材料疲勞-汽車(chē)安全的大敵

    汽車(chē)故障的原因有千百種,其中有一種是使用者根本無(wú)法控制的,這就是由材料疲勞引起的結(jié)構(gòu)件失效。粗大結(jié)實(shí)的鋼鐵也會(huì)“疲勞”？確實(shí)如此。

    什么是金屬材料的疲勞？零件在受到超強(qiáng)作用力時(shí)可以發(fā)生變形或斷裂，就像人體遭受襲擊時(shí)可以發(fā)生骨折，但這不是疲勞破壞。疲勞失效是指材料在正常工作情況下，在長(zhǎng)期反復(fù)作用的應(yīng)力下所發(fā)生的性能變化。這些應(yīng)力的大小并沒(méi)有超出材料能夠承受的范圍，但是長(zhǎng)期反復(fù)的作用就會(huì)引起材料的疲勞。材料的疲勞破壞并不是一開(kāi)始就會(huì)被察覺(jué)的，它是一個(gè)緩慢的發(fā)展過(guò)程。例如一條發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸可以在投入運(yùn)行時(shí)間不太長(zhǎng)的時(shí)候就產(chǎn)生很小的疲勞裂紋，這些肉眼看不出來(lái)的裂紋會(huì)不斷擴(kuò)大，直到有一天曲軸忽然斷裂。就像人由于長(zhǎng)期工作積累的疲勞而一朝病倒。

    人類付出昂貴的代價(jià)才獲得了對(duì)材料疲勞的認(rèn)識(shí)。二次大戰(zhàn)后，英國(guó)的德-哈維蘭飛機(jī)公司設(shè)計(jì)制造了彗星號(hào)民用噴氣飛機(jī)，經(jīng)過(guò)一年使用，1953年5月2日一架彗星號(hào)客機(jī)從印度加爾各答機(jī)場(chǎng)起飛后不久在半空中解體；1954年1月10日，另一架彗星號(hào)在地中海上空爆炸；不到3個(gè)月，又一架彗星號(hào)在羅馬起飛后在空中爆炸。為了找到事故的原因，英國(guó)皇家航空研究院的工程師進(jìn)行了大量的研究工作，終于確認(rèn)罪魁禍?zhǔn)资亲�艙的疲勞裂紋。

    現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛采用“疲勞壽命”方法，設(shè)計(jì)階段已經(jīng)充分考慮了材料的疲勞問(wèn)題。但是，正如人體的疲勞因人而異，機(jī)器的疲勞是因機(jī)而異的。同一種型號(hào)的汽車(chē)，發(fā)生疲勞破壞的情況可能相差很遠(yuǎn)。有的到了報(bào)廢的年限，疲勞程度還不太嚴(yán)重；有的尚在壽命期限內(nèi)，卻發(fā)生了疲勞破壞。不同的使用方式也會(huì)導(dǎo)致機(jī)器不同的疲勞狀態(tài)。例如同一品種的富康車(chē)，做出租車(chē)與做私家車(chē)用，幾年下來(lái)其車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)有重大差別。為了避免疲勞破壞，要嚴(yán)格按照各類保養(yǎng)和修理期限對(duì)汽車(chē)進(jìn)行檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)。

    塑料在汽車(chē)上的應(yīng)用

    塑料是一種高分子材料，近年來(lái)在汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越多，巳由內(nèi)外裝飾件向車(chē)身復(fù)蓋件和結(jié)構(gòu)件方面發(fā)展。例如前照面、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、頂蓋、翼子板、車(chē)門(mén)內(nèi)護(hù)板和某些車(chē)身骨架構(gòu)件等。甚至有些大汽車(chē)公司正在用復(fù)合材料做承載力最大的底盤(pán)車(chē)架，例如福特汽車(chē)公司將在2001年將復(fù)合材料底盤(pán)應(yīng)用在一輛叫“探索者”的小皮卡樣車(chē)上。

    在過(guò)去30年間，汽車(chē)的塑料用量已從60年代初的10公斤左右上升到九十年代中的二百公斤，其增長(zhǎng)速度之快，主要是由于塑料的特性與人們對(duì)汽車(chē)的期望要求很搭配，因此“一拍而合”。塑料在汽車(chē)上的應(yīng)用有以下6大優(yōu)點(diǎn)：

    一、輕量化是汽車(chē)業(yè)追求的目標(biāo)，塑料在此方面可以大顯其威。一般塑料的比重在0.9-1.5之間，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比重也不會(huì)超過(guò)2.0，而金屬材料的比重A3鋼為7.6、黃銅為8.4、鋁為2.7。因此應(yīng)用塑料是減輕車(chē)體重量的有效途徑。

