碳纖維綜合系列專題【六】 F1賽車上的碳纖維

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發表于 2017-4-17 16:36:35 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

　　　碳纖維綜合系列專題【一】碳纖維制造原理

碳纖維綜合系列專題【二】碳纖維發展歷史

　　　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】碳纖維產業鏈

　　　碳纖維綜合系列專題【五】中國碳纖維市場現狀

　　F1是每個男人心中的圣地，那里有著無數傳奇、鮮花和香檳，最重要的還有著世界上最快的賽車。

　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。

　　碳纖維單體殼歷史

　　單體殼技術由來已久，早在1923年法國GP賽場上，被稱為航空工程和汽車設計制造先鋒的路易·布萊里奧就發布了由他設計的單體殼式結構的賽車。但直到1962年，在蓮花25賽車上，它才第一次將質量輕、強度高的優勢真正展現出來。技師的做法是用鉚釘加固的輕金屬殼體替代傳統的管狀框架座艙，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。

　　有趣的是，據資料記載，蓮花汽車創始人柯林·查普曼和當時負責蓮花賽車底盤設計的邁克·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想。偉大竟然發生在了一張餐巾紙上！

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。

　　雖然此前該材料多次應用于小組件中，但MP4/1才是第一個真正意義上將碳纖維復合材料應用于整個底盤設計的賽車。通過增加相關材料鏈軸部位的負荷，碳纖維復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。

　　有趣的是，由于在F1中優異的表現，這種材料受到了美國相關機構的重視，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。

　　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。據實驗分析，當雞蛋受力均勻時，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。

　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，具有夾層結構，有著高比強度、比剛度以及整體輕量化的特點。作為一種薄殼結構，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。

　　事實上，單體殼技術就是蛋殼原理的仿生應用。它不同于傳統車身利用內部框架結構進行承載的方式，而是通過殼體表面來進行承載，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，這獲得了傳統承載式結構所無法比擬的扭轉剛度。

　　此外由于碳纖維是一種力學性能優異的新材料，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。這進一步強化了這種結構帶來的優異性能。

　　民用使用的可能性

　　目前，民用車中使用碳纖維材料結構并不多，多是集中在一些跑車上，并且多數跑車都沿用了F1賽車傳統的布置方式，碳纖維單體殼作為承載結構和連接件而存在。但這終歸只是富人的玩具，具有碳纖維單體殼結構的汽車往往價格十分昂貴，比如說邁凱倫570S Coupe、法拉利-LaFerrari等都是采用這種結構。

　　大家對這種材料的使用持消極態度，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得以走向民用車的關鍵所在。

　　隨著近些年國內外對碳纖維材料的關注度大大提高，這項技術得到了很多的的政策和資金紅利，發展速度相當之快。以國內為例，目前就有不少企業在T300碳纖維方面具備了產業化生產能力。2005年全球碳纖維市場僅為9億美元，而2013年達到100億美元，預計到2022年有望達到400億美元，碳纖維復合材料的應用也將進入全新的時代。

　　可以看到這種材料的發展勢頭十分兇猛，投入往往決定結果，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。

　解決了原材料成本問題，再就是加工成本問題。不同于傳統的編織成型工藝、拉擠工藝、纖維纏繞成型工藝等等，現在出現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，可以將發動機蓋一次整體成型，并大大提高了產品的強度和精度，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，我們可以來看看現在已經出現的廉價車型。比如說國產車型奕代T300，作為一款三輪電動跑車，車身采用了復合材料制作的單體殼車身，整車售價不到12萬元。

　　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構，可以看到單體殼結構是可以應用于普通民用車中的，現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

　　碳纖維單體殼作為一種質量輕、強度大、安全性高的車身結構，被廣泛應用于性能車中，雖然時至今日，該技術短期內還無法完全在民用車中得到普及，但已是汽車輕量化發展的主流方向之一，相信距離其技術下放的時刻已經不再遙遠了。

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