>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)它就是我們在多年前就已經(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，都讓我們越來越需要關(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，我們再來看看碳纖維復(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滑油起源于高空低溫下航空器起落架軸承潤滑難題。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。可以說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。