    二、塑料成型容易，可使形狀復(fù)雜的部件加工簡(jiǎn)單化。例如儀表臺(tái)用鋼板加工，往往需要先加工成型各個(gè)零件，再分別用聯(lián)接件裝配或焊接而成，工序較多。而用塑料可以一次加工成型，加工時(shí)間短，精度有保證。

    三、塑料制品的彈性變形特性能吸收大量的碰撞能量，對(duì)強(qiáng)烈撞擊有較大的緩沖作用，對(duì)車(chē)輛和乘員起到保護(hù)作用。因此，現(xiàn)代汽車(chē)上都采用塑化儀表板和方向盤(pán)，以增強(qiáng)緩沖作用。前后保險(xiǎn)杠、車(chē)身裝飾條都采用塑料材料，以減輕外物體對(duì)車(chē)身的沖擊力。另外，塑料還具有吸收和衰減振動(dòng)和噪聲的能力，可以提高乘坐的舒適性。

    四、通過(guò)不同組份搭配的復(fù)合材料有含硬質(zhì)金屬的顆粒復(fù)合材料，有以?shī)A層板材和樹(shù)脂膠合纖維為主的層板復(fù)合材料和以玻璃纖維、碳纖維為主的纖維復(fù)合材料，這些復(fù)合材料具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，可以代替鋼板制作車(chē)身復(fù)蓋件或結(jié)構(gòu)件，減輕汽車(chē)的重量。

    五、塑料耐腐蝕性強(qiáng)，局部受損不會(huì)腐蝕，而鋼材制件一旦漆面受損或者先期防腐做得不好就容易生銹腐蝕。塑料對(duì)酸、堿、鹽等抗腐蝕能力大于鋼板，如果用塑料做車(chē)身復(fù)蓋件，十分適宜在污染較大的區(qū)域中使用。

    六、根據(jù)塑料的組織成份，可以通過(guò)添加不同的填料、增塑劑和硬化劑來(lái)制出所需性能的塑料，改變材料的機(jī)械強(qiáng)度及加工成型性能，以適應(yīng)車(chē)上不同部件的用途要求。例如保險(xiǎn)杠要有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，而座墊和靠背就要采用柔軟的聚胺脂泡沫塑料。更方便的是塑料顏色可以通過(guò)添加劑調(diào)色產(chǎn)生不同的顏色，可以省去噴漆。有些塑料件還可以電鍍，例如ABS塑料具有很好的電鍍性能，可用于制作裝飾條、標(biāo)牌、開(kāi)關(guān)旋扭、車(chē)輪裝飾罩等。

    由于上述的優(yōu)點(diǎn)，以塑料為主的汽車(chē)應(yīng)當(dāng)會(huì)產(chǎn)生。但是，塑料也有自身的弱點(diǎn)，阻礙了其應(yīng)用的發(fā)展。一是改造成本問(wèn)題，如果從傳統(tǒng)的大規(guī)模機(jī)械加工方式轉(zhuǎn)為大規(guī)模的模塑加工方式，投資不菲，成本高昂。另一個(gè)更關(guān)鍵的問(wèn)題就是環(huán)境保護(hù)：材料能不能夠回收？金屬零件到一定時(shí)候就要回爐，而塑料制品能否回收再生，或在再生過(guò)程中又會(huì)不會(huì)污染環(huán)境？這些問(wèn)題有待解決，但不管怎樣說(shuō)，憑著人類的智慧，塑料汽車(chē)離人們并不遙遠(yuǎn)。

    鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用

    鎂Mg是一種輕質(zhì)的銀白色金屬，在空氣中加熱能夠燃燒并能發(fā)出強(qiáng)烈的火焰，節(jié)日放的煙花就含有鎂粉，在夜幕中會(huì)爆發(fā)出閃閃發(fā)亮的禮花。但在鎂材中添加一些其它的金屬元素，例如鋁、鋅或者鋁、錳等，它就會(huì)改變了自己的特征，變成了一種具有較高強(qiáng)度和剛度，具有良好鑄造性能和減振性能的輕質(zhì)合金材料，這些鎂合金材料在現(xiàn)代汽車(chē)中巳得到廣泛的應(yīng)用。

    從歷史上看，早在20世紀(jì)30年代就有大眾汽車(chē)使用鎂合金，由于鎂的價(jià)格上升才停止了使用。80年代初，由于采用新工藝，嚴(yán)格限制了鐵、銅、鎳等雜質(zhì)元素的含量，使鎂合金的耐蝕性得到了解決，同時(shí)成本下降又大大促進(jìn)了鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用。從90年代開(kāi)始，歐美、日本、韓國(guó)的汽車(chē)商都逐漸開(kāi)始把鎂合金用于許多汽車(chē)零件上。

