新型材料在机械中的应用

新型材料在机械中的应用

摘要：目前工程机械尽管在发动机技术、底盘系统、操作环境等设施中不断改进，性能已有一定的提升，但仍存在许多薄弱环节。尤其是一些配件易疲劳磨损、密封性差等缺点，影响着整机的使用性能，尚需改进。目前各种机械配件基本上采用传统的各种合金钢，其优点有强度和弹性模量高、韧性好、各向受力均匀、可靠性高、对动载的适应性强以及设计计算理论成熟等，但重量大、机动性差、耐腐蚀性差、维修保养费用高等缺点也很明显，特别是重量大引起的一系列问题，如不良作业环境的适应性差、不利于机动灵活等等。通过分析传统材料的不足和新型材料的优点，本文着重探讨三种新型材料（复合材料，陶瓷材料，纳米材料）在机械工程中的应用。

关键词：复合材料 陶瓷材料 纳米材料 机械工程 应用

正文：

一，复合材料在机械工程中的应用

1 复合材料的组成及其性能

复合材料由两种或两种以上物理，化学性质差异较大的材料组成，它综合各组成材料的优势，克服各自缺点。复合材料综合了增强体高强度，高刚度和基体高塑性，高韧性的优势，具有以下性能特点：（1）高比强度，比弹性模量（2）高耐磨性，减摩性（3）高冲击韧性，高疲劳性能（4）高温性能良好。由于性能优异，复合材料在许多领域已得到广泛应用。但现今机械装备业中，仅有密封及耐磨部件等少部分装置中采用了复合材料，因此研究如何将复合材料应用于工程机械，从而改进现有机械的性能，有着重要的实际意义。

2在机械内燃机系统上的应用

工程机械内燃机长期工作在高温高压下，活塞与活塞环、缸壁间不断产生摩擦，润滑条件不充分，工作条件非常恶劣，尤其是在大功率的发动机中，普通的铸铁或铝合金活塞易发生变形、疲劳热裂。可采用：

(1)陶瓷纤维增强金属基复合物，如陶瓷增强铝基复合材料的耐磨性已达到最好材料Ni—resist铸铁的水平，国外推出了氧化铝纤维增强铝镁合金制造的活塞，高温强度和抗热疲劳性能明显提高，并具有较低的线膨胀系数（1）

(2)金属基复合材料，比一般的金属材料耐磨性可提高50％左右，耐热性也有极大提高，而且改善了发动机活塞的强度；

(3)碳化硅颗粒或晶须增强铝也正在试用制造发动机活塞，其耐热性、耐磨性和强度均佳。在活塞头的局部或全部采用复合材料后可以提高活塞工作稳定性和使用寿命，降低油耗和废气排放量，解决目前工程机械发动机功率大、活塞易磨损的突出现象，有广阔的应用前景。

3在车体、工作装置及部分零部件上的应用

1984年，碳纤维复合材料已成功地用于制造汽车的主动轴、弹簧、发动机盖、离合器磨擦片、支架推杆、制动盘及其总成等，但其存在易变形、磨损等缺点，采用碳纤维改性材料与金属基体的复合物，可提高使用寿命，降低维护和修理的费用。在保持原有的结构性能、不影响作业性能的情况下适当采用复合材料如玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)做成车身骨架可使传统的钢质车身骨架减重，最多可减轻20％ ～30％，这将提高机械车辆的机动

性和作业效能。若由于作业要求需保持原有重量，也可在部分采用复合材料车身后加装其它设备。

二，陶瓷材料在机械工程中的应用

1用陶瓷材料制造切削刀具

切削加工直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。新型陶瓷刀具以其优异的性能给机械加工工艺带来革命性的变化。这些变化如下。

(1)可以加工传统刀具难以加工或根本加工不动的高硬材料，例如硬度高达65～ 68HRC:的各类淬硬钢和硬化铸铁，因而可以免除退火加工所消耗的电力;也可提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命（2）。

(2)不仅能对高硬度材料进行粗精车加工，也可进行铣削，刨削，断续切削和毛坯拨荒粗车等冲击力很大的加工。

(3)可以进行高速切削，可实现对高硬度材料的“以车铣代磨”，因而可以简化加工工艺和提高加工效率3～10倍，达到节约工时、电力、机床数和生产面积30%～70%或更高的效果。

