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碳纖維綜合系列專題【三】 碳纖維特性分析 碳纖維綜合系列專題【四】碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈 碳纖維綜合系列專題【五】中國碳纖維市場現(xiàn)狀 : d% m7 B9 N8 e
F1是每個男人心中的圣地,，那里有著無數(shù)傳奇、鮮花和香檳,，最重要的還有著世界上最快的賽車,。 3 s/ t4 l7 {5 B' x" d
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無論是車身還是動力，這些F1賽車和普通的民用車有很大差異,。今天我們就來聊一聊F1賽車獨特的碳纖維車身,，以及這種材料在民用車上使用的可能性。 ! \8 v- R% N5 n% f; N+ o! V
碳纖維單體殼歷史
4 {: S3 B9 j, d/ D 單體殼技術(shù)由來已久,，早在1923年法國GP賽場上,，被稱為航空工程和汽車設(shè)計制造先鋒的路易·布萊里奧就發(fā)布了由他設(shè)計的單體殼式結(jié)構(gòu)的賽車。但直到1962年,，在蓮花25賽車上,，它才第一次將質(zhì)量輕、強度高的優(yōu)勢真正展現(xiàn)出來,。技師的做法是用鉚釘加固的輕金屬殼體替代傳統(tǒng)的管狀框架座艙,，這也是引入F1賽壇的第一具單體殼。在次年吉米-克拉克就駕駛著蓮花25獲得了七個分站賽的勝利,，并最終獲得了年度總冠軍,。 6 p" y# Z' {4 Y! {: c2 A- h
有趣的是，據(jù)資料記載，蓮花汽車創(chuàng)始人柯林·查普曼和當(dāng)時負(fù)責(zé)蓮花賽車底盤設(shè)計的邁克·考斯丁在一次會面中用餐巾紙描繪了最初的單體殼車身構(gòu)想,。偉大竟然發(fā)生在了一張餐巾紙上,！ 4 y: Q, A' ~8 p
' u9 b8 [1 o! |+ X3 M! E; W- r- w' j 至于說碳纖維材料在F1賽車上的運用那就又是另一個傳奇了—1981年一級方程式邁凱倫 MP4/1。 % S' D. V; { p* m# _5 K: B2 L- o
雖然此前該材料多次應(yīng)用于小組件中,，但MP4/1才是第一個真正意義上將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于整個底盤設(shè)計的賽車,。通過增加相關(guān)材料鏈軸部位的負(fù)荷，碳纖維復(fù)合材料賽車的剛度重量比大大提高了,，這讓賽車變得更輕,、更快、更安全了,。在此之后,，這種使得賽車變得更輕、更快,、更安全的材料再也沒有離開過F1賽場了,。
8 J! k& u* p0 l 有趣的是，由于在F1中優(yōu)異的表現(xiàn),，這種材料受到了美國相關(guān)機構(gòu)的重視,，他們希望將這種材料作為覆蓋材料用于武裝直升機機身底部，以承受地面火力攻擊,，民用走向軍工也是一段佳話了,。
+ w" D7 J. I6 s7 e: D; N 碳纖維單體殼原理是什么？ 對于碳纖維單體殼原理的解釋,，這里有種比較生動的解釋,，那就是雞蛋殼。據(jù)實驗分析,，當(dāng)雞蛋受力均勻時,，一個雞蛋可以承受近30Kg的力,，而一個雞蛋也就60g左右,。曾在1989年，日本愛知縣市民春日井市就采用了在汽車前輪各用34個雞蛋,，后輪各用52個雞蛋的方法支承起了一輛大卡車,。
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' }% N* y' w5 r1 d& n; d 為什么蛋殼能夠承載比自身重量大得多的重量呢？其實蛋殼是一種多孔固體,，具有夾層結(jié)構(gòu),，有著高比強度、比剛度以及整體輕量化的特點,。作為一種薄殼結(jié)構(gòu),，在受到外力作用下，能把力沿著整個殼體表面向四周均勻傳遞，殼體上并不存在作用力集中在某一個地方的情況,，單位面積受到的力并不大,。 : a$ C4 j$ N( f% W+ f" `# U
事實上，單體殼技術(shù)就是蛋殼原理的仿生應(yīng)用,。它不同于傳統(tǒng)車身利用內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載的方式,，而是通過殼體表面來進(jìn)行承載，車身上其他零部件直接與單體殼連接,。這帶來的好處是車身重量大大降低,，承載重物的作用力均勻分散到每一個面，這獲得了傳統(tǒng)承載式結(jié)構(gòu)所無法比擬的扭轉(zhuǎn)剛度,。