    目前鎂合金一般用于車(chē)上的座椅骨架、儀表盤(pán)、轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向柱、輪圈、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、變速器殼、離合器殼等等零件，其中轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向柱、輪圈是應(yīng)用鎂合金較多的零件。隨著技術(shù)的發(fā)展將有更多的零件用鎂合金制造。

    鎂合金零件帶給汽車(chē)的好處是顯而易見(jiàn)的。

    一是它的質(zhì)量輕，其密度只有1.7，是鋁的2/3，鋼的1/4，換用鎂合金就能減輕整車(chē)重量，也就間接減少了燃油消耗量。

    二是它的比強(qiáng)度高于鋁合金和鋼，比剛度接近鋁合金和鋼，能夠承受一定的負(fù)荷。

    三是它具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性，客易加工，廢品率低，從而降低生產(chǎn)成本。四是它具有良好的阻尼系數(shù)，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用于殼體可以降低噪聲，用于座椅、輪圈可以減少振動(dòng)，提高汽車(chē)的安全性和舒適性。鎂合金雖然有這些優(yōu)點(diǎn)，但從成本上看它仍然偏高于鋁合金。盡管如此，鎂合金的應(yīng)用前景仍然看好：福特汽車(chē)公司已開(kāi)始用鎂合金來(lái)制造懸架零件、制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)鉗等；而日本1990年每輛汽車(chē)用鎂量?jī)H5公斤，預(yù)計(jì)2000年底將增至210公斤，占汽車(chē)重量的25%，僅次于鋁材而超過(guò)鋼鐵的重量。

    車(chē)用材料的新發(fā)展

    汽車(chē)材料的發(fā)展是汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的重要方面。材料是汽車(chē)質(zhì)量保障的基礎(chǔ)，在研制更經(jīng)濟(jì)、更安全和更輕便的汽車(chē)中，是關(guān)鍵的一環(huán)。這幾年，鋁合金、高強(qiáng)度鋼、合成塑料和陶瓷在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，已經(jīng)成為相互競(jìng)爭(zhēng)的對(duì)手。

    鋁合金是汽車(chē)上應(yīng)用得最快最廣的輕金屬，其中的關(guān)鍵在于鋁合金本身的性能。目前車(chē)用鋁合金已經(jīng)達(dá)到重量輕，強(qiáng)度高、耐腐蝕的要求，因此鋁合金車(chē)圈已經(jīng)廣泛使用，鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)也屢屢出現(xiàn)。德國(guó)奧迪汽車(chē)公司在1999年推出的奧迪A2，以全新的輕量化結(jié)構(gòu)，成為世界第一款大批量生產(chǎn)的全鋁轎車(chē)。奧迪A2的車(chē)身采用全鋁空間框架車(chē)身ASF。所謂ASF概念即儀表板部分由高強(qiáng)度鋁結(jié)構(gòu)支撐，空間構(gòu)架由真空壓鑄接頭的擠壓成型段組成，這兩者結(jié)合成很輕的鋁合金車(chē)身。從前頂柱到行李艙邊，包括車(chē)門(mén)手把坑都是用鋁沖壓成形，前柱A柱是采用高壓鑄鋁新技術(shù)，這是一種用于飛行器結(jié)構(gòu)的高難技術(shù)，它能夠復(fù)合加強(qiáng)并改變材料厚度。由于奧迪A2采用ASF空間結(jié)構(gòu)，使車(chē)身重量比傳統(tǒng)鋼制車(chē)身輕40%以上，只有895公斤。

    塑料由于重量輕，耐腐蝕、加工容易一直被汽車(chē)工程界所重視。塑料主要應(yīng)用在襯套、裝飾件及車(chē)身某些部件上�？墒侨藗兊淖非蟮哪繕�(biāo)是應(yīng)用在整個(gè)車(chē)身外殼上。目前，已經(jīng)有人搞出了一種接近真正意義上的塑料汽車(chē)，它就是戴姆勒-克萊斯勒公司生產(chǎn)的CCVCompositeConceptVehicle概念車(chē)，一種幾乎全塑的車(chē)身外殼。這款由克萊斯勒公司主持設(shè)計(jì)的概念車(chē)，車(chē)身外殼采用PET聚對(duì)苯二甲酸乙二酯材料模壓注塑成形，由4片模壓注塑成形的全塑片材兩片內(nèi)板件,兩片外板件在車(chē)身中心線處對(duì)接，形成整體式的車(chē)身結(jié)構(gòu)。車(chē)身材料含有玻璃增強(qiáng)纖維，加強(qiáng)車(chē)身的剛度和硬度，還含有穩(wěn)定劑、沖擊延展劑、顏色等添加劑。CCV全塑車(chē)身是目前世界上最大的注塑件，要求模具精度高，成型表面平整，而且要控制住塑性材料的流動(dòng)性，板塊粘合要求絕對(duì)可靠，CCV解決了這些技術(shù)難題，它通過(guò)新結(jié)構(gòu)新技術(shù)新工藝，開(kāi)創(chuàng)了全塑車(chē)身的發(fā)展之路。

