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碳纤维综合系列专题【三】 碳纤维特性分析 碳纤维综合系列专题【四】碳纤维产业链 碳纤维综合系列专题【五】中国碳纤维市场现状 ' \0 \2 U% i% [% r C) F
F1是每个男人心中的圣地，那里有着无数传奇、鲜花和香槟，最重要的还有着世界上最快的赛车。 3 }5 L% B8 x! g- h
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无论是车身还是动力，这些F1赛车和普通的民用车有很大差异。今天我们就来聊一聊F1赛车独特的碳纤维车身，以及这种材料在民用车上使用的可能性。 ! g" j: \7 q+ n* o8 O% K
碳纤维单体壳历史
$ |* Q6 @ G( Y* H* q' r! Q 单体壳技术由来已久，早在1923年法国GP赛场上，被称为航空工程和汽车设计制造先锋的路易·布莱里奥就发布了由他设计的单体壳式结构的赛车。但直到1962年，在莲花25赛车上，它才第一次将质量轻、强度高的优势真正展现出来。技师的做法是用铆钉加固的轻金属壳体替代传统的管状框架座舱，这也是引入F1赛坛的第一具单体壳。在次年吉米-克拉克就驾驶着莲花25获得了七个分站赛的胜利，并最终获得了年度总冠军。 2 D K! q- h, p$ @, u
有趣的是，据资料记载，莲花汽车创始人柯林·查普曼和当时负责莲花赛车底盘设计的迈克·考斯丁在一次会面中用餐巾纸描绘了最初的单体壳车身构想。伟大竟然发生在了一张餐巾纸上！ - b: ]* I" a9 A" Z: _% O* [8 y
1 e: p" O" p0 A9 }; T% p 至于说碳纤维材料在F1赛车上的运用那就又是另一个传奇了—1981年一级方程式迈凯伦 MP4/1。
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虽然此前该材料多次应用于小组件中，但MP4/1才是第一个真正意义上将碳纤维复合材料应用于整个底盘设计的赛车。通过增加相关材料链轴部位的负荷，碳纤维复合材料赛车的刚度重量比大大提高了，这让赛车变得更轻、更快、更安全了。在此之后，这种使得赛车变得更轻、更快、更安全的材料再也没有离开过F1赛场了。
, k' P- _5 P! \6 \; D 有趣的是，由于在F1中优异的表现，这种材料受到了美国相关机构的重视，他们希望将这种材料作为覆盖材料用于武装直升机机身底部，以承受地面火力攻击，民用走向军工也是一段佳话了。
碳纤维单体壳原理是什么？ 对于碳纤维单体壳原理的解释，这里有种比较生动的解释，那就是鸡蛋壳。据实验分析，当鸡蛋受力均匀时，一个鸡蛋可以承受近30Kg的力，而一个鸡蛋也就60g左右。曾在1989年，日本爱知县市民春日井市就采用了在汽车前轮各用34个鸡蛋，后轮各用52个鸡蛋的方法支承起了一辆大卡车。
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为什么蛋壳能够承载比自身重量大得多的重量呢？其实蛋壳是一种多孔固体，具有夹层结构，有着高比强度、比刚度以及整体轻量化的特点。作为一种薄壳结构，在受到外力作用下，能把力沿着整个壳体表面向四周均匀传递，壳体上并不存在作用力集中在某一个地方的情况，单位面积受到的力并不大。
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事实上，单体壳技术就是蛋壳原理的仿生应用。它不同于传统车身利用内部框架结构进行承载的方式，而是通过壳体表面来进行承载，车身上其他零部件直接与单体壳连接。这带来的好处是车身重量大大降低，承载重物的作用力均匀分散到每一个面，这获得了传统承载式结构所无法比拟的扭转刚度。 0 T* m4 Y3 W+ [9 }% v
& z& K( S( A( W5 ~ 此外由于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，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也高于钢。这进一步强化了这种结构带来的优异性能。
) R' }0 L7 u. L! J 民用使用的可能性 目前，民用车中使用碳纤维材料结构并不多，多是集中在一些跑车上，并且多数跑车都沿用了F1赛车传统的布置方式，碳纤维单体壳作为承载结构和连接件而存在。但这终归只是富人的玩具，具有碳纤维单体壳结构的汽车往往价格十分昂贵，比如说迈凯伦570S Coupe、法拉利-LaFerrari等都是采用这种结构。
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大家对这种材料的使用持消极态度，是因为这种材料的造价高、工艺难度大、维修成本高以及使用寿命不高等，说到底其实就是成本的问题。如何降低成本是这项技术得以走向民用车的关键所在。 随着近些年国内外对碳纤维材料的关注度大大提高，这项技术得到了很多的的政策和资金红利，发展速度相当之快。以国内为例，目前就有不少企业在T300碳纤维方面具备了产业化生产能力。2005年全球碳纤维市场仅为9亿美元，而2013年达到100亿美元，预计到2022年有望达到400亿美元，碳纤维复合材料的应用也将进入全新的时代。 / u, m; C, a( {7 @$ U! z
可以看到这种材料的发展势头十分凶猛，投入往往决定结果，加之原料加工壁垒并不大，所以降低原材料成本并非不可行。 2 q3 a4 s) Y6 j' V, Z- X6 R% V
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解决了原材料成本问题，再就是加工成本问题。不同于传统的编织成型工艺、拉挤工艺、纤维缠绕成型工艺等等，现在出现了很多新式的成型方法，比如说就有某些公司采用了热塑性碳纤维工艺，可以将发动机盖一次整体成型，并大大提高了产品的强度和精度，解决了汽车碳纤维制件批量化的问题，综合成本相对会于镁铝合金还降低30%左右。 说了这么多，大多都是一些前景式的证明，我们可以来看看现在已经出现的廉价车型。比如说国产车型奕代T300，作为一款三轮电动跑车，车身采用了复合材料制作的单体壳车身，整车售价不到12万元。
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7 p0 u( k$ J8 d! I4 G" Z8 Z 从外表上看它虽然没有采用碳纤维材料，但是车身采用了单体壳式结构，可以看到单体壳结构是可以应用于普通民用车中的，现在来说亟待解决的就是材料问题，特别是碳纤维材料，但历史往往是相似的，就好像第一个应用在F1赛车上的单体壳是使用铝制材料一样，或许在不久的将来，碳纤维材料可以使用在廉价车型中。
; d+ c3 V E. \$ ]+ S9 s } 小结 碳纤维单体壳作为一种质量轻、强度大、安全性高的车身结构，被广泛应用于性能车中，虽然时至今日，该技术短期内还无法完全在民用车中得到普及，但已是汽车轻量化发展的主流方向之一，相信距离其技术下放的时刻已经不再遥远了。 6 u; D2 P& F& s7 j3 L# X- u* w9 R: B
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发表于 2017-4-17 16:36:35
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