第5章 汽车常用非金属材料 （教案）-《汽车机械基础》同步教学（机工版.第3版）

课 时 计 划 序号 专业及班级 授 课 类 型 讲 授 月 日 讲授 （180＇） 课 题 第5章 汽车常用非金属材料 课 时 教 学 目 的 1. 掌握非金属材料的概念及分类； 2. 熟悉工程塑料的种类、特性及在汽车中的应用； 3. 熟悉复合材料的种类、特性及在汽车中的应用； 4. 了解橡胶及陶瓷材料在汽车中的应用； 5. 了解车用玻璃的种类、特点及应用； 6. 能正确识别汽车重要零部件应用的非金属材料。 重 点 与 难 点 重点：非金属材料的种类、特性及在汽车中的应用 难点：识别汽车重要零部件应用的非金属材料 时 间 内容及讲授方法 教 具 5＇ 120＇ 60＇ 25＇ 组织教学及新课导入 一、工程塑料及其在汽车中的应用 二、其他非金属材料及其在汽车中的应用 小结及习题 检 查 意 见 签字 任课教师： 板 书 设 计 （I） 第5章 汽车常用非金属材料 一、工程塑料及其在汽车中的应用 1、分类 2、特性 3、应用 二、其他非金属材料及在汽车中的应用 1、橡胶材料 2、陶瓷材料 3、复合材料 4、车用玻璃 5、汽车上的主要非金属材料零部件 板 书 设 计 （II） 课 后 小 结 作 业 授 课 内 容 教案 （副页） 5.1工程材料的性能及其在汽车中的应用 *非金属材料指工程材料中除金属材料以外的其他一切材料。 *机械工程中常用的非金属材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料。 *高分子材料又分为工程塑料、合成纤维、橡胶、胶粘剂、涂料。 一、工程塑料简介 工程塑料主要指强度、韧性和耐磨性较好的，具有价廉、耐蚀、降噪、美观、质轻等特点，可用于汽车保险杠、汽车内饰件、高档车用安全玻璃、仪表板等零部件。 合成纤维是指单体聚合而成具有很高强度的高分子材料，如尼龙、聚酯等，用于汽车坐垫、安全带、内饰件等。 橡胶具有高的弹性和回弹性，一定的强度，优异的抗疲劳，良好的耐磨、绝缘、隔声、防水、缓冲、吸振等特点，用于制造汽车的轮胎、内胎、防振橡胶、软管、密封带、传动带等零部件。 二、工程塑料的性能及在汽车中的应用 常用工程塑料包括热塑性工程塑料（PE、PP、PVC、ABS、PS、PA、POM、PC等）和热固性工程塑料（酚醛树脂PF、氨基树脂UF、环氧树脂EP等）。 1、工程塑料的特性 质轻、比强度高。化学稳定性好。优异的电绝缘性。减摩、耐磨性好。消声和吸振性好。塑料轴承和齿轮工作时平稳无声，大大减小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。成形加工性好。.耐热性差。多数塑料只能在100℃左右使用，少数品种可在200℃左右使用；易老化，导热性差，约为金属的1／500；热膨胀系数大，约为金属的3至10倍。 2、主要热塑性塑料的性能及应用 （1）聚丙烯塑料（PP） （2）聚氨酯（PU） （3）聚氯乙烯塑料（PVC） （4）聚乙烯（PE） （5）ABS树脂（ABS） （6）丙烯酸树脂（PMMA） （7）聚酰胺（PA） （8）聚甲醛（POM） 5.2其他非金属材料及在汽车中的应用 一、橡胶材料 橡胶是一种有机高分子材料。橡胶种类有：天然橡胶和合成橡胶两大类，其中汽车上常使用的合成橡胶有：苯乙烯丁二烯橡胶（SBR)、丁腈橡胶（NBR)、氯丁橡胶（CR）、聚氨脂橡胶（CR）、乙丙橡胶等。 橡胶的特性： 1.耐热性.即在高温下长期使用，其性能保持基本不变的特性称耐热性。 2.耐候性。能在各种气候条件下（日晒、雨淋、霜、雾等）其性能保持不变的特性称耐候性，氯丁橡胶、硅橡胶等具有良好的耐候性。 组织教学 导入：提问汽车中控台的材料，总结导入新课。 PPT演示主要热塑性塑料的性能及应用图表。 No 1 授 课 内 容 教案 （副页） 3.耐油性。橡胶在各种油渍中工作时不会引起橡胶性能的恶化或破坏称耐油性。 4.缓冲、吸振性。橡胶具有一定的弹性，可以吸收能量，因此能起缓冲、吸振作用。 5.耐磨和耐弯折性。 橡胶在汽车上的应用广泛。车身橡胶制品多用于减振和密封，如制作油封、密封条、防尘套、橡胶垫片、弹簧等。橡胶是轮胎的主要材料，载重汽车的轮胎以天然橡胶为主，轿车轮胎则以合成橡胶为主。车用胶管包括水、气、燃油、润滑油、液压油等的输送管通常采用丁腈橡胶、氯丁橡胶等材料制造。 二、陶瓷材料特性及在汽车中的应用 陶瓷是所有无机非金属材料的简称，主要指陶瓷和玻璃。金属、工程塑料和陶瓷是现代工业的三大支柱材料。 1.陶瓷的特性 （1）高硬度，决定了它具有优异的耐磨性、不易变形。 （2）高熔点，决定了它具有杰出的耐热性。 （3）高化学稳定性，决定了它具有良好的耐蚀性、绝缘性好。 （4）脆性大。 2.陶瓷的分类 按原料不同，陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷；普通陶瓷也称传统陶瓷，其原料是天然的硅酸盐产物，如粘土、长石、石英等。这类陶瓷又称硅酸盐陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、等。特种陶瓷原料是人工合成的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等，具有一些独特的性能，能满足工程结构的特殊需要。 日用陶瓷 氧化铝特种陶瓷 3.陶瓷在汽车中的应用 柴油机中使用了陶瓷活塞，提高了热效率，改善了噪声和排放情况。汽油机中采用新型陶瓷涡轮增压器，正进行研究有：采用新型陶瓷活塞销活塞环等。 三、复合材料及其在汽车中的应用 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固体材料。复合材料综合了各组成材料的优点，且具有单一材料无法达到的优良综合机械性能。 PPT演示汽车中应用的陶瓷零部件。 No 2 授 课 内 容 教案 （副页） 1.复合材料的分类 （1）按用途：复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要用于制作承力结构。功能复合材料指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料，即具有各种电学性能、磁学性能、光学性能、声学性能、摩擦性能、阻尼性能以及化学分离性能等的复合材料。 （2）按基体材料类型分：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、铁、镁、铜、钛及其合金，如铝基复合材料、铁基复合材料等。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。 （3）按增强材料种类分：按增强材料种类复合材料分为玻璃纤维复合材料、有机纤维复合材料、金属纤维材料、陶瓷纤维复合材料。 （4）按增强材料形态分：按增强材料的形态不同分为连续纤维复合材料、短纤维复合材料、粒状填料复合材料和编织复合材料。 2.复合材料的性能 （1）比强度和比刚度较高。 （2）力学性能可以设计，便于实现具有最佳性价比的汽车构件的开发和制造。 （3）抗疲劳性能好。复合材料疲劳断裂是从基体开始的，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化，提高了安全性。 （4）减振性能好，耐高温。 （5）安全性好。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维，构件超载时，少量纤维断裂不会导致整个构件短时间内丧失承载能力。 （6）成型工艺简单，成型固化后残余应力小。 3.汽车常用复合材料 （1）纤维增强塑料（FRP）。 FRP是汽车轻量化的重要材料。FRP由纤维、树脂及填充料三部分组成。其中纤维包括玻璃纤维、碳纤维、陶瓷短纤维等；树脂包括聚丙烯塑料（PP）、聚乙烯塑料（PVC）、聚二烯塑料（PE）、ABS等不饱和热塑性树脂；填充料常用中空的玻璃微球、陶瓷微球和有机物微球。 ①碳纤维增强塑料（CFRP）。利用CFRP制作的汽车部件有车身外板零件、挡泥板、行李箱盖、散热器装饰护栅、带加强筋的发动机罩、配电盘、车顶盖、保险杠等。 ②玻璃纤维增强塑料（GFRP）。GFRP俗称玻璃钢，是一种以玻璃纤维为增强不饱和聚酯、环氧树脂或酚醛树脂为基体材料的复合材料。汽车中利用GFRP制作的零部件有发动机汽缸盖、轴承、齿轮、仪表盘、前后车灯、空气调节器叶片等。 3）SMC复合材料 SMC复合材料即片状模塑料，属于一种玻璃钢。主要原料由GF(专用纱)、UP(不饱和树脂)、低收缩添加剂、MD(填料)及各种助剂组成。 SMC复合材料具有高比强度，高比模量。SMC比重为1.7-1.9g/cm3，代替金属材料有明显的减重效果；其次，SMC制品的可设计性强，通过优化结构可整体成型，减少二次装配热膨胀系数低，尺寸稳定；第三，SMC的耐电 PPT演示纤维增强塑料实物。 PPT演示碳纤维引擎盖、保险杠等。 No 3 授 课 内 容 教案 （副页） 解液、耐酸、耐碱性比金属材料如钢、铝要好的多永不会生锈；第四，减震性好，耐冲击，共振小。