碳纖維單體殼，這個(gè)名詞在超級(jí)跑車領(lǐng)域還真就是一個(gè)屢見不鮮的名詞，碳纖維單體殼車身和高端大氣上檔次的限量版超級(jí)跑車搭配起來(lái)可是相得益彰。而隨著新一代寶馬7系的亮相，碳纖維復(fù)合材料的車身也從超級(jí)跑車領(lǐng)域開始逐漸向普通轎車領(lǐng)域拓展。那么，碳纖維單體殼到底為何物，碳纖維車身又為何物。接下來(lái)咱們就通過HRT車隊(duì)的碳纖維單體殼車身來(lái)好好聊一聊這個(gè)技術(shù)。

HRT車隊(duì)是什么？

HRT車隊(duì)全稱HIT Racing Team，是代表哈爾濱工業(yè)大學(xué)參加大學(xué)生方程式汽車大賽的車隊(duì)。而大學(xué)生方程式汽車大賽簡(jiǎn)稱FSAE，是由國(guó)際汽車工程師協(xié)會(huì)組織的大學(xué)生工程設(shè)計(jì)比賽。在大學(xué)生方程式汽車大賽的架構(gòu)里，全球各高校的賽車隊(duì)都會(huì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)在一年的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)、制造一輛方程式賽車，并且由學(xué)生駕駛進(jìn)行比賽。而哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HRT車隊(duì)自2009年參加第一屆FSAE以來(lái)，就一直征戰(zhàn)FSAE賽場(chǎng)并榮獲多項(xiàng)第一，并且還曾代表中國(guó)出戰(zhàn)FSAE的國(guó)際賽事。

時(shí)至今日，HRT車隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造了五輛燃油方程式賽車和兩輛電動(dòng)賽車，在即將到來(lái)的新賽季里，HRT車隊(duì)又將推出全新的燃油方程式賽車、電動(dòng)賽車以及一輛Buggy賽車。在接下來(lái)的專題里，筆者還會(huì)對(duì)HRT車隊(duì)的幾款賽車進(jìn)行全面的解讀。而支持HRT車隊(duì)的核心技術(shù)，就是碳纖維單體殼的車身技術(shù)。

碳纖維單體殼為何物？

要搞清這個(gè)問題需要先來(lái)看看什么是單體殼技術(shù)，單體殼其實(shí)是一種結(jié)構(gòu)技術(shù)，顧名思義，單體殼結(jié)構(gòu)就是通過殼體表面來(lái)進(jìn)行承載，而非采用內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載。換句話說，單體殼技術(shù)事實(shí)上就是蛋殼原理在工業(yè)上的擴(kuò)展，而蛋殼本身就是一個(gè)完美的單體殼結(jié)構(gòu)。單體殼結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)的最樸素需求就是單體殼結(jié)構(gòu)具有重量方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，由于承載重物的作用力均勻分散到每一個(gè)面，而非是空間桁架結(jié)構(gòu)的每一根線，所以單體殼結(jié)構(gòu)還有著空間桁架結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的扭轉(zhuǎn)剛度。

那么再細(xì)化到車身領(lǐng)域，單體殼結(jié)構(gòu)的車身其實(shí)就是承載式車身的最終結(jié)構(gòu)形式。除了上述的兩大原因之外，單體殼結(jié)構(gòu)還擁有空間桁架結(jié)構(gòu)所不具備的高安全性優(yōu)勢(shì)以及高整合度優(yōu)勢(shì)。所以單體殼的承載式車身結(jié)構(gòu)自上世紀(jì)六十年代以來(lái)就被廣泛的運(yùn)用在方程式賽車以及超級(jí)跑車領(lǐng)域。安全性方面的優(yōu)勢(shì)同樣來(lái)源于單體殼車身的面結(jié)構(gòu)，相比于空間桁架車身而言，單體殼車身在緩解沖擊力時(shí)是以面進(jìn)行能量傳導(dǎo)，而再好的空間桁架結(jié)構(gòu)也能是通過線來(lái)進(jìn)行能量傳導(dǎo)。所以，在高速碰撞時(shí)，單體殼的車身結(jié)構(gòu)能夠?yàn)檐噧?nèi)成員提供更為全面的安全保障。

至于整合度就更好理解，這個(gè)道理就是承載式車身和非承載式車身的區(qū)別，單體殼車身內(nèi)部不需要空間架構(gòu)，也不需要空間架構(gòu)外的包覆件，所以整體感就要更強(qiáng)。同時(shí)單體殼車身以面為車身基體，所以作為整車部件安裝的基體就要相比于空間桁架結(jié)構(gòu)要來(lái)得更加自如。在同樣的外廓尺寸下，單體殼車身結(jié)構(gòu)能夠帶來(lái)最大化的內(nèi)部空間。

而普通車型上所采用的承載式車身之所以不能夠稱之為單體殼車身就是因?yàn)槠胀ǖ某休d式車身的主要受力件依舊是框架型的空間結(jié)構(gòu)。單體殼結(jié)構(gòu)到底有多強(qiáng)大呢，舉個(gè)例子，HRT車隊(duì)的碳纖維單體殼車身長(zhǎng)度不到兩米，但是扭轉(zhuǎn)剛度卻能夠達(dá)到4000Nm/deg以上，這一數(shù)據(jù)如果按比例作用于家用轎車的承載式車身上，那么測(cè)試車很有可能就會(huì)被擰成麻花。由于碳纖維單體殼技術(shù)的運(yùn)用，HRT車隊(duì)的賽車在車身重量方面相比于采用空間桁架結(jié)構(gòu)的車身至少要降低10kg。

