碳纤维复合材料成就超级跑车

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半个世纪前，灿灿生辉的跑车将赛车的动力和光彩带到了公路上。今天，跑车依然要做到这一点，但是能满足此要求的现代跑车很可能是用碳纤维制造的，而不是金属。梅赛德斯-奔驰迈凯伦SLR（Mercedes-Benz SLR McLaren）和保时捷卡拉雷GT（Porsche Carrera GT）就是两个很好的例子。
      X-Power SV
     如果现代的梅赛德斯-奔驰迈凯伦SLR能够不负50年前其前辈——著名的奔驰300SL公路车的盛名，奔驰及其合作伙伴们会对他们在现代限量版Grand Turismo超级跑车上的冒险非常满意。
    SLR（原意是运动、轻巧的公路赛车：sporty, light road racer）沿袭了300SL的一些独特风格，并使用了公路赛车的制造技术。SLR安装有一个460千瓦（626 bph）的V8发动机，可以使其在3.8秒内从0加速到100千米/小时，然后达到最大速度334千米/小时。SLR还包括一个互相匹配的变速器和悬架结构以及全复合材料的主体结构。车身前半部分充分显示了其赛车血统，车身前端的中心很像F1银剑（Silver Arrow）的鼻锥，这是其领先的合作伙伴迈凯伦（McLaren）成功设计出来的，而且整个底盘/车身采用碳纤维增强塑料（CFRP）制造。CFRP具有轻质坚固的特点，使得公路汽车的性能优于多数其他材料制成的汽车。同时，这种材料还具有一定程度的保护功能，可以保护司机免受高速碰撞造成的伤害。
    与现代的一级方程式赛车一样，该车的主体组成部分是一个坚固的单壳式结构，所有元件直接装配在上面。这些元件当然包括底盘元件、发动机支承、前端的防撞击结构和尾部结构。该单壳式结构是一个安全的密闭结构，在交通事故中为乘客提供高度保护。坚固的纵向CFRP元件组成的防撞击结构进一步提高了对头部撞击的保护性能，因为CFRP元件在吸收能量的同时是逐渐碎裂的。
    据梅赛德斯-奔驰公司介绍，使用碳纤维可以制造出超轻的车身，而硬度和强度也更符合F1的要求。CFRP元件具有与钢或合金元件相同的强度，而重量却比钢轻50%，比铝轻30%。奔驰公司说，在大约1600千克的重量中，SLR的主体结构比钢结构整体要轻30~40%。
    复合材料的设计和制造技术源于迈凯伦复合材料公司（McLaren Composites），该公司起初只是240 mph迈凯伦F1公路车的生产工厂，20世纪90年代，为迈凯伦车队的车手们生产了100辆这种F1跑车。（20世纪80年代，在将赛车底盘材料从铝转化成复合材料方面，迈凯伦已经是一个主要的推动者，先驱之作就是他的MP4赛车。）复合材料技术经验也来自迈凯伦的合作伙伴梅赛德斯-奔驰公司，奔驰公司母公司戴姆勒-克莱斯勒（DaimlerChrysler AG）已经为空客开发了高标准的复合材料飞行控制结构。（戴姆勒-克莱斯勒公司拥有迈凯伦公司一定的股份。）
      尽管大型复合材料部件多数是在其他地方生产的，但车是在位于英国萨里郡（Surrey）Woking市非常明亮干净的迈凯伦技术中心内组装的。虽然迈凯伦和这个项目中的转包商及供应商都不准备发表评论，但当地有报道说，南汉普郡（South Hampshire）Hamble的Aerostructures公司负责生产主要的车身/底盘结构，使用的是怀特岛SP公司的SPRINTTM技术（SP公司的树脂注塑技术）。包括车门和行李箱盖在内的车身面板由一家未透漏名称的海外模具商生产。