绝缘性能优于金属材料，阻燃性能可以达到V0级。2.金属基复合材料（MMC） 金属基复合材料是以陶瓷（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为增强材料，金属（如铝、镁、钛、镍、铁、桐等）为基体材料而制备的。应用FRM制作的汽车零部件主要有气缸体、连杆、活塞环、活塞销等。 · 汽车用发泡材料 发泡材料是一种具有空气孔隙的材料，可以在制造过程中产生气泡并增大体积，属于一种复合材料。它具有低密度、轻质、隔热、吸音等特点。发泡材料主要分为两类：一种是以塑料为基料的发泡材料，另一种是以金属为基料的发泡材料。发泡材料具有质轻、耐水、耐腐蚀、隔热、隔音、减震、易于加工等特点，被广泛用于制造汽车的保险杠、仪表台、顶棚内饰、车门内饰等。汽车工业中应用的发泡材料主要有PU泡沫、EPP（发泡聚丙烯）、交联PE发泡材料、橡胶发泡材料（CR泡棉、EPDM泡棉）、硅胶发泡材料、泡沫铝等。 新能源汽车中常用聚氨酯泡棉为电池包、电动机和车门等部位做隔音处理，EPDM橡胶泡棉常被用来填充汽车某些设备的空腔，用于吸音降噪。液态发泡硅材料目前主要被应用于新能源动力电池包密封、动力电池热管理系统支撑防护、动力电池保温材料、动力电池绝缘缓冲等。 泡沫金属是一种新型多功能材料，具有孔隙率高、比表面积大、高比强度、高比刚度、吸能、阻尼减震性能好、耐腐蚀、耐高温、电磁屏蔽、无毒、易加工、可进行涂装表面处理等一系列优良性能，既可作为结构材料也可作为功能材料应用。泡沫铝因其密度低、刚度高，具备优秀的吸能和缓冲绝缘性能，可用于填充汽车发动机支架和构件，起到了很好的吸声和减振效果。 泡沫铝材料 汽车上的泡沫铝防撞梁 四、车用玻璃 玻璃是一种非晶态固体，它是以石英砂、纯碱、石灰石等为主要原料，并加入某些金属氧化物等辅料在1550-1600℃高温下熔融后经拉制或压制而成的。 汽车玻璃是汽车的车身附件，起到防护作用。汽车玻璃是由玻璃原片经 No 4 授 课 内 容 教案 （副页） 过二次加工而成的。汽车的玻璃都是安全玻璃，其可见性、强度和耐磨性等由相关的国家标准和行业标准规定。汽车安全玻璃分为夹层玻璃、钢化玻璃和区域钢化玻璃三种。 1.夹层玻璃 夹层玻璃是由两层或两层以上玻璃胶合而成的，它之所以安全是由于在玻璃之间有一层PVB胶片（一种粘合性、柔韧性很强的高分子材料）。当玻璃碎裂时，PVB胶片会把玻璃碎片粘片在一起，使玻璃碎片不致散落而伤人，并保证司机有一定的视野来片理紧急情况。 夹层玻璃结构 2.钢化玻璃 钢化玻璃是由原片玻璃加热到接近软化温度时进行骤冷淬火而成的玻璃制品。钢化玻璃遇有破坏性外力冲击，造成玻璃破裂时，不会形成锋利的刀口，而是碎裂为许许多多的小碎片。 3.区域钢化玻璃 普通钢化玻璃由于破碎时会化为一堆碎末儿，像瀑布一般泻落，阻断司机的视线，不利于应急处理情况，因此不宜作前风挡。区域钢化玻璃是分区域控制钢化程序的钢化玻璃，破坏时，有的部分碎片大，有的部分碎片小。用它作汽车的前风挡，安全性不如夹层玻璃，但成本较低。 4.特殊夹层玻璃 （1）中空玻璃。中空玻璃由两片或多片玻璃组成，玻璃间用内部充有干燥剂的空心铝管等隔离，同时中空部分充入干燥空气或惰性气体，并进行密封处理的一种特殊玻璃。 是一种隔热、隔音的新产品，如果用镀膜中空玻璃，则可获得冬暖夏凉的最佳效果，一般应用于高档客车的侧窗上。 （2）防弹玻璃。防弹玻璃是两层以上的玻璃（或钢化玻璃）经过夹层而获得的一种具 有防子弹穿透功能的专用玻璃。 （3）除霜玻璃。除霜玻璃采用网板印刷制法将导电性胶印制在玻璃上，在玻璃加热成型时黏附，印刷电路可加热玻璃起到除霜作用。 （4）调光夹层玻璃。光夹层玻璃是一种光的透射率和散射度可变的玻璃，能实现遮挡太阳能、适当地采光、隐蔽保护等功能。典型的调光玻璃有镀铬玻璃（EC）、热玻璃（TC）、光致变色玻璃（PC）和液晶玻璃（LC）。 PPT演示汽车各种玻璃的应用，识别各种车用玻璃。 PPT演示汽车上的主要非金属材料零部件。 No 5 授 课 内 容 教案 （副页） 现代汽车玻璃的发展趋势是安全、美观、多功能、轻而薄。为减轻驾驶员的视疲劳，目前许多国家都普遍采用青铜色玻璃。汽车玻璃也逐渐向轻量化发展，目前的钢化玻璃已由原来的6mm减到3.2～3.5mm，夹层玻璃由6mm减到4.7mm，有些国家应用的夹层玻璃只有4mm厚。 汽车玻璃的应用 五、应用非金属材料的汽车主要零部件 思政：结合汽车玻璃的技术进步，对学生进行科技强国教育。 PPT演示非金属材料的汽车主要零部件，强化学生对非金属材料在汽车上的应用实例的识记。 No 6 学科网（北京）股份有限公司 $$