    鋼鐵是汽車(chē)工業(yè)的傳統(tǒng)材料。但多年來(lái)也不斷開(kāi)發(fā)和更新品種，新的鋼材品種具有高強(qiáng)度的特點(diǎn)，由于強(qiáng)度增強(qiáng)可以相對(duì)減少用料，相應(yīng)減輕了汽車(chē)重量。將來(lái)最有前途的是雙相鋼和烘烤硬化鋼，因?yàn)樗鼈儞碛凶詈玫膹?qiáng)度和延伸性。一種由美日等多間鋼鐵企業(yè)計(jì)劃生產(chǎn)的輕型鋼所構(gòu)成的車(chē)身結(jié)構(gòu)，將使車(chē)身重量降低20%，并且符合各種性能指標(biāo)，包括優(yōu)良的抗碰撞性能。

    工程陶瓷主要用在發(fā)動(dòng)機(jī)上面。工程陶瓷不是不堪一擊的普通陶瓷，它具有良好的綜合性能，高溫強(qiáng)度高，耐磨性強(qiáng)，隔熱性好，密度比低、彈性模量高。因此用它代替金屬材料能大幅度提高熱機(jī)效率，降低能源消耗，從而達(dá)到汽車(chē)輕量化效果。目前，工程陶瓷已用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)和熱交換器零件。在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用主要有陶瓷活塞，陶瓷氣缸套、陶瓷配氣機(jī)構(gòu)零件、陶瓷燃燒室、增壓器陶瓷葉輪等。目前工程陶瓷材料存在的問(wèn)題是價(jià)格貴和成品率較低，解決這一問(wèn)題尚需時(shí)日。

    汽車(chē)鋁質(zhì)材料

    鋁是人們最熟悉的金屬之一。鋁制炊具，鋁制窗門(mén)等等，鋁做為日常生活中最常用的金屬，已經(jīng)深入人們生活的各個(gè)方面。而在汽車(chē)領(lǐng)域中，鋁材的廣泛應(yīng)用是近二十多年才出現(xiàn)的事情。

    從70年代起，轎車(chē)技術(shù)上最明顯的變化之一是大量啟用了輕型材料，出現(xiàn)了許多用鋁、塑料等做成的部件，其中鋁材用量最多，集中在車(chē)身構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)器、保險(xiǎn)杠、裝飾件、車(chē)座等部件上。據(jù)調(diào)查，94年美國(guó)生產(chǎn)的每輛轎車(chē)中，平均用鋁量為86.7公斤，比10年前增加了47%，汽車(chē)自重同20年前相比減輕了20%。由于轎車(chē)輕量化是節(jié)約燃料最重要的措施，現(xiàn)代轎車(chē)日益廣泛使用鋁材，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。例如轎車(chē)輪圈就是一個(gè)最明顯的例子，80年代初，大部分轎車(chē)還是使用鋼質(zhì)輪圈，而今絕大部分轎車(chē)都是用鋁合金輪圈了。

    由于鋁的比重只有鐵的三分之一強(qiáng)，質(zhì)量輕，而且鋁材幾乎可以全部回收，重新加工使用，對(duì)環(huán)境保護(hù)有好處。有些鋁合金材的物理性能已與車(chē)用鋼材相似，具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和剛度，成本也日趨降低。因此，按照目前的技術(shù)來(lái)減少轎車(chē)的重量，最有效的途徑就是采用鋁材等優(yōu)質(zhì)材料來(lái)代替鋼材。

    但是，鋁材應(yīng)用在汽車(chē)上會(huì)遇到許多技術(shù)上的難題，加工難度比鋼材要大得多。例如轎車(chē)車(chē)身大部分的工件都是靠沖壓成形，由于鋁材不是很平直的，如果用沖壓鋼板的方法去沖壓鋁板，會(huì)出現(xiàn)裂縫和褶皺。同時(shí)轎車(chē)車(chē)身大部分的工件都是用焊接組裝，由于鋁是熱的良導(dǎo)體，在焊接時(shí)需要用相當(dāng)于鋼板焊接時(shí)5倍的電流消耗量來(lái)熔化它。另外，在防腐處理和噴漆工藝上，鋁材都有自己的特殊要求，與眾不同。由于鋁材的應(yīng)用會(huì)涉及到整個(gè)造車(chē)材料、工藝技術(shù)和加工設(shè)備的更新改造，轎車(chē)趨向使用鋁材實(shí)際上就是汽車(chē)發(fā)展進(jìn)程中的一場(chǎng)技術(shù)革命。

