車身外衣的輕量化發展 復合材料的興起

>文 吳中元

車身外衣的輕量化發展 復合材料的興起

>文 吳中元

當我們還在為愛車漆面保養犯愁的時候，其實另一種新型的車身外衣材料已經悄然興起。有人可能馬上就會想起某次被自己撞碎的保險杠外護板……不不不，我指的不是那些為了節約成本而使用的塑料件，更是一直被賽車追捧，近來也在新型電動車上得到應用的復合材料。

說到復合材料，這個目前的官方稱呼總讓人覺得搞不清究竟是什么構成，其實它就是我們在多年前就已經耳熟能詳的碳纖維。那么，在汽車誕生百年之后，車身材料為什么會產生變化呢？我們首先要了解，汽車外衣的功能。汽車的結構設計不同于大尺寸的火車車廂側壁，承擔汽車整體強度與安全保障的主要結構，是車輛內部的承載式車身框架。比如我們熟悉的A柱、B柱、C柱以及發動機艙框架，都是對強度要求較高的安全結構。而通常車身外衣采用的鋼板所承擔的安全任務有限，更多服務于車輛造型、耐用性以及空氣動力學表現。而一些對此不了解的人會盲目地用鋼板厚度來攻擊某些廠家車型的安全性，這確實是一種誤解。

而近年來，油價的波動，環境的日益惡化，都讓我們越來越需要關注車輛的效率表現。而在提升車輛整體運行效率時，輕量化就成了非常迫切的課題。我們之前已經介紹過，車身內部結構所使用的材料已經由鋼材質在向輕質合金（比如鋁合金、鎂合金等）發展。而這些鎂鋁合金盡管強度很高，但延展性卻很差，無法沖壓成型，于是車身外部材料轉向其他材料領域。

在賽車領域已經成熟使用多年的碳纖維復合材料車輛套件自然也進入了量產車生產廠商的視野。應該說，賽車大范圍使用復合材料倒不是為了車輛的效率考慮，就是單純為了減重，從而發揮出車輛更好的性能表現。

奧迪賽事負責人曾表示，改進制造材料是降低賽車重量的最直接方法。作為輕質高強度復合材料，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計大幅度降低了賽車的自重。除規則強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度、輕重量的碳纖維材料所包裹。為達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），進一步減低了車身重量。

那么這碳纖維復合材料究竟有什么成分，又是如何制造成型的呢？說來有趣，車身復合材料的制造和我們日常穿的衣服制造過程十分相似。服裝的制造需要先由絲紡線，由線織布，然后對布料進行拼接，最后熨燙成型。沒錯吧？好，我們再來看看碳纖維復合材料的制造。

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成的穩定石墨結構。這種碳纖維的直徑為7微米，約為我們頭發直徑的1/7。有了這種材料，我們就可以開始“紡紗”了，5萬個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”，這一步的關鍵是要讓碳纖維束以不同的方向排列以增加材料的強度。經過剪裁的“碳纖維編織物”會在高壓下與液態樹脂進行連接與固化成型，于是碳纖維強化塑料復合材料車身配件就制成了。

復合材料的使用對于車輛輕量化的效果明顯。對于賽車和改裝車，復合材料幫助車輛動力性能更好地發揮，同時也賦予車輛一個炫酷的外表。而對于以BMW i3為代表的新型電動車，這種材料的使用則帶來了車輛能耗的進一步降低，提升車輛的效率表現。

事實上，碳纖維復合材料的使用已經不局限在汽車工業范疇。在對于性能追求更為極致的航空領域，復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領域的技術總有千絲萬縷的聯系，但通常占上風的總是看上去更加高端的航空技術。不相信嗎？我們來數一數。目前當紅的渦輪增壓技術起源于航空發動機對于高空稀薄空氣的應對。現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構，那更是飛機幾十年前玩兒剩下的。

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