    迈凯伦决定采用树脂注塑工艺取代高压釜固化碳纤维预浸料工艺，因为尽管起源于航空航天的工艺技术为F1赛车的少量生产提供了最好的产品，但批量生产却需要一种更便宜的材料系统。研发和试验工作在技术中心一个专门的树脂注塑车间进行，试验结果表明，注塑工艺成本更低，同时也可以生产出高质量的产品。其他工艺如树脂传递成型（RTM）和预浸料坯则用于制造SLR的特定部件，但注塑是主要工艺。
    梅赛德斯-奔驰迈凯伦SLR
    使用碳纤维外层中间夹有预增粘树脂这样的预浸材料（SPRINTTM是使用这种材料的技术之一），具有明显的生产优势。因为材料的每一侧都是干的，并且足够坚硬易于处理和放入模具中，因此快速层合是很容易的。加热时，“半预浸”材料中恰好数量的树脂浸润纤维表层，而且一定的层压材料面积上，所用树脂的变化量很小，这有助于达到连续一致的层压质量。在整个层合过程中，树脂是紧挨着纤维层的，树脂只需移动很短的距离以渗透纤维层。因此，浸润既快速又彻底，也可以得到高质、无空隙的层压材料。在烘箱中固化可能比在高压釜中更有效。一般来说，一个固化周期足以完全固化该层压结构。
    SLR也实现了高水平的部件整合。例如，预成形的泡沫芯材插件被包含在门柱中，而据报道说，包括所有支承构件和安全元件在内的整个地板总成是一体成型的。碳纤维单壳体结构包括铝和钢悬架元件的整体式安装架，铝制发动机悬置件是用螺栓固定到复合材料横隔板（bulkhead）上的。
    面对7年3500辆汽车的计划产量（迄今已经生产了1000辆），合作者们还可以投资以进行一定程度的自动化生产。例如，层压材料在CAD软件的控制下自动切割，并在机器的辅助下摆好。在树脂注塑之前，CFRP车顶骨架结构中的孔穴由泡沫自动填充。机器将CFRP层缝编在一起，然后修整成最终形状就制成了特定的汽车轮廓。同时其他机械在泡沫芯材周围进行碳纤维的编织，以便得到尺寸精确、具有特定形状的组件。
    碰撞
    这种单壳体车身结构相当于一个安全舱，其CFRP部分夹层结构使汽车具有高度的防碰撞功能。在侧面撞击中，复合材料和铝质型材制成的深深的车身门槛有助于保护乘客免受伤害。在侧面和尾部碰撞中，坚固的CFRP座椅框架加上高科技的安全气囊和安全带，可以提供进一步的保护。与原来经典的奔驰300SLR一样，车门下的门槛深度无法使乘客进入正常安装在门柱上的车门。50年前的解决方案就是著名的鸥翼式车门，车门铰接在车顶上，但在现代的后继车型中，复合材料车门是铰接在车顶上前方的，这样一来，车门打开时，是向上、向前摆动的，提供了更宽的门洞，驾驶者和前排乘客能够舒适地进出。
     F1的设计师们对碳纤维的能量吸收特性已经研究了很多年，但SLR还是第一批使用碳纤维复合材料制造整个前端防撞击结构的量产车。两个长约620毫米、仅重3.4千克的圆锥形纵向CFRP构件，在车头碰撞中逐渐吸收撞击能量，使驾驶员免受难忍的减速之苦，并很有可能保持乘客舱的完整。这些构件的尾部用螺栓固定在铝质发动机支承结构上，而它们的前端通过一个碳纤维复合材料横向构件与车身前部连接。这种连接方式确保在车身前端撞击中，力量主要从构件传递到发动机悬置件上，而不会直接传递到单壳体结构上。每一个“防碰撞支柱”本身都可以吸收大量的能量，因为施加外力时，锥形构件自身会压缩，而组成它的复合材料则从前端到尾端逐渐碎裂。
    梅赛德斯-奔驰迈凯伦SLR
由于这种稳定的变形行为，纵向构件的能量吸收性能可以按照特殊要求来调整。工程师们根据构件长度，通过调整构件的横截面积和层压性能实现了这一点。在得到预期的、可重复的破坏行为之前，开发者们必须进行无数的试验，收集大量的研究结果。他们使用了前端防碰撞结构坠落试验方法和专门的计算机模拟算法。