    目前，轎車(chē)用鋁合金材已具有多種規(guī)格，有些新型的鋁合金材具有良好的沖壓性、可焊性和抗蝕性，具有一定的強(qiáng)度和鋼度，適用于制造剛度大的承載構(gòu)件，例如車(chē)身部分。近年日本汽車(chē)制造業(yè)開(kāi)發(fā)的一種新型鋁合金板材，內(nèi)含1%的鎂和硅，可以越烘越硬，其性能參數(shù)已與鋼板相似。

    日本本田公司生產(chǎn)的頂級(jí)跑車(chē)NSX，車(chē)身和部分底盤(pán)零件全部用鋁合金制做的，車(chē)體重量比用鋼材制造時(shí)減輕了140公斤，整輛轎車(chē)輕了200公斤，燃料消耗率降低了13%。

    目前全鋁車(chē)身還僅限于高檔轎車(chē)和跑車(chē)，隨著時(shí)間的轉(zhuǎn)移，制造成本的不斷下降，將會(huì)有更多型號(hào)的轎車(chē)車(chē)身和零部件應(yīng)用鋁合金材。據(jù)預(yù)測(cè)，隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，到下世紀(jì)初汽車(chē)的主要材料將由鋼材轉(zhuǎn)為鋁材，轎車(chē)的平均重量將會(huì)減輕35%。

    車(chē)用鋼板

    汽車(chē)車(chē)身外殼絕大部分是金屬材料，主要用鋼板�，F(xiàn)代汽車(chē)的鋼板用什么方式防銹？為什么有些轎車(chē)聲稱車(chē)身防銹蝕年限達(dá)10年以上？

    鍍鋅薄鋼板廣泛應(yīng)用在汽車(chē)上，這是因?yàn)樗�有良好的抗腐蝕能力。早年人們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，將鐵和鋅放人鹽水中，二者無(wú)任何導(dǎo)線聯(lián)結(jié)時(shí)，鐵和鋅都會(huì)生銹，鐵生紅銹，鋅生“白銹”；若在二者間用導(dǎo)線聯(lián)結(jié)起來(lái)，則鐵不會(huì)生銹而鋅生“白銹”，這樣鋅就保護(hù)了鐵，這種現(xiàn)象叫犧牲陽(yáng)極保護(hù)。工程師正是將這種現(xiàn)象運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)了鍍鋅鋼板。經(jīng)研究，在鍍鋅量350克／平方米單面時(shí)，鍍鋅鋼板在屋外的壽命生紅銹，田園地帶約為15一18年，工業(yè)地帶大約3一5年，這比普通鋼板長(zhǎng)幾倍甚至十幾倍。

    從20世紀(jì)70年代開(kāi)始轎車(chē)車(chē)身鋼板采用鍍鋅薄鋼板，裝配時(shí)鍍鋅面置于汽車(chē)內(nèi)側(cè)，提高車(chē)身耐蝕性能，非鍍鋅面置于汽車(chē)外側(cè)，噴涂油漆。隨著汽車(chē)對(duì)耐腐蝕性能的要求不斷提高，鍍鋅鋼板不斷增加鍍鋅層重量，還出現(xiàn)了雙層鍍鋅鋼板。但由于增加鍍鋅重量也會(huì)使電鍍鋅的電能消耗大幅增加，導(dǎo)致材料成本的上升，因此20世紀(jì)70年代末又出現(xiàn)一種采用熱浸鍍鋅工藝生產(chǎn)的鍍鋅鋼板，稱為熱鍍鋅鋼板。這種鍍鋅鋼板用連續(xù)熱鍍鋅工藝：冷軋板注*→加熱→冷卻至鍍鋅溫度→鍍鋅→冷卻→矯直。為了滿足汽車(chē)對(duì)鍍鋅鋼板的各種要求，一些生產(chǎn)廠家在鍍鋅生產(chǎn)線上對(duì)鍍鋅鋼板進(jìn)行擴(kuò)散退火等特殊處理，以使鋼板表面形成一種“鋅-鐵”合金鍍層，其特點(diǎn)是涂漆后的焊接性和耐腐蝕性比純鋅鍍層板要好。以后還出現(xiàn)了諸如“鋅-鋁-硅”、“鋅-鋁-錸”等合金化熱鍍鋅鋼板，使得熱鍍鋅鋼板的耐腐蝕性成倍提高，與油漆間的結(jié)合性能長(zhǎng)期穩(wěn)定。

