碳纖維單體殼，這個(gè)名詞在超級(jí)跑車(chē)領(lǐng)域還真就是一個(gè)屢見(jiàn)不鮮的名詞，碳纖維單體殼車(chē)身和高端大氣上檔次的限量版超級(jí)跑車(chē)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(chē)身也從超級(jí)跑車(chē)領(lǐng)域開(kāi)始逐漸向普通轎車(chē)領(lǐng)域拓展。那么，碳纖維單體殼到底為何物，碳纖維車(chē)身又為何物。接下來(lái)咱們就通過(guò)HRT車(chē)隊(duì)的碳纖維單體殼車(chē)身來(lái)好好聊一聊這個(gè)技術(shù)。

HRT車(chē)隊(duì)是什么？

HRT車(chē)隊(duì)全稱(chēng)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(chē)大賽的車(chē)隊(duì)。而大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽簡(jiǎn)稱(chēng)FSAE，是由國(guó)際汽車(chē)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(chē)大賽的架構(gòu)里，全球各高校的賽車(chē)隊(duì)都會(huì)按照賽事規(guī)則和賽車(chē)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(chē)，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(chē)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(chē)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造了五輛燃油方程式賽車(chē)和兩輛電動(dòng)賽車(chē)，在即將到來(lái)的新賽季里，HRT車(chē)隊(duì)又將推出全新的燃油方程式賽車(chē)、電動(dòng)賽車(chē)以及一輛Buggy賽車(chē)。在接下來(lái)的專(zhuān)題里，筆者還會(huì)對(duì)HRT車(chē)隊(duì)的幾款賽車(chē)進(jìn)行全面的解讀。而支持HRT車(chē)隊(duì)的核心技術(shù)，就是碳纖維單體殼的車(chē)身技術(shù)。

碳纖維單體殼為何物？

要搞清這個(gè)問(wèn)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(guò)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(huà)說(shuō)，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(xiàn)，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(chē)身領(lǐng)域，單體殼結(jié)構(gòu)的車(chē)身其實(shí)就是承載式車(chē)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?xún)?yōu)勢(shì)以及高整合度優(yōu)勢(shì)。所以單體殼的承載式車(chē)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(chē)以及超級(jí)跑車(chē)領(lǐng)域。安全性方面的優(yōu)勢(shì)同樣來(lái)源于單體殼車(chē)身的面結(jié)構(gòu)，相比于空間桁架車(chē)身而言，單體殼車(chē)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(guò)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行能量傳導(dǎo)。所以，在高速碰撞時(shí)，單體殼的車(chē)身結(jié)構(gòu)能夠?yàn)檐?chē)內(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(chē)身和非承載式車(chē)身的區(qū)別，單體殼車(chē)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(chē)身以面為車(chē)身基體，所以作為整車(chē)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(chē)身結(jié)構(gòu)能夠帶來(lái)最大化的內(nèi)部空間。

而普通車(chē)型上所采用的承載式車(chē)身之所以不能夠稱(chēng)之為單體殼車(chē)身就是因?yàn)槠胀ǖ某休d式車(chē)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(chē)隊(duì)的碳纖維單體殼車(chē)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(chē)的承載式車(chē)身上，那么測(cè)試車(chē)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(chē)隊(duì)的賽車(chē)在車(chē)身重量方面相比于采用空間桁架結(jié)構(gòu)的車(chē)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(shuō)，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(shù)脂。前面說(shuō)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(shù)脂材料進(jìn)行粘合和成型。人工聚合而來(lái)的樹(shù)脂材料被稱(chēng)為合成樹(shù)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(shù)脂材料被廣泛的運(yùn)用于我們的生活中，換句話(huà)說(shuō)，就是塑料。而環(huán)氧樹(shù)脂是眾多合成樹(shù)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(shù)脂中形成的復(fù)合材料就是我們總在說(shuō)的碳纖維材料，它的學(xué)名叫碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂/聚合物。

當(dāng)環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(wèn)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(chēng)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(guò)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(xiàn)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(chē)用碳纖維結(jié)構(gòu)件的主要編織方式，同樣的，HRT的賽車(chē)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(chē)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(chē)隊(duì)的確是走在了時(shí)代的前沿。更值得一提的是，HRT車(chē)隊(duì)是一支由在校大學(xué)生組成的車(chē)隊(duì)，碳纖維單體殼車(chē)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(chē)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(chē)隊(duì)的步伐對(duì)碳纖維單體殼車(chē)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。