(4)采用地壳中最丰富的元素Si为原料，可节省大量战略性贵重金属W， Co等。

2用陶瓷材料制造轴承

传统的轴承多采用金属制成，以油作为润滑介质。但在使用中有许多缺点，如不适用

于高温、高速、有化学腐蚀的场合，油润滑易泄漏污染环境等。采用陶瓷材料制造轴承可以弥补金属轴承的不足。Si3N4以其优良的性能成为制造陶瓷滚动轴承的首选材料，已经在高速车床、航空航天发动机、化工机械和设备等许多领域得到了应用。

陶瓷轴承有如下优点：

1)高速：陶瓷的重量仅为同体积钢重量的40％，这样就能减少离心载荷与打滑，使陶瓷轴承比传统轴承转速提高20％ ～40％。

2)长寿命：陶瓷材料的硬度比钢的硬度高得多，硬度高能减少磨损。此外陶瓷还具有较高的抗压强度，根据特定材料和试验类型，大约是钢的5—7倍。当轴承中有杂质时，陶瓷轴承很少产生剥落失效，因此陶瓷．轴承通常具有更长的使用寿命。

3)低发热：陶瓷的摩擦系数大约为钢的30％ ，因此陶瓷轴承产生的热量较少，这样可延长轴承的寿命。

4)低热膨胀：氮化硅的热膨胀大约是钢的20％ ，故有益于在温度变化大的环境中使用。但是在轴和轴承座选择钢材时，必须采取相应措施以适应其配合度。

5)耐腐蚀：陶瓷材料不活泼的化学特性使陶瓷轴承具有优良的耐腐蚀性。

6)绝缘：陶瓷材料不导电，可使轴承及轴承座免遭电弧损伤。

7)耐高温：陶瓷轴承允许的工作温度为1 090摄氏度，陶瓷材料即使在高温下强度和硬度也不会降低，所以对用在高温环境中的轴承来说，该材料是非常有利的。

三，纳米材料在机械工程中的应用

1 纳米材料的特性和应用

纳米是一米的十亿分之一，纳米材料由纳米微粒组成，纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺寸在1-100nm之间。由于尺寸微小，纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常粒子，由纳米微粒组成的纳米材料具有四大特征:量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应和体积效应，从而具有传统材料所不具备的物理和化学性能。由于纳米材料的特殊性能，纳米材料在陶瓷领域、微电子领域、光电领域、化工领域、医学领域有着具大的应用潜力，

2纳米材料在车用塑料橡胶中的应用

汽车制造中应用的塑料数量将越来越多。纳米塑料可以改变传统塑料的特性，呈现出优异的物理性能：强度高，耐热性强，比重更小。由于纳米粒子尺寸小于可见光的波长，纳米塑料可以显示出良好的透明度和较高的光泽度，这样的纳米塑料在汽车上将有广泛的用途。经过纳米技术处理的部分材料耐磨性更是黄铜的27倍、钢铁的7倍。

3纳米材料在车用烤漆涂料中的应用

汽车烤漆的剥落与老化，是造成汽车美观程度变差的主要因素，其中又以老化为棘手且难以控制的变量。影响烤漆老化的因素很多，但其中最关键的当属太阳光中的紫外线，因为紫外线会引起涂层中主要成膜物质的分子链断裂，形成非常活泼的游离基，这些游离基进一步引起整个主要成膜物质分子链的分解，最后导致涂层老化变质（3）。对有机涂层而言，由于紫外线是所有因素中，最具侵蚀性的，因此若能避开紫外线的作用，则可大幅

提高烤漆的耐老化性能。目前最能有效遮蔽紫外线的材料，首推TiO2纳米粒子。

采用纳米油漆，以防止碰撞时小刮痕的出现，汽车制造商戴姆勒－克莱斯勒公司研制的一种纳米漆不仅光亮度比传统油漆高出40％，而且当车身与其他物体轻微碰撞时，其防止刮痕出现的性能也要比传统油漆好得多。

结论

由于各种新型材料具有很多传统材料不具有的优良性能，使用新型材料可以改善机械的性能，提高机械的强度，延长机械的使用寿命。新型材料在机械中的应用一定会越来越广泛。

汽车应用材料论文

姓名：曲丹青

班级：09汽修2班

学号：200913092