    目前轎車(chē)已經(jīng)廣泛使用鍍鋅鋼板，采用的鍍鋅鋼板厚度從0.5至3.0毫米，其中車(chē)身復(fù)蓋件多用0.6至0.8毫米的鍍鋅鋼板。德國(guó)奧迪轎車(chē)的車(chē)身部件絕大部分采用鍍鋅鋼板部分用鋁合金板，美國(guó)別克轎車(chē)采用的鋼板80%以上是雙面熱鍍鋅鋼板，上海帕薩特車(chē)身的外復(fù)蓋件采用電鍍鋅工藝，內(nèi)復(fù)蓋件內(nèi)部采用熱鍍鋅工藝，可以使車(chē)身防銹蝕保質(zhì)期長(zhǎng)達(dá)11年。2001年4月14日

    注*：汽車(chē)車(chē)廂蒙皮板、車(chē)門(mén)、頂蓋、底板等復(fù)蓋件用薄鋼板均是冷軋板，大梁、橫粱、保險(xiǎn)桿等均是熱軋鋼。

    新型車(chē)身材料

    轎車(chē)車(chē)身材料主要是金屬薄鋼板，一般厚度在0.6毫米~2.0毫米。隨著現(xiàn)代轎車(chē)技術(shù)發(fā)展，轎車(chē)材料要求既有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度也要求重量要輕。采用鋁合金的車(chē)身材料是一條出路，因?yàn)殇X材比鋼材輕。但是，鋁材的加工成本高，而且沖壓及焊接技術(shù)要求比較特殊，以目前的技術(shù)尚不是一般廠家可以做得到的。因此除了個(gè)別轎車(chē)車(chē)身全部用鋁合金材外，大部分轎車(chē)還是局部零部件是用鋁合金，例如車(chē)圈、發(fā)動(dòng)機(jī)上蓋等。

    為了使鋼材能盡量減少重量又能保持一定的強(qiáng)度，冶金工程師經(jīng)過(guò)多方試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在低碳鋼內(nèi)加微量元素如鈮Nb或者鈦Ti，生成這些微量元素的碳化物，經(jīng)外理可使軋制鋼板的拉拉強(qiáng)度達(dá)420牛頓/毫米平方，能夠深拉延，變形性好，可制成很薄的鋼板，鋼板厚度可小到0.5毫米以下。在這些薄鋼板上通過(guò)電鍍等工藝，涂復(fù)鋅合金后再涂復(fù)一層塑料，既有鋼的高強(qiáng)度又有鋅、塑料等材料的耐腐蝕性，總質(zhì)量重量又等同于鋁合金，十分適宜汽車(chē)使用。目前這種具有耐腐蝕鍍層的高強(qiáng)度鋼板已應(yīng)用在現(xiàn)代轎車(chē)上。

    除了高強(qiáng)度薄鋼板外，現(xiàn)在還出現(xiàn)一種新型材料“泡沫金屬”。“泡沫金屬”是20世紀(jì)90年代末才出現(xiàn)的新型材料，但應(yīng)用速度很快，有些新車(chē)型已經(jīng)采用了這種材料。“泡沫金屬”主要指泡沫鋁合金，它由粉末合金制成。通常的粉末合金是用粉末壓制成形，或用金屬粉未及塑料的混合物注射模制成形。在除掉分型劑及增塑劑之后，將壓制的坯件燒結(jié)一種溫度在1000℃左右的熱處理方式，使它們具有一定的特性。燒結(jié)的性質(zhì)及應(yīng)用范圍在很大程度上取決于孔隙率的大小。泡沫鋁合金密度很小，當(dāng)承受很大的外力而變形壓縮后，當(dāng)外力撤去，憑著它自身的彈性可恢復(fù)到原來(lái)的形狀，有點(diǎn)象橡膠。

    專家認(rèn)為，若外來(lái)總能量假定為100%，泡沫鋁合金變形量為它的60%時(shí)，可承受外來(lái)總能量的60%。由于它本身具有一定的強(qiáng)度，可以經(jīng)過(guò)多次這樣的變形循環(huán)而不會(huì)損壞�！芭菽�金屬”的重量很輕，密度只是鋁合金材的1/4以下，熱膨脹系數(shù)與鋁合金材料一樣，熱導(dǎo)率又相當(dāng)?shù)�，加上它的變形恢�?fù)性能極佳，又有一定的強(qiáng)度，因此受到汽車(chē)業(yè)的重視，可以在輕量化及安全性方面顯示優(yōu)勢(shì)。

