面向新材料与新技术在新产品开发中的应用二.docx
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面向新材料与新技术在新产品开发中的应用二
新材料与新技术在新产品开发中的应用
(二)
三.泡沫铝合金研究及轻量化中的应用
泡沫铝合金是在纯铝或铝合金中加入添加剂后,经过发泡工艺而成,同时兼有金属和气泡特征。
它密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤能力、易加工、易安装、成形精度高、可进行表面涂装。
泡沫铝合金具有优异的物理性能、化学性能和力学性能以及可回收性。
泡沫铝的这些优异性能使其在当今的材料领域具有广阔的应用前景,是很有开发前途的工程材料,特别是在交通运输工业,航天事业和建筑结构工业等方面。
性能特点
轻质:
密度为金属铝的0.1—0.4倍;
高比刚度:
其抗弯比刚度为钢的1.5倍;
高阻尼减震性能及冲击能量吸收率:
阻尼性能为金属铝的5—10倍。
孔隙率为84%的泡沫铝发生50%变型时,可吸收2.5MJ/M3C以上的能量。
良好的声学功能:
1、隔声性能(闭孔):
声波频率上800—4000HZ之间时,闭孔泡沫铝的隔声系数达0.9以上。
2、吸声性能(微通孔和通孔):
声波频率在125---4000HZ之间时,通孔泡沫铝的吸声系数最大可达0.8,其倍频程平均吸声系数超过0.4。
优良的电磁屏蔽性能:
电磁波频率在2.6—18GHZ之间时,泡沫铝的电磁屏蔽量可达60—90dB。
良好的热学性能:
孔隙率为80---90%的闭孔泡沫铝导热系数为0.3—1W/m#8226;k,相当于大理石。
通孔泡沫铝由于其孔洞相互连通,在强制对流条件下具有良好的散热性。
不燃烧且有较好的耐热性。
□耐腐蚀性、耐候性好,低吸湿,不老化,无毒性。
易加工:
切割、钻孔、胶结方便;经模压可弯曲成所需形状;能用有机或无机漆进行表面处理;可以两面蒙皮,构成大尺寸的轻质、高刚度板。
易安装:
泡沫铝材料可以被安装在高处而无需机械起重设备,如:
天花顶棚、墙壁和屋顶等,可以采用机械方法或直接用螺钉连接和固定,也可以用粘接剂粘贴在墙或天花板上。
金属薄板——泡沫铝——金属薄板形成的“三明治”结构继承了泡沫铝的优异性能,并具有很高的抗弯强度,可用作新型建材、机车车辆的高刚度结构件等。
上述性能的多功能兼容。
结构特征
较大的孔径0.3—7mm;
较高且可控的孔隙率:
63%--90%;
比表面积大10---45cm2/cm3;
孔结构多样化;闭孔、通孔及微通孔泡沫铝;
金属骨架成份及孔结构可控,能适应不同需求。
应用范围
吸声、隔声材料:
泡沫铝可用于城市轻轨、高架公路、地下隧道、机械设备的噪声治理及声学室、多功能厅和其他室内声响效果的改善。
吸声的泡沫铝粘贴到混凝土或钢结构上,竖在高架桥、轻轨两旁作为大型吸音墙,可以减轻城市交通噪声。
隔声的泡沫铝可用于工厂机房、机器设备、户外建筑工地的噪声隔离,解决了目前广泛应用的玻璃棉、石棉等吸声材料的许多局限性。
结构用材
泡沫铝合金缝合结构,具有质轻,高刚度的特征,可作为优异的结构材料。
如:
用作汽车的结构件时,重量只有钢结构的一半,而刚度则提高10倍,据报道大约有20%的汽车结构件可采用这种结构。
新型建筑材料:
泡沫铝是一种新型建筑及装潢材料,它具有质轻、高比刚度、美观、不燃烧等优点,并兼有吸音、隔热、电磁屏蔽等特性。
因此泡沫铝可广泛应用于商场、宾馆、体育馆等场馆的建筑装潢。
电磁屏蔽材料:
因其优异的电磁屏蔽性能,泡沫铝可用于电信、电子仪器、计算机房、电视广播设备的电磁屏蔽,能防止核辐射引起的电脉冲效应EMP(该效应能烧毁半导体或产生因数据传输损失引起了电子混乱,最终摧毁电子设备)。
保温材料:
因其导热系数低,同时具有质轻、高比刚度、不燃烧等优点,可用作隔热、保温、保冷材料等。
冲击能量吸收材料:
因其具有优良的冲击能量吸收性能,可用作汽车防冲档、机械装置的保护外壳,升降机的安全垫、飞机外壳夹层(冲缓爆炸冲击波)和太空飞行器的防护层(可捕捉太空碎片)等。
四.碳纤维复合材料
在复合材料大家族中,纤维增强材料一直是人们关注的焦点。
自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来,碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功,性能不断得到改进,使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。
1、高强度(是钢铁的5倍)
2、出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)
3、出色的抗热冲击性
4、低热膨胀系数(变形量小)
5、热容量小(节能)
6、比重小(钢的1/5)
7、优秀的抗腐蚀与辐射性能
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上。
碳纤维具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等,但与一般碳素材料不同的是,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。
碳纤维比重小,因此有很高的比强度。
碳纤维是由含碳量较高,在热处理过程中不熔融的人造化学纤维,经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。
因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比钢高。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成结构材料。
碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。
在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的,现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。
随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻,促使科技工作者不断努力提高。
80年代初期,高性能及超高性能的碳纤维相继出现,这在技术上是又一次飞跃,同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料,由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。
因为航天飞行器的重量每减少1公斤,就可使运载火箭减轻500公斤。
所以,在航空航天工业中争相采用先进复合材料。
有一种垂直起落战斗机,它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4,占机翼重量的1/3。
据报道,美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等,都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
现在的F1(世界一级方程锦标赛)赛车,车身大部分结构都用碳纤维材料。
顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维,用以提高气动性和结构强度
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。
传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。
碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
奔驰将推碳纤维轿车上市,宝马也研发碳纤维车型,碳纤维比钢铁更加强度更高,而碳纤维版的E级轿车仅重1300千克,比现有标准版E级轿车轻350千克。
此外,奔驰考虑在使用碳纤维的基础上进一步提升该车油耗效率,为该车配置氢燃料电池以及六缸式汽油发动机-电机混合动力系统。
奔驰E级轿跑设计图
奔驰E250CGI
五.新型高科技合成纤维研究与应用
芳纶纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”,是一种新型高科技合成纤维,具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的5~6倍,模量为钢丝或玻璃纤维的2~3倍,韧性是钢丝的2倍,而重量仅为钢丝的1/5左右,在560度的温度下,不分解,不融化。
它具有良好的绝缘性和抗老化性能,具有很长的生命周期。
芳纶纤维是重要的国防军工材料,为了适应现代战争的需要,目前,美、英等发达国家的防弹衣均为芳纶材质,芳纶防弹衣、头盔的轻量化,有效提高了军队的快速反应能力和杀伤力。
在海湾战争中,美、法的飞机上大量使用了芳纶复合材料。
除了军事上的应用外,现已作为一种高技术含量的纤维材料被广泛应用于航天航空、机电、建筑、汽车、体育用品等国民经济的各个方面。
除此之外,科技的迅猛发展正在为芳纶开辟着更多新的民用空间。
新材料及现代特种加工是新发展起来的,由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需,不仅新产品更新换代日益加快,而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比,并正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向发展。
为此,各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现,对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。
例如,各种难切削材料的加工;各种结构形状复杂、尺寸或微小或特大、精密零件的加工;薄壁、弹性元件等刚度、特殊零件的加工等。
对此,采用传统加工方法十分困难,甚至无法加工。
于是,人们一方面通过研究高效加工的刀具和刀具材料、自动优化切削参数、提高刀具可靠性和在线刀具监控系统、开发新型切削液、研制新型自动机床等途径,进一步改善切削状态,提高切削加工水平,并解决了一些问题;另一方面,则冲破传统加工方法的束缚,不断地探索、寻求新的加工方法,于是一种本质上区别于传统加工的特种加工便应运而生,并不断获得发展。
后来,由于新颖制造技术的进一步发展,人们就从广义上来定义特种加工,即将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上,从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等的非传统加工方法统称为特种加工。
现代特种加工技术是借助电能、热能、光能、声能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合以实现切除材料的加工方法。
与常规机械加工方法相比,它具有如下的特点:
1)不受材料强硬度等限制。
特种加工技术主要不依靠机械力和机械能去除材料,而是用其他能量(如电、化学、光、声、热等)去除金属和非金属材料。
它们瞬时能量密度高,可以直接有效地利用各种能量,造成瞬时、局部熔化,以强力、高速爆炸、冲击去除材料。
