車身外衣的輕量化發(fā)展 復(fù)合材料的興起

>文 吳中元

車身外衣的輕量化發(fā)展 復(fù)合材料的興起

>文 吳中元

當(dāng)我們還在為愛車漆面保養(yǎng)犯愁的時(shí)候，其實(shí)另一種新型的車身外衣材料已經(jīng)悄然興起。有人可能馬上就會(huì)想起某次被自己撞碎的保險(xiǎn)杠外護(hù)板……不不不，我指的不是那些為了節(jié)約成本而使用的塑料件，更是一直被賽車追捧，近來也在新型電動(dòng)車上得到應(yīng)用的復(fù)合材料。

說到復(fù)合材料，這個(gè)目前的官方稱呼總讓人覺得搞不清究竟是什么構(gòu)成，其實(shí)它就是我們?cè)诙嗄昵熬鸵呀?jīng)耳熟能詳?shù)奶祭w維。那么，在汽車誕生百年之后，車身材料為什么會(huì)產(chǎn)生變化呢？我們首先要了解，汽車外衣的功能。汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于大尺寸的火車車廂側(cè)壁，承擔(dān)汽車整體強(qiáng)度與安全保障的主要結(jié)構(gòu)，是車輛內(nèi)部的承載式車身框架。比如我們熟悉的A柱、B柱、C柱以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙框架，都是對(duì)強(qiáng)度要求較高的安全結(jié)構(gòu)。而通常車身外衣采用的鋼板所承擔(dān)的安全任務(wù)有限，更多服務(wù)于車輛造型、耐用性以及空氣動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)。而一些對(duì)此不了解的人會(huì)盲目地用鋼板厚度來攻擊某些廠家車型的安全性，這確實(shí)是一種誤解。

而近年來，油價(jià)的波動(dòng)，環(huán)境的日益惡化，都讓我們?cè)絹碓叫枰P(guān)注車輛的效率表現(xiàn)。而在提升車輛整體運(yùn)行效率時(shí)，輕量化就成了非常迫切的課題。我們之前已經(jīng)介紹過，車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)所使用的材料已經(jīng)由鋼材質(zhì)在向輕質(zhì)合金（比如鋁合金、鎂合金等）發(fā)展。而這些鎂鋁合金盡管強(qiáng)度很高，但延展性卻很差，無法沖壓成型，于是車身外部材料轉(zhuǎn)向其他材料領(lǐng)域。

在賽車領(lǐng)域已經(jīng)成熟使用多年的碳纖維復(fù)合材料車輛套件自然也進(jìn)入了量產(chǎn)車生產(chǎn)廠商的視野。應(yīng)該說，賽車大范圍使用復(fù)合材料倒不是為了車輛的效率考慮，就是單純?yōu)榱藴p重，從而發(fā)揮出車輛更好的性能表現(xiàn)。

奧迪賽事負(fù)責(zé)人曾表示，改進(jìn)制造材料是降低賽車重量的最直接方法。作為輕質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合材料，碳纖維無疑是目前最理想的賽車車身材料。奧迪R8 LMS賽車的車身就大量使用了這種材料，此外包括純碳纖維賽車座椅等設(shè)計(jì)大幅度降低了賽車的自重。除規(guī)則強(qiáng)制要求的車門和車頂保留鋁制，奧迪R8 LMS的外部車身完全由高強(qiáng)度、輕重量的碳纖維材料所包裹。為達(dá)到幾近苛刻的輕量化要求，奧迪R8 LMS的車身甚至連漆面都省去了，取而代之的是車身表面一層極輕薄的浸漬式陰極涂層（CDC），進(jìn)一步減低了車身重量。

那么這碳纖維復(fù)合材料究竟有什么成分，又是如何制造成型的呢？說來有趣，車身復(fù)合材料的制造和我們?nèi)粘４┑囊路圃爝^程十分相似。服裝的制造需要先由絲紡線，由線織布，然后對(duì)布料進(jìn)行拼接，最后熨燙成型。沒錯(cuò)吧？好，我們?cè)賮砜纯刺祭w維復(fù)合材料的制造。

首先，我們需要制得碳纖維原絲熱塑性聚丙烯腈紡織纖維，這種材料是由碳鏈構(gòu)成的穩(wěn)定石墨結(jié)構(gòu)。這種碳纖維的直徑為7微米，約為我們頭發(fā)直徑的1/7。有了這種材料，我們就可以開始“紡紗”了，5萬個(gè)這種單纖維被整合纏繞起來以備下一步的使用。接下來，碳纖維束被縫制成“碳纖維編織物”，這一步的關(guān)鍵是要讓碳纖維束以不同的方向排列以增加材料的強(qiáng)度。經(jīng)過剪裁的“碳纖維編織物”會(huì)在高壓下與液態(tài)樹脂進(jìn)行連接與固化成型，于是碳纖維強(qiáng)化塑料復(fù)合材料車身配件就制成了。

復(fù)合材料的使用對(duì)于車輛輕量化的效果明顯。對(duì)于賽車和改裝車，復(fù)合材料幫助車輛動(dòng)力性能更好地發(fā)揮，同時(shí)也賦予車輛一個(gè)炫酷的外表。而對(duì)于以BMW i3為代表的新型電動(dòng)車，這種材料的使用則帶來了車輛能耗的進(jìn)一步降低，提升車輛的效率表現(xiàn)。

事實(shí)上，碳纖維復(fù)合材料的使用已經(jīng)不局限在汽車工業(yè)范疇。在對(duì)于性能追求更為極致的航空領(lǐng)域，復(fù)合材料的使用也開始嶄露頭角。說來有趣，盡管汽車與航空兩個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)總有千絲萬縷的聯(lián)系，但通常占上風(fēng)的總是看上去更加高端的航空技術(shù)。不相信嗎？我們來數(shù)一數(shù)。目前當(dāng)紅的渦輪增壓技術(shù)起源于航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于高空稀薄空氣的應(yīng)對(duì)?，F(xiàn)在廣受追捧的全合成潤(rùn)滑油起源于高空低溫下航空器起落架軸承潤(rùn)滑難題。更不用提什么鉚接鋁合金結(jié)構(gòu)，那更是飛機(jī)幾十年前玩兒剩下的。

不過在復(fù)合材料使用方面，似乎是汽車占了先機(jī)。在汽車賽事領(lǐng)域和改裝車圈，碳纖維復(fù)合材料早已是相當(dāng)成熟的車身解決方案。而民用飛機(jī)上開始大范圍使用復(fù)合材料不過是近幾年的事情。波音787和空客A350這兩款面向新時(shí)代的機(jī)型為了給航空公司看到更高的效率與更大的利潤(rùn)空間，均開始大規(guī)模采用對(duì)于減重效果明顯的復(fù)合材料。結(jié)果是降低了20%以上的燃油消耗，這次技術(shù)革新帶來的效率提升堪比雙發(fā)客機(jī)取代四發(fā)飛機(jī)（1969年誕生的波音747為代表）執(zhí)飛洲際航線?？梢哉f材料工藝帶來的革新，既是一個(gè)時(shí)代的結(jié)束，也是另一個(gè)新時(shí)代的開始。