    目前用泡沫鋁合金做成的汽車(chē)零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、行李廂蓋、翼子板等。在安全性設(shè)計(jì)中，將泡沫金屬用作吸收碰撞能量的主要材料是十分適宜的。因?yàn)槟壳捌��?chē)的安全設(shè)計(jì)不但要考慮乘用人的安全，還要考慮到其外車(chē)輛及行人的安全，即當(dāng)一旦發(fā)生碰撞時(shí)既可最大程度地保護(hù)自己又要最大程度地保護(hù)他人，因此在車(chē)身易發(fā)碰撞區(qū)域采用泡沫金屬是一種很好的選擇。現(xiàn)在已有一種“三明治”式的夾心零部件，部件里面用“泡沫金屬”材料，外面再包裹上很薄的其它硬質(zhì)金屬材料，這樣使表面具有一定的硬度，牢固耐磨，內(nèi)部又能吸收變形能量�！芭菽�金屬”的種類也是比較多，除了泡沫鋁合金外，還有泡沫鋅合金、泡沫鋼等等，用處各異�！芭菽�金屬”在汽車(chē)上的應(yīng)用前景十分誘人。

    納米技術(shù)與汽車(chē)

    早在1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者理查德.費(fèi)曼預(yù)言，“人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造產(chǎn)品�！苯裉欤�費(fèi)曼這個(gè)預(yù)言巳經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)，這就是現(xiàn)在風(fēng)靡全球的納米技術(shù)。

    納米是一個(gè)計(jì)量單位。人們熟知的1米=1000毫米，而1毫米=1000000納米一百萬(wàn)納米，也就是說(shuō)，1納米=1/1000000毫米百萬(wàn)分之一毫米，這么微小再微小的空間，實(shí)際上就是組成物質(zhì)的基本單位，原子和分子的空間。自從80年代初發(fā)明了電子掃描隧道顯微鏡后，世界就誕生了一門(mén)以納米作單位的微觀世界研究學(xué)科-納米科學(xué)，在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)中對(duì)物質(zhì)進(jìn)行研究處理的技術(shù)則稱為納米技術(shù)。

    進(jìn)入90年代，納米科學(xué)得到迅速的發(fā)展，產(chǎn)生了納米材料學(xué)、納米化工學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)等等，由此產(chǎn)生的納米技術(shù)產(chǎn)品也層出不窮，并開(kāi)始涉及汽車(chē)行業(yè)。

    汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展有賴于材料技術(shù)的發(fā)展，而納米技術(shù)的應(yīng)用，為材料技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。專家預(yù)測(cè)，納米界面材料技術(shù)即超雙親性二元協(xié)同界面材料技術(shù)親水親油和超雙疏型界面材料技術(shù)疏水疏油，可以在任何材質(zhì)表面實(shí)現(xiàn)。因此，如果國(guó)產(chǎn)橡膠材料應(yīng)用上述技術(shù)，困擾國(guó)產(chǎn)汽車(chē)的漏油滲油現(xiàn)象等問(wèn)題將得到解決。

    汽車(chē)應(yīng)用塑料數(shù)量將越來(lái)越多。納米塑料可以改變傳統(tǒng)塑料的特性，呈現(xiàn)出優(yōu)異的物理性能：強(qiáng)度高，耐熱性強(qiáng)，比重更小。由于納米粒子尺寸小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，納米塑料可以顯示出良好的透明度和較高的光澤度，這樣的納米塑料在汽車(chē)上將有廣泛的用途。

    經(jīng)過(guò)納米技術(shù)處理的部分材料耐磨性是黃銅的27倍，鋼鐵的7倍，例如納米陶瓷軸承已經(jīng)應(yīng)用在奔馳等高級(jí)轎車(chē)上。

    目前我國(guó)已經(jīng)研制出一種用納米技術(shù)制造的乳化劑，以一定比例加入汽油后，可使象桑塔納一類的轎車(chē)降低10%左右的耗油量。更令人注意的是，納米技術(shù)應(yīng)用在燃料電池上，可以節(jié)省大量成本。因?yàn)榧{米材料在室溫條件下具有優(yōu)異的儲(chǔ)氫能力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在室溫常壓下，約2/3的氫能可以從這些納米材料中得以釋放，可以不用昂貴的超低溫液氫儲(chǔ)存裝置。

    納米做為一門(mén)新興技術(shù)，完全沒(méi)有必要去神化它，炒作它，科學(xué)技術(shù)就是科學(xué)技術(shù)，來(lái)不得半點(diǎn)虛假。它有許多方面還沒(méi)有被人們認(rèn)識(shí)，正因?yàn)槿绱�，納米技術(shù)在汽車(chē)方面的應(yīng)用是一個(gè)新課題，將會(huì)越來(lái)越受到行業(yè)人士的重視。

    科研人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微粒達(dá)到納米量級(jí)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一種新奇現(xiàn)象，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁、熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料的極大差異。根據(jù)納米材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把不同材料在納米尺度下進(jìn)行合成與組合，可以形成各種各樣的納米復(fù)合材料，例如納米功能塑料。