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h7 u } T8 M; D/ X! j 此外由于碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,，它的比重不到鋼的1/4，抗拉強度一般都在3500Mpa以上,，是鋼的7~9倍,，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa也高于鋼。這進(jìn)一步強化了這種結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)異性能,。
民用使用的可能性 目前,，民用車中使用碳纖維材料結(jié)構(gòu)并不多，多是集中在一些跑車上,，并且多數(shù)跑車都沿用了F1賽車傳統(tǒng)的布置方式,，碳纖維單體殼作為承載結(jié)構(gòu)和連接件而存在。但這終歸只是富人的玩具,，具有碳纖維單體殼結(jié)構(gòu)的汽車往往價格十分昂貴,，比如說邁凱倫570S Coupe、法拉利-LaFerrari等都是采用這種結(jié)構(gòu),。
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7 X `7 a3 f0 a+ M2 Y: \/ r 大家對這種材料的使用持消極態(tài)度,，是因為這種材料的造價高、工藝難度大,、維修成本高以及使用壽命不高等,，說到底其實就是成本的問題。如何降低成本是這項技術(shù)得以走向民用車的關(guān)鍵所在,。 隨著近些年國內(nèi)外對碳纖維材料的關(guān)注度大大提高,，這項技術(shù)得到了很多的的政策和資金紅利，發(fā)展速度相當(dāng)之快,。以國內(nèi)為例,，目前就有不少企業(yè)在T300碳纖維方面具備了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力。2005年全球碳纖維市場僅為9億美元,，而2013年達(dá)到100億美元,，預(yù)計到2022年有望達(dá)到400億美元，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也將進(jìn)入全新的時代。
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可以看到這種材料的發(fā)展勢頭十分兇猛,，投入往往決定結(jié)果,，加之原料加工壁壘并不大，所以降低原材料成本并非不可行,。
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解決了原材料成本問題,，再就是加工成本問題。不同于傳統(tǒng)的編織成型工藝,、拉擠工藝,、纖維纏繞成型工藝等等，現(xiàn)在出現(xiàn)了很多新式的成型方法,，比如說就有某些公司采用了熱塑性碳纖維工藝,，可以將發(fā)動機蓋一次整體成型，并大大提高了產(chǎn)品的強度和精度,，解決了汽車碳纖維制件批量化的問題,，綜合成本相對會于鎂鋁合金還降低30%左右。 說了這么多,，大多都是一些前景式的證明,，我們可以來看看現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)的廉價車型。比如說國產(chǎn)車型奕代T300,，作為一款三輪電動跑車,，車身采用了復(fù)合材料制作的單體殼車身，整車售價不到12萬元,。 4 K0 [" J# r) T
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從外表上看它雖然沒有采用碳纖維材料,，但是車身采用了單體殼式結(jié)構(gòu)，可以看到單體殼結(jié)構(gòu)是可以應(yīng)用于普通民用車中的,，現(xiàn)在來說亟待解決的就是材料問題,，特別是碳纖維材料，但歷史往往是相似的,，就好像第一個應(yīng)用在F1賽車上的單體殼是使用鋁制材料一樣,，或許在不久的將來，碳纖維材料可以使用在廉價車型中,。
小結(jié) 碳纖維單體殼作為一種質(zhì)量輕,、強度大,、安全性高的車身結(jié)構(gòu),，被廣泛應(yīng)用于性能車中，雖然時至今日,，該技術(shù)短期內(nèi)還無法完全在民用車中得到普及,，但已是汽車輕量化發(fā)展的主流方向之一，相信距離其技術(shù)下放的時刻已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)了。 * _5 s- H1 E, t+ ~3 d5 K
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發(fā)表于 2017-4-17 16:36:35
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