新型汽车材料.docx

新材料在汽车上的应用
学习内容
1 复合材料
2 发汗材料
3 形状记忆合金
4 超塑性合金
5 超导材料
6 太阳能材料

1 复合材料
􀁡在传统汽车上，只有1%的汽油用于运送乘客，其余都用于驱动汽车本身运动。
􀁡方案：提高燃油效率+减轻汽车自重
1.1 什么是复合材料？
两点特征：
􀁠复合材料是多相体系（由两种或两种以上的不同物质组成）；
􀁠它们的组合必须具有复合效果（即复合材料比单一组成的材料具有更好的综合性能），从而实现强－强联合。
天然复合材料：竹子、木材，贝壳、骨骼、肌肉等

1.4 复合材料的特性
1）比强度、比模量高

几种典型材料的比强度、比模量对照图
2）抗疲劳性能好
多数金属材料的疲劳极限只有其抗拉强度的40 ～50%，而碳纤维/树脂复合材料则可达到70 ~ 80%。

3）减振性能好
4）使用安全性高
5)耐热性能好
6）性能具有可设计性
复合材料在汽车上应用
国外Lotus、GM、Citroen等著名汽车制造厂商都投入大量人力、物力开展复合材料技术在汽车上的应用研究,复合材料在汽车上的应用包括外装件以及承力结构部件,近年来高性能复合材料汽车板簧、驱动轴及全复合材料车身等技术也研究成功并投入应用。
福特公司所做的研究表明,复合材料可以将零部件的数量减为原来的80%,加工费用相对钢材降低60%,粘结费用相对焊接减少25%到40%。
日产布尔巴特汽车前端板,用钢板制造时由20多个零件组成,而用复合材料只需7个零件。
Audi 乘用车多功能支架、仪表板托架、座椅骨架、发动机护板、蓄电池托架均改用玻璃钢制造。

汽车板簧 刹车盘

保险杠

塑料进气歧管是近几年发展起来的新技术,与铝合金铸造的进气歧管相比,具有重量轻、内表面光滑、减震隔热等优点,因此在国外汽车上得到广泛应用
材料：全部是玻纤增强PA66或PA6
工艺：主要采用熔芯法或振动摩擦焊法

2 发汗材料
火箭尾喷管喉衬，3000度以上高温、气速1000m/s、经受固体颗粒冲刷
先将高熔点金属（钨：熔点3410℃）制成骨架，再渗入低熔点金属（铜：熔点1083℃、沸点2595℃），制备成复合材料。使用时利用铜的熔化与汽化带走大量的热，使尾喷管喉衬的温度维持在钨骨架所能够承受的温度之下。

3 形状记忆合金
当温度、受力、受热及电压等影响时，形状、强度及刚性等发生变化时，合金材料的形状会发生改变。通用汽车利用形状记忆合金实现可动把手、格删、气坝。

这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构。如含有Ti和Ni各为50％的记忆合金，有两种晶体结构，一种是菱形的，另一种是立方体的，这两种晶体结构相互转变的温度是一定的。高于这一温度，它会由菱形结构转变为立方体结构；低于这一温度，又由立方体结构转变为菱形结构。晶体结构类型改变了，它的形状也就随之改变。
铜-锌、金-镉、镍-铝约20种合金，其中“记忆力”最好的是NTi合金.

4 超塑性材料

这种具有象拉面般柔软的金属叫做超塑性合金。
最初发现的超塑性合金是锌与22％铝的合金。1920年，德国人ROSENHAIN在Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近180º。于是发现这种合金经冷轧后具有暂时的高塑性。
1928年英国物理学家森金斯下了一个定义：凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，而且其应变速度为每秒10毫米时产生300％以上的延伸率，均属超塑性现象。1945年苏联包奇瓦尔等针对这一现象提出了“超塑性”这一术语。

超塑性成形技术－体积成形
超塑性体积成形包括不同的方式（例如模锻、挤压等）。
超塑性体积成形中模具与成形件处于相同的温度，因此它也属于等温成形的范畴，只是超塑性成形中对于材料，对于应变速率及温度有更严格的要求。

柴油机连杆模锻件
俄罗斯超塑性研究所首创的回转等温超塑性成形的工艺和设备在成形某些轴对称零件时具有其他工艺不可比拟的优越性。
利用自由运动的辊压轮对坯料施加载荷使其变形，使整体变形变为局部变形，降低了载荷，扩大了超塑性工艺的应用范围。他们采用这样的方法成形出了钛合金、镍基高温合金的大型盘件以及汽车轮毂等用其他工艺难于成形的零件。

铝合金轮毂

哈工大材料学院张凯锋教授等专家与北京卫星总装厂合作，利用超塑性研究的先进技术，科学地解决了支撑椅的难题，为航天员提供最轻的太空椅提供了技术保障。
5 超导材料
1911年，荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到４.２K时发现水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性。
1962年，年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，他提出在超导结中，电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时，除直流超导电流之外，还存在交流电流，这个现象称作交流约瑟夫逊效应。
1973年，铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，该记录保持了13年
1986年，瑞士苏黎士的美国IBM公司的研究中心报道了（镧－钡－铜－氧）可能具有35K的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念。
1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢（40K）的“温度壁垒”被跨越。
1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮（77K）的禁区也奇迹般地被突破了。
1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。
应用：
大电流应用（强电应用）——超导发电、输电和储能
电子学应用（弱电应用）——超导计算机、超导天线、超导微波器件

抗磁性应用大电流应用——磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
6 太阳能材料
太阳能电池：
硅太阳能电池；
以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；
功能高分子材料制备的大阳能电池；
纳米晶太阳能电池等——纳米TiO2晶体化学能
太阳能电池材料一般的要求：
半导体材料的禁带不能太宽；
要有较高的光电转换效率：
材料本身对环境不造成污染；
材料便于工业化生产且材料性能稳定。