    一般塑料常用的種類有PP聚丙烯、PE聚乙烯、PVC聚氯乙烯、ABS方烯腈-丁二烯-苯乙烯、PA聚酰胺、PC聚碳酸酯、PS聚苯乙烯等幾十種，為滿足一些行業(yè)的特殊需求，用納米技術(shù)改變傳統(tǒng)塑料的特性，呈現(xiàn)出優(yōu)異的物理性能，強(qiáng)度高，耐熱性強(qiáng)，重量更輕。隨著汽車(chē)應(yīng)用塑料數(shù)量越來(lái)越多，納米塑料很可能會(huì)普遍應(yīng)用在汽車(chē)上。

    這些納米功能塑料最引起汽車(chē)業(yè)內(nèi)人士注意的有阻燃塑料、增強(qiáng)塑料、抗紫外線老化塑料、抗菌塑料等。

    阻燃塑料是以納米級(jí)超大比表面積的無(wú)鹵阻燃復(fù)合粉末為載體，經(jīng)表面改性可制成的阻燃劑，利用納米技術(shù)添加到聚乙烯中。由于納米材料的粒徑超細(xì)，經(jīng)表面處理后具有相當(dāng)大的表面活性，當(dāng)燃燒時(shí)其熱分解速度迅速，吸熱能力增強(qiáng)，從而降低基材表面溫度，冷卻燃燒反應(yīng)。同時(shí)當(dāng)阻燃塑料燃燒時(shí)，超細(xì)的納米材料顆粒能覆蓋在被燃材料表面并生成一層均勻的碳化層，此碳化層起到隔熱、隔氧、抑煙和防熔滴的作用，從而起到阻燃作用。這種阻燃塑料具有熱穩(wěn)定性高，阻燃持久、無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，消除了普通無(wú)機(jī)阻燃劑由于添加量大對(duì)材料力學(xué)性能和加工材料污染環(huán)境帶來(lái)的缺陷，可以取替有毒的溴類、銻類阻燃材料，有利環(huán)境保護(hù)。目前汽車(chē)設(shè)計(jì)要求規(guī)定，凡通過(guò)乘客座艙的線路、管路和設(shè)備材料必須要符合阻燃標(biāo)準(zhǔn)，例如內(nèi)飾和電氣部分的面板、包裹導(dǎo)線的膠套，包裹線束的波紋管、膠管等，使用阻燃塑料能夠輕易達(dá)到要求。

    增強(qiáng)塑料是在塑料中填充經(jīng)表面處理的納米級(jí)無(wú)機(jī)材料蒙脫土、CaCO3、SiO2等，這些材料對(duì)聚丙烯的分子結(jié)晶有明顯的聚斂作用，可以使聚丙烯等塑料的抗拉強(qiáng)度、抗沖擊韌性和彈性模量上升，使塑料的物理性能得到明顯改善。增強(qiáng)增韌塑料可以代替金屬材料，由于它們比重小，重量輕，因此廣泛用于汽車(chē)上可以大幅度減輕汽車(chē)重量，達(dá)到節(jié)省燃料的目的。這些用納米技術(shù)改性的增強(qiáng)增韌塑料，可以用于汽車(chē)上的保險(xiǎn)杠、座椅、翼子板、頂蓬蓋、車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、行李艙蓋等，某至還可用于變速器箱體、齒輪傳動(dòng)裝置等一些重要部件。

    抗紫外線老化塑料是將納米級(jí)的TiO2、ZnO等無(wú)機(jī)抗紫外線粉體混煉填充到塑料基材中。這些填充粉體對(duì)紫外線具有極好的吸收能力和反射能力，因此這種塑料能夠吸收和反射紫外線，比普通塑料的抗紫外線能力提高20倍以上，據(jù)報(bào)道這類材料經(jīng)過(guò)連續(xù)700小時(shí)熱光照射后，其擴(kuò)張強(qiáng)度損失僅為10%，如果作為暴露在外的車(chē)身塑料構(gòu)件材料，能有效延長(zhǎng)其使用壽命。

    抗菌塑料是將無(wú)機(jī)的納米級(jí)抗菌劑利用納米技術(shù)充分地分散于塑料制品中，可將附著在塑料上的細(xì)菌殺死或抑制生長(zhǎng)。這些納米級(jí)抗菌劑是以銀、鋅、銅等金屬離子包裹納米TiO2、CaCO3等制成，可以破壞細(xì)菌生長(zhǎng)環(huán)境。據(jù)介紹無(wú)機(jī)納米抗菌塑料加工簡(jiǎn)單，廣譜抗菌，24小時(shí)接觸殺菌率達(dá)90%，無(wú)副作用。高效的抗菌塑料可以用在車(chē)門(mén)把手、方向盤(pán)、座椅面料、儲(chǔ)物盒等易污垢部件，尤其是公交車(chē)扶手采用無(wú)機(jī)納米抗菌塑料，可以大大減少疾病的傳播，改善車(chē)上衛(wèi)生條件。

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