其加工性能与工件材料以强硬度力学性能无关,故可以加工各种超强硬材料、高脆性及热敏材料以及特殊的金属和非金属材料。
2)以柔克刚。
由于工具与工件不直接接触,加工时无明显的强大机械切削力,所以加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时,工具硬度可低于被加工材料的硬度。
3)向精密加工方向发展。
当前已出现了精密特种加工,许多特种加工方法同时又是精密加工方法、微细加工方法,如电子束加工、离子束加工、激光束加工等就是精密特种加工;精密电火花加工的加工精密可达微米级0.5~1μm,表面粗糙度可达镜面Ra0.021μm。
4)可同时实现粗、精加工。
特种加工中的能量易于实现转换和控制,工件在一次装夹中可实现粗、精加工,有利于保证加工精度,提高生产率。
5)用简单运动加工复杂形面。
特种加工技术只需简单的进给运动即可加工出三维复杂形面。
特种加工技术已成为复杂形面的主要加工手段。
6)可以获得良好的表面质量。
由于在特种加工过程中,工件表面不会产生强烈的弹、塑性变形,故有些特种加工方法可获得良好的表面粗糙度。
热应力、残余应力、冷作硬化、
热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切割表面小。
7)各种加工方法可以任意复合。
各种加工方法的任意复合可扬长避短,形成新的复合工艺方法,更突出其优越性,便于扩大应用范围。
由于特种加工技术具有其他常规加工技术无法此拟的优点,在现代加工技术中,占有越来越重要的地位。
表面粗糙度Ra<0.01μm的超精密表面加工,非采用特种加工技术不可。
六.新产品设计与传感器的应用
人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。
而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况,就需要传感器。
因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。
新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。
因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展,进入了许多新领域:
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上要观察小到cm的粒子世界,纵向上要观察长达数十万年的天体演化,短到s的瞬间反应。
此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究,如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。
显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息,没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。
由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。
传感器的分类
可以用不同的观点对传感器进行分类:
它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应);它们的用途;它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器二大类:
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
有些传感器既不能划分到物理类,也不能划分为化学类。
大多数传感器是以物理原理为基础运作的。
化学传感器技术问题较多,例如可靠性问题,规模生产的可能性,价格问题等,解决了这类难题,化学传感器的应用将会有巨大增长。
1.工业用自动化传感器的应用
工业用自动化传感器产品系列主要包括编码器、电机反馈系统、定位驱动器、超声波传感器、电容式/电感式/电磁式接近传感器、磁性气缸传感器、光电开关、色标传感器、荧光传感器、颜色传感器、槽形开关、测量光栅、距离传感器、机器视觉等。
这些传感器能够实现对物体计数、分类、定位,检测物体的外形和位置,并能进行颜色和表面特性的区分。
即使在恶劣的环境下,它们也能出色的完成任务。
2.车用传感器的应用
随着解码器电子技术的发展,汽车电子干扰工程化程度不断提高,通常的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的解码问题,而被电子控制系统代替。
传感器的作用就是根据规定的被测量的大小,定量提供有用的电输出信号的部件,亦即传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器。
传感器作为汽车电控系统的关键部件,它直接影响汽车的技术性能的发挥。
目前,普通汽车上大约装有10-20只传感器,高级豪华轿车则更多,这些传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统中。
(一)发动机控制用传感器
发动机控制用传感器有许多种,其中包括温度传感器、压力传感器、转速和角度传感器、流量传感器、位置传感器、气体浓度传感器、爆震传感器等。
这类传感器是整个发动机的核心,利用它们可提高发动机动力性、降低油耗、减少废气、反映故障等,由于其工作在发动机振动、汽油蒸气、污泥和泥水等恶劣环境中,因此它们耐恶劣环境技术指标要高于一般的传感器。
对于它们的性能指标要求有很多种,其中最关键的是测量精度与可靠性,否则由传感器检测带来的误差最终将导致发动机控制系统失灵或故障。