    在单壳式结构尾部，两个内部纵向构件和一个坚固的横向构件全部是CFRP制作的，用来吸收尾部碰撞产生的能量。
    在另一种创新的生产工艺中，梅塞德斯-奔驰使用一种“高级SMC”工艺，使SLR后窗台板的生产实现了自动化。尽管这种碳纤维复合材料板形状复杂，且存在一些孔穴，它仍然是作为一个单独部件自动制造而成的。实质上，后窗台板是通过纤维/树脂毛坯的热成形而生产出来的。毛坯是通过一种处理系统制得的，即以预先算好的角度并在预先设定的位置上，逐层铺叠纤维/树脂层，最终就得到一个完全符合形状要求和纤维排列要求的后窗台板。
    X-Power
    英国SP系统公司（SP Systems）的市场经理Joe Summers谈到了SPRINT技术在另一辆高级汽车上的应用，这次的应用是车身面板而非单壳式结构。不幸的是，由于母公司的倒闭，这一高级MG X-Power跑车的生产寿命很短。但所有的开发工作持续了下去，并生产了180多辆样品车。SP公司为订约模具商提供了平板包装的成套材料，用于生产车的36种部件。
    正如Summers告诉《增强塑料》杂志（Reinforced Plastics）的，X-Power表明了碳纤维基材A级抛光的问题可以成功解决。SP公司与涂料供应商杜邦涂料解决方案公司（DuPont Coating Solutions）合作来解决这一难题。最终他们断定，当涂有涂料的基材曝露于高温和潮湿环境时，表面薄膜涂层可以防止纤维印透现象的发生。这种“起皱”效应是由于碳纤维和环氧树脂热膨胀系数的不同造成的，例如复合材料的树脂基体在炎热的太阳下会略微膨胀，而纤维基本不会膨胀。SP公司的SF95表面膜与杜邦公司推荐的底漆组合一起使用，提供了有效的屏障，保护了底层的基材，也保持了层压材料的稳定性。表面膜还防止了孔隙对高质量上漆抛光的破坏，并且避免了其他危害，例如石屑。该表面膜混入SPRINT CBS?层压材料中并与其一起固化。CBS指Car Body Shell（汽车车身外壳）等级，与SPRINT不同，其中间加有复合层，增加了硬度，使得材料更易于处理和铺叠。
    “MG和类似的公司都应该消除对汽车用注塑复合材料一直以来的疑虑，”Summers声明，“一个包括重复的热循环试验（-40~110℃、相对湿度达85%）在内的测试程序表明，A级抛光一旦实现是可以保持的。SPRINT CBS这样的预制材料与合适表面膜的结合使用肯定是小量产高端汽车（生产数量在几百到几千之间）的选择方案。
    Summers补充说，SPRINT CBS是为了匹配钢、铝或SMC的硬度而专门设计的，将板材的重量减轻了70%之多（较钢而言）。透气材料层和中间合成芯材的结合提高了硬度，而没有增加重量和成本，同时，因为比传统工艺需要的材料层少，铺叠速度较快。一种特殊的叠合技术确保车身板厚度在SPRINT连接边缘保持不变。
    保时捷卡拉雷GT
（Porsche Carrera GT）
SP的这种材料适合离线喷涂，喷涂温度通常为90℃左右，该材料很快能够以某种形式在现代的工厂内进行在线喷涂，烤漆温度可以超过190℃。
     现在，SP正在参加竞标，为经典Austin Healey跑车的重新创造提供SPRINT CBS解决方案，该车所用材料预计和X-Power所用的相似。
     Carrera
     赛车技术应用于公路车的另一个实例是新型保时捷卡拉雷GT（Porsche Carrera GT），它与奔驰迈凯伦SLR一样，具有全碳纤维核心结构。德国汽车制造商Stuttgart选择使用碳纤维来制造其双座椅、中置发动机、高性能跑车，因为他想得到最低的重心和最小的重量。
