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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 ( A; H' I/ `/ J' H: [5 {
F1是每個(gè)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。 ! ^1 y6 j+ w$ N3 S
+ s2 t2 U9 n7 O4 N 無論是車身還是動(dòng)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(dú)特的碳纖維車身，以及這種材料在民用車上使用的可能性。
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碳纖維單體殼歷史 7 U. f2 l4 m! B4 F9 i
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(jì)制造先鋒的路易·布萊里奧就發(fā)布了由他設(shè)計(jì)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(qiáng)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(gè)分站賽的勝利，并最終獲得了年度總冠軍。
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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(shí)負(fù)責(zé)蓮花賽車底盤設(shè)計(jì)的邁克·考斯丁在一次會(huì)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！
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至于說碳纖維材料在F1賽車上的運(yùn)用那就又是另一個(gè)傳奇了—1981年一級(jí)方程式邁凱倫 MP4/1。
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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(gè)真正意義上將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于整個(gè)底盤設(shè)計(jì)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。
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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(jī)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(jī)機(jī)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。
; P s* C7 B, @) V 碳纖維單體殼原理是什么？ 對(duì)于碳纖維單體殼原理的解釋，這里有種比較生動(dòng)的解釋，那就是雞蛋殼。據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)雞蛋受力均勻時(shí)，一個(gè)雞蛋可以承受近30Kg的力，而一個(gè)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(gè)雞蛋，后輪各用52個(gè)雞蛋的方法支承起了一輛大卡車。
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為什么蛋殼能夠承載比自身重量大得多的重量呢？其實(shí)蛋殼是一種多孔固體，具有夾層結(jié)構(gòu)，有著高比強(qiáng)度、比剛度以及整體輕量化的特點(diǎn)。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(gè)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(gè)地方的情況，單位面積受到的力并不大。 事實(shí)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(gè)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。 0 L- n- Q: f* h% ^; A# I
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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(qiáng)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(qiáng)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(jià)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)。 3 l& @. @6 K$ x9 B3 p
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大家對(duì)這種材料的使用持消極態(tài)度，是因?yàn)檫@種材料的造價(jià)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(shí)就是成本的問題。如何降低成本是這項(xiàng)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(duì)碳纖維材料的關(guān)注度大大提高，這項(xiàng)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(jì)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(shí)代。 ' t/ c8 c: q. o; K
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。 . c/ F% _2 k9 S* w5 E% D4 h$ z/ V
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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(dòng)機(jī)蓋一次整體成型，并大大提高了產(chǎn)品的強(qiáng)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(duì)會(huì)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(jià)車型。比如說國產(chǎn)車型奕代T300，作為一款三輪電動(dòng)跑車，車身采用了復(fù)合材料制作的單體殼車身，整車售價(jià)不到12萬元。
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# { L1 z; S `( e 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(gè)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(jià)車型中。
1 Y- M- p- p( o1 E/ ?) l N 小結(jié) 碳纖維單體殼作為一種質(zhì)量輕、強(qiáng)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(shí)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(shí)刻已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)了。 % N7 p0 t4 W: i; L! h8 X
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發(fā)表于 2017-4-17 16:36:35
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