碳纖維單體殼是單體殼技術(shù)伴隨材料工藝技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展而來(lái)的一種全新的結(jié)構(gòu)。相比于金屬單體殼結(jié)構(gòu)，碳纖維單體殼進(jìn)一步強(qiáng)化了單體殼結(jié)構(gòu)的輕量化屬性和高強(qiáng)度屬性。碳纖維材料是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高分子復(fù)合材料。一般來(lái)說，碳纖維材料一般由以下幾種物質(zhì)構(gòu)成。

第一，碳纖維，碳纖維是一種具有高強(qiáng)度和模量的耐高溫纖維，是化纖產(chǎn)品中的高端產(chǎn)品。其分子結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，同時(shí)也具有輕而堅(jiān)韌的特性，所以以碳纖維制造的復(fù)合材料普遍具有強(qiáng)度高、剛度高、耐高溫、耐腐蝕的特性。根據(jù)碳化條件、制作工藝的不同，碳纖維又被分為了不同的等級(jí)，在這里就不多做贅述。

第二，環(huán)氧樹脂。前面說到的碳纖維是最樸素的狀態(tài)，即絲狀。那么要把絲狀的碳纖維編織成碳纖維復(fù)合材料，就需要樹脂材料進(jìn)行粘合和成型。人工聚合而來(lái)的樹脂材料被稱為合成樹脂，根據(jù)性質(zhì)的不同分為熱固型和熱塑型兩種，由于具有較高的成型適應(yīng)性，所以樹脂材料被廣泛的運(yùn)用于我們的生活中，換句話說，就是塑料。而環(huán)氧樹脂是眾多合成樹脂中物理性能和化學(xué)性能都非常優(yōu)異的產(chǎn)品，同時(shí)對(duì)于金屬和非金屬都有著較好的粘接強(qiáng)度，且成型穩(wěn)定性較好強(qiáng)度較大，所以被廣泛的運(yùn)用。在復(fù)合材料的領(lǐng)域里，將碳纖維作為增強(qiáng)體，加入到環(huán)氧樹脂中形成的復(fù)合材料就是我們總在說的碳纖維材料，它的學(xué)名叫碳纖維增強(qiáng)樹脂/聚合物。

當(dāng)環(huán)氧樹脂和碳纖維形成復(fù)合材料之后，由于碳纖維被固化，纖維與纖維之間的聯(lián)系就靠樹脂間的粘接作用進(jìn)行聯(lián)系，那么同向排布的碳纖維之間就很容易出現(xiàn)撕裂的情況。所以，為了解決這個(gè)問題，碳纖維材料中的碳纖維都是以經(jīng)緯相交的方式進(jìn)行編織，由此形成了交織布的結(jié)構(gòu)。根據(jù)交織布的排布不同，在碳纖維結(jié)構(gòu)里有可以分為平紋、斜紋、緞紋三種形式。

平紋結(jié)構(gòu)為一經(jīng)一緯平行編織，具有對(duì)稱特性，所以其擁有最大的穩(wěn)定性和合理的孔隙率。也正是因?yàn)槠郊y結(jié)構(gòu)過于穩(wěn)定，所以平紋結(jié)構(gòu)也是最難彎曲的結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于碳纖維彎曲較多使得平紋結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料機(jī)械性能要低于其他交織布結(jié)構(gòu)。而斜紋結(jié)構(gòu)則是以一經(jīng)紗上下交替穿越更多數(shù)量的維紗，由此形成對(duì)角線的效果。相比于前者，斜紋結(jié)構(gòu)擁有更好的彎曲性能，同時(shí)表面也要更加光滑且具有更好的機(jī)械性能。所以斜紋的結(jié)構(gòu)是目前車用碳纖維結(jié)構(gòu)件的主要編織方式，同樣的，HRT的賽車也運(yùn)用了斜紋結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料。

隨著近年來(lái)環(huán)保法規(guī)的愈發(fā)嚴(yán)苛，越來(lái)越多的汽車企業(yè)也將碳纖維復(fù)合材料的運(yùn)用列為重點(diǎn)攻關(guān)的項(xiàng)目。而在這一領(lǐng)域，HRT車隊(duì)的確是走在了時(shí)代的前沿。更值得一提的是，HRT車隊(duì)是一支由在校大學(xué)生組成的車隊(duì)，碳纖維單體殼車身的設(shè)計(jì)、制作都是由學(xué)生們自發(fā)完成。從HRT系列賽車的完成程度以及效果來(lái)看，規(guī)格嚴(yán)格，功夫到家的校訓(xùn)還真不是蓋的。在接下來(lái)的文章里，筆者將繼續(xù)跟隨HRT車隊(duì)的步伐對(duì)碳纖維單體殼車身的缺點(diǎn)、設(shè)計(jì)原則以及成型工藝進(jìn)行詳解，敬請(qǐng)關(guān)注。