     Carrera具有一个主体结构，其中的底盘、前窗玻璃框架、翻车防护结构和中间控制台全部集合成一个整体结构。因为Carrera GT基本上是一辆敞篷车，没有固定的车顶结构（碳纤维硬顶是可以拆卸的），该车的强度和硬度取决于它坚固的脊骨型车架和部分空间构架，而不是单体式外壳。该结构由夹层材料制成，外层为碳纤维/环氧树脂、芯材为芳纶蜂窝，重量低于80千克。钢质翻车保护杆共成型于前窗玻璃框架中。复合材料发动机支承框架连接在主底盘上，以确保其真正形成整体结构的部件，这在赛车场被称为“滚动底盘”。发动机机壳为夹层结构，由耐高温碳纤维预浸布外层和铝蜂窝芯材构成，仅重20.4千克。复合总成承受着所有正常的静载荷和动载荷，载荷来自于发动机、驱动系、车轮、安全带等，它还承受着碰撞产生的额外压力。
    除了这一核心结构，该车的车门、车身门槛、轮拱、行李箱盖、硬顶和斗式座椅全部是用复合材料制成的。座椅是整体结构的一部分，在其右侧提供强度支持。除了夹层结构的车门、两片式硬顶和行李箱盖以外，所有这些部件全部采用单片层压材料制成。碳纤维车身底盖用螺栓固定在底盘上，采用了空气动力学设计，为以330千米/时高速行驶的汽车提供所需的下抓力，使汽车贴紧地面。
    SLR的碳纤维乘客舱
保时捷选择高压预浸工艺来达到高的层压质量和结构的完整性，在其赛车生产中，此工艺使用多年，已相当熟悉。汽车主要结构采用夹层材料制造，以Cytec Engineered Materials公司的碳纤维预浸布为外层，杜邦的Nomex芳纶纤维为芯材。
    任何给定点的结构厚度和预浸料板数量根据所计算载荷的不同而不同。最厚的是车身门槛，此处的标准层压材料用单向预浸料进一步增强，从而在这个关键区域提供车身所需的强度和硬度以保持它的硬度，纵然有门槛的存在。
    耐高温预浸料被选作发动机机壳和环绕区域的材料，此处的温升由612 bph的V-10发动机导致，而且必须考虑它的排气。
    加利福尼亚州Livermore Software Technology公司的软件用于Carrera复杂整体结构的设计。保时捷的工程师们使用Livermore的LS-DYNA软件（专业的有限元分析程序，在汽车公司中应用普遍），模拟部件之间的材料组合、载荷、碰撞动力学和复杂的相互作用。
    意大利ATR集团公司制造了Carrera的整体式核心结构，并提供了车身板的复合材料加工工具。ATR相信整体式结构方法非常适合于跑车，并在最近的法兰克福车展（Frankfurt Motor Show）上展示了这样一个碳纤维结构，强调了他们的想法。ATR声称，这一空间骨架一般比相应的铝质结构轻40%，若GT系列车型部件以日产20件的生产速度计算，生产成本可降低二分之一，同时大大减少部件数量。所有连接发动机机壳、驱动系部件和防碰撞结构的必要连接点都集成在该空间骨架上。复合材料优于铝的一大优势是它们较低的热膨胀系数，因此，当主结构、发动机机壳和组件固定在一起时，紧公差附件可以保持有序状态。
    有着卓越性能和令人垂涎外观的碳纤维跑车，造价都不便宜。一辆奔驰McLaren SLR大概需要花费30多万美元，而一辆保时捷Carrera GT要价更高，大约44万美元。尽管价格昂贵，但这些外观绚丽的跑车的顾客还是大有人在。奔驰迈凯伦生产了1000多辆，据说保时捷也卖出了1000多辆。显然，对于跑车，购买者真正欣赏碳纤维复合材料的工程和美学优势，并花得起钱来买。