1.温度传感器:
主要检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度、机油温度、催化温度等。
实际应用的温度传感器主要有线绕电阻式、热敏电阻式和热电偶式。
线绕电阻式温度传感器精度较高,但响应特性差;热敏电阻式传感器灵敏度高,响应特性较好,但线性差,适用温度较低;热电偶式精度高,测温范围宽,但需考虑放大器和冷端处理问题。
2.压力传感器:
主要检测进气歧管绝对压力、真空度、大气压力、发动机油压、制动器油压、轮胎压力等。
车用压力传感器目前已有若干种,应用较多的有电容式、压敏电阻式、膜盒传动的可变电感式(LVDT)、表面弹性波式(SAW)。
电容式传感器具有输入能量高,动态响应好、环境适应性好等特点;压敏电阻式受温度影响大,需另设温度补偿电路,但适用于大量生产;LVDT式有较大输出,易于数字输出,但抗振性较差;SAW式具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性强、灵敏度高、分辨率高、数字量输出等特点,是一种较为理想的传感器。
3.转速、角度和车速传感器:
主要用于检测曲轴转角、发动机转速、车速等。
主要有发电机式、磁阻式、霍尔效应式、光学式、振动式等。
4.氧传感器:
氧传感器安装在排气管内,测量排气管中的含氧量,确定发动机的实际空燃比与理论值的偏差,控制系统根据反馈信号,调节可燃混合气的浓度,使空燃比接近于理论值,从而提高经济性,降低排气污染。
实际应用的是氧化锆和氧化钛传感器。
5.流量传感器:
测定进气量和燃油流量以控制空燃比,主要有空气流量传感器和燃料流量传感器。
空气流量传感器检测进入发动机的空气量从而控制喷油器的喷油量,以得到较准确的空燃比,实际应用的有卡门旋涡式、叶片式、热线式。
卡门式无可动部件、反应灵敏、精度较高;热线式易受吸入气体脉动影响,且易断丝;燃料流量传感器用于判定燃油消耗量。
主要有水车式、球循环式。
6.爆震传感器:
它能把爆震信号传给控制系统,抑制爆震的发生。
主要有磁致伸缩式和非共振型压电式。
(二)底盘控制用传感器
底盘控制用传感器是指分布在变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、防抱制动系统中的传感器,在不同系统中作用不同,但工作原理与发动机中传感器是相同的,主要有以下几种形式传感器:
1.变速器控制传感器:
多用于电控自动变速器的控制。
它是根据车速传感器、加速度传感器、发动机负荷传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器检测所获得的信息经处理使电控装置控制换档点和液力变矩器锁止,实现最大动力和最大燃油经济性。
2.悬架系统控制传感器:
主要有车速传感器、节气门开度传感器、加速度传感器、车身高度传感器、转向盘转角传感器等。
根据检测到的信息自动调整车高,抑制车辆姿势的变化等,实现对车辆舒适性、操纵稳定性和行车稳定性的控制。
3.动力转向系统传感器:
它是根据车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器等使动力转向电控系统实现转向操纵轻便,提高响应特性,减少发动机损耗,增大输出功率,节省燃油等。
4.防抱制动传感器:
它是根据车轮角速度传感器,检测车轮转速,在各车轮的滑移率为20%时,控制制动油压、改善制动性能,确保车辆的操纵性和稳定性。
(三)车身控制用传感器
采用这类传感器的主要目的是提高汽车安全性、可靠性、舒适性等,主要有应用于自动空调系统中的多种温度传感器、风量传感器、日照传感器等;安全气囊系统中加速度传感器;亮度自控中光传感器;死角报警系统中超声波传感器;图像传感器等。
(四)车用传感器研究开发
由于传感器在电控系统中的重要作用,所以世界各国对其理论研究、新材料应用、产品开发都非常重视。
金刚石的耐热性好、热稳定性高,在真空中1200℃以上表面才开始出现炭化,在大气中也要在600℃以上才开始炭化,利用这一特性,制作适用于高温的热敏传感器,从常温到600℃范围内进行温度监测与控制,并且适用在高温且有腐蚀气体的恶劣环境下使用,性能稳定,使用寿命长,可用于发动机中高温测量。
此外金刚石在高温下形变率很高,利用这一特性可制作高温环境下使用的振动传感器和加速度传感器。
与其它材料振动膜相结合可作为高温、耐腐蚀、灵敏度高的压力传感器,用于振动检测以及发动机气缸压力等测量。
光导纤维型传感器由于抗干扰性强、灵敏度高、重量轻、体积小,适于遥测等特点正受到人们的普遍重视。
目前已有不少成熟的产品问世,如光纤转矩传感器,温度、振动、压力、流量等传感器。
在开发利用新材料同时,由于微电子技术和微机械加工技术发展,传感器正向微型化、多功能化,智能化方向发展。
微型化传感器利用微机械的加工技术将微米级的敏感元件、信号调理器、数据处理装置集成封装在一块芯片上。
由于体积小、价格便宜、便于集成等特点,可以提高系统测试精度,例如把微型压力传感器和微型温度传感器集成在一起,同时测出压力和温度,便可通过芯片内运算消去压力测量中的温度影响。
目前已有不少微型传感器面世,如压力传感器、加速度传感器、用于防撞的硅加速度传感器等。
在汽车轮胎内嵌入微型压力传感器可以保持适当充气,避免充气过量或不足,从而节约燃油10%。
多功能化使传感器能够同时检测2个或2个以上的特性参数。
而智能传感器由于带有专用计算机,因而具有智能特点。
此外,传感器响应时间、输出与计算机的接口等问题也是重要的研究课题。
随着电子技术的发展,车用传感器的技术必将趋于完善。
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