车身外衣的轻量化发展 复合材料的兴起

>文 吴中元

车身外衣的轻量化发展 复合材料的兴起

>文 吴中元

当我们还在为爱车漆面保养犯愁的时候，其实另一种新型的车身外衣材料已经悄然兴起。有人可能马上就会想起某次被自己撞碎的保险杠外护板……不不不，我指的不是那些为了节约成本而使用的塑料件，更是一直被赛车追捧，近来也在新型电动车上得到应用的复合材料。

说到复合材料，这个目前的官方称呼总让人觉得搞不清究竟是什么构成，其实它就是我们在多年前就已经耳熟能详的碳纤维。那么，在汽车诞生百年之后，车身材料为什么会产生变化呢？我们首先要了解，汽车外衣的功能。汽车的结构设计不同于大尺寸的火车车厢侧壁，承担汽车整体强度与安全保障的主要结构，是车辆内部的承载式车身框架。比如我们熟悉的A柱、B柱、C柱以及发动机舱框架，都是对强度要求较高的安全结构。而通常车身外衣采用的钢板所承担的安全任务有限，更多服务于车辆造型、耐用性以及空气动力学表现。而一些对此不了解的人会盲目地用钢板厚度来攻击某些厂家车型的安全性，这确实是一种误解。

而近年来，油价的波动，环境的日益恶化，都让我们越来越需要关注车辆的效率表现。而在提升车辆整体运行效率时，轻量化就成了非常迫切的课题。我们之前已经介绍过，车身内部结构所使用的材料已经由钢材质在向轻质合金（比如铝合金、镁合金等）发展。而这些镁铝合金尽管强度很高，但延展性却很差，无法冲压成型，于是车身外部材料转向其他材料领域。

在赛车领域已经成熟使用多年的碳纤维复合材料车辆套件自然也进入了量产车生产厂商的视野。应该说，赛车大范围使用复合材料倒不是为了车辆的效率考虑，就是单纯为了减重，从而发挥出车辆更好的性能表现。

奥迪赛事负责人曾表示，改进制造材料是降低赛车重量的最直接方法。作为轻质高强度复合材料，碳纤维无疑是目前最理想的赛车车身材料。奥迪R8 LMS赛车的车身就大量使用了这种材料，此外包括纯碳纤维赛车座椅等设计大幅度降低了赛车的自重。除规则强制要求的车门和车顶保留铝制，奥迪R8 LMS的外部车身完全由高强度、轻重量的碳纤维材料所包裹。为达到几近苛刻的轻量化要求，奥迪R8 LMS的车身甚至连漆面都省去了，取而代之的是车身表面一层极轻薄的浸渍式阴极涂层（CDC），进一步减低了车身重量。

那么这碳纤维复合材料究竟有什么成分，又是如何制造成型的呢？说来有趣，车身复合材料的制造和我们日常穿的衣服制造过程十分相似。服装的制造需要先由丝纺线，由线织布，然后对布料进行拼接，最后熨烫成型。没错吧？好，我们再来看看碳纤维复合材料的制造。

首先，我们需要制得碳纤维原丝热塑性聚丙烯腈纺织纤维，这种材料是由碳链构成的稳定石墨结构。这种碳纤维的直径为7微米，约为我们头发直径的1/7。有了这种材料，我们就可以开始“纺纱”了，5万个这种单纤维被整合缠绕起来以备下一步的使用。接下来，碳纤维束被缝制成“碳纤维编织物”，这一步的关键是要让碳纤维束以不同的方向排列以增加材料的强度。经过剪裁的“碳纤维编织物”会在高压下与液态树脂进行连接与固化成型，于是碳纤维强化塑料复合材料车身配件就制成了。

复合材料的使用对于车辆轻量化的效果明显。对于赛车和改装车，复合材料帮助车辆动力性能更好地发挥，同时也赋予车辆一个炫酷的外表。而对于以BMW i3为代表的新型电动车，这种材料的使用则带来了车辆能耗的进一步降低，提升车辆的效率表现。

事实上，碳纤维复合材料的使用已经不局限在汽车工业范畴。在对于性能追求更为极致的航空领域，复合材料的使用也开始崭露头角。说来有趣，尽管汽车与航空两个领域的技术总有千丝万缕的联系，但通常占上风的总是看上去更加高端的航空技术。不相信吗？我们来数一数。目前当红的涡轮增压技术起源于航空发动机对于高空稀薄空气的应对。现在广受追捧的全合成润滑油起源于高空低温下航空器起落架轴承润滑难题。更不用提什么铆接铝合金结构，那更是飞机几十年前玩儿剩下的。

不过在复合材料使用方面，似乎是汽车占了先机。在汽车赛事领域和改装车圈，碳纤维复合材料早已是相当成熟的车身解决方案。而民用飞机上开始大范围使用复合材料不过是近几年的事情。波音787和空客A350这两款面向新时代的机型为了给航空公司看到更高的效率与更大的利润空间，均开始大规模采用对于减重效果明显的复合材料。结果是降低了20%以上的燃油消耗，这次技术革新带来的效率提升堪比双发客机取代四发飞机（1969年诞生的波音747为代表）执飞洲际航线。可以说材料工艺带来的革新，既是一个时代的结束，也是另一个新时代的开始。