快，他的想法得到了通用汽车公司副总裁Harlow Curtice先生的支持。1952年，通用汽车公司将一款原准备采用常规的钢材制造的跑车改为采用玻纤增强复合材料来制造，并将原名“Opel”改为“Corvette”，Corvette的英文原意是“轻巡洋舰”，其涵义充分表达了轻型、快速和操控性强的设计理念。 第一批Corvette车身采用手糊工艺制作而成：首先将剪切好的玻纤增强材料铺设在开放式的模具内，然后通过树脂浸渍、滚压赶泡、固化反应及脱模等一系列工序制作完成，这在当时是一种全新的车身制造工艺。经过全员努力，1952年12月22日，通用汽车公司成功地完成了该车身的开发制造。 1953年1月17日，一辆锃亮的配有红色内饰的白色Chevrolet Corvette跑车在美国纽约的Waldorf宾馆首次向观众展示（如图1所示），这是世界上第一款全复合材料车身的两座位跑车，这一天也因此成为了汽车复合材料史上值得永远纪念的日子。1953年6月30日，第一批试生产的300辆Corvette车在美国的Michigan投产。1954年，其生产地被移至美国的St.Louis。从1984年至今，Chevrolet Corvette车型一直在Bowling Green生产。 备注 课时：2 教 学 安 排 备注 当年谁也没有预料到的是，Chevrolet Corvette车型现己成为世界复合材料汽车的典范。自1953年推出此款车型以来，通用汽车公司目前己经售出了130万余辆。而更重要的是，作为世界上第一辆全复合材料车身汽车，Chevrolet Corvette引发了一场世界范围内应用复合材料的热潮：从车头到车尾，从内饰件到外饰件，从A级表面的车身面板到结构组装件，从皮卡车厢到发动机气门盖、油底壳，从传动轴到板弹簧等部件，复合材料在各种汽车零部件的应用中均显示出了无可比拟的优势：更低的模具投资成本、更低的汽车重量、更高的设计自由度以及更高的零部件集成度等等，这些引起了汽车制造业对复合材料的广泛关注。 追述复合材料在汽车工业中的应用历史，至今己有54年，其成功案例已不胜枚举。下面的一些典型案例简要地概述了国内外汽车复合材料的应用发展史。 1、国外汽车复合材料的应用历史 自1953年Chevrolet Corvette两座位跑车作为世界上第一辆全复合材料车身的车辆被推出以来，在世界范围内先后又有多款采用了复合材料的汽车问世：1963年，Studebaker公司推出了全复合材料车身的Avanti跑车，在1964年生产了1000辆之后停产；1970年，第一个格栅面板(GOP)应用于Pontiac公司的Tempest车型中，显示了SMC材料部件良好的集成功能；1986年，Cummin公司开发的SMC气门盖成为第一课时：2 教 学 安 排 个应用于发动机的引擎部件；1987年，Mercury Tracer公司展示了第一款高产量的复合材料保险杠，这是复合材料第一次应用于结构件；1989年，欧洲最先采用缠绕法制成了复合材料压缩天然气(CNG)气瓶，到目前为止，这种气瓶已在全世界范围内投入使用了至少80万套以上；1992年，复合材料板簧在美国正式投入商业化生产，广泛应用于重型卡车和牵引车上，重量仅为钢材板簧的1/3；1993年，VW公司首创Golf A3型汽车的GMT前端框架，日产量达到2000件；1995年，Ford公司的Taurus车型和Sable车型首次采用了SMC散热器支架，Lincoln Continental车型首先采用了柔性的SMC翼子板；1997年，Corvette车型首先采用了三明治结构的复合材料轻型车底盘，该轻型车底盘于2003年应用到Cadillac XLR车型中；2002年，Renault公司推出了Avantime车型，其车身的90%采用了SMC材料，整辆汽车使用的SMC材料达到90kg，最大日产量为350辆（如图2所示）；2003年，碳纤维的SMC复合材料首先成功批量应用于2003款的Dodge Viper车型（如图3所示）和mercedes Maybach车型的系列化生产中。 备注 图2 2002年Renault公司推出了全SMC车身的Avantime车