碳纤维单体壳技术详解

碳纤维单体壳，这个名词在超级跑车领域还真就是一个屡见不鲜的名词，碳纤维单体壳车身和高端大气上档次的限量版超级跑车搭配起来可是相得益彰。而随着新一代宝马7系的亮相，碳纤维复合材料的车身也从超级跑车领域开始逐渐向普通轿车领域拓展。那么，碳纤维单体壳到底为何物，碳纤维车身又为何物。接下来咱们就通过HRT车队的碳纤维单体壳车身来好好聊一聊这个技术。

HRT车队是什么？

HRT车队全称HIT Racing Team，是代表哈尔滨工业大学参加大学生方程式汽车大赛的车队。而大学生方程式汽车大赛简称FSAE，是由国际汽车工程师协会组织的大学生工程设计比赛。在大学生方程式汽车大赛的架构里，全球各高校的赛车队都会按照赛事规则和赛车制造标准在一年的时间内完成设计、制造一辆方程式赛车，并且由学生驾驶进行比赛。而哈尔滨工业大学的HRT车队自2009年参加第一届FSAE以来，就一直征战FSAE赛场并荣获多项第一，并且还曾代表中国出战FSAE的国际赛事。

时至今日，HRT车队已经设计和制造了五辆燃油方程式赛车和两辆电动赛车，在即将到来的新赛季里，HRT车队又将推出全新的燃油方程式赛车、电动赛车以及一辆Buggy赛车。在接下来的专题里，笔者还会对HRT车队的几款赛车进行全面的解读。而支持HRT车队的核心技术，就是碳纤维单体壳的车身技术。

碳纤维单体壳为何物？

要搞清这个问题需要先来看看什么是单体壳技术，单体壳其实是一种结构技术，顾名思义，单体壳结构就是通过壳体表面来进行承载，而非采用内部框架结构进行承载。换句话说，单体壳技术事实上就是蛋壳原理在工业上的扩展，而蛋壳本身就是一个完美的单体壳结构。单体壳结构在工业领域出现的最朴素需求就是单体壳结构具有重量方面的强大优势，由于承载重物的作用力均匀分散到每一个面，而非是空间桁架结构的每一根线，所以单体壳结构还有着空间桁架结构所无法比拟的扭转刚度。

那么再细化到车身领域，单体壳结构的车身其实就是承载式车身的最终结构形式。除了上述的两大原因之外，单体壳结构还拥有空间桁架结构所不具备的高安全性优势以及高整合度优势。所以单体壳的承载式车身结构自上世纪六十年代以来就被广泛的运用在方程式赛车以及超级跑车领域。安全性方面的优势同样来源于单体壳车身的面结构，相比于空间桁架车身而言，单体壳车身在缓解冲击力时是以面进行能量传导，而再好的空间桁架结构也能是通过线来进行能量传导。所以，在高速碰撞时，单体壳的车身结构能够为车内成员提供更为全面的安全保障。

至于整合度就更好理解，这个道理就是承载式车身和非承载式车身的区别，单体壳车身内部不需要空间架构，也不需要空间架构外的包覆件，所以整体感就要更强。同时单体壳车身以面为车身基体，所以作为整车部件安装的基体就要相比于空间桁架结构要来得更加自如。在同样的外廓尺寸下，单体壳车身结构能够带来最大化的内部空间。

而普通车型上所采用的承载式车身之所以不能够称之为单体壳车身就是因为普通的承载式车身的主要受力件依旧是框架型的空间结构。单体壳结构到底有多强大呢，举个例子，HRT车队的碳纤维单体壳车身长度不到两米，但是扭转刚度却能够达到4000Nm/deg以上，这一数据如果按比例作用于家用轿车的承载式车身上，那么测试车很有可能就会被拧成麻花。由于碳纤维单体壳技术的运用，HRT车队的赛车在车身重量方面相比于采用空间桁架结构的车身至少要降低10kg。

碳纤维单体壳是单体壳技术伴随材料工艺技术的进步发展而来的一种全新的结构。相比于金属单体壳结构，碳纤维单体壳进一步强化了单体壳结构的轻量化属性和高强度属性。碳纤维材料是近年来发展起来的一种高分子复合材料。一般来说，碳纤维材料一般由以下几种物质构成。

第一，碳纤维，碳纤维是一种具有高强度和模量的耐高温纤维，是化纤产品中的高端产品。其分子结构较为稳定，同时也具有轻而坚韧的特性，所以以碳纤维制造的复合材料普遍具有强度高、刚度高、耐高温、耐腐蚀的特性。根据碳化条件、制作工艺的不同，碳纤维又被分为了不同的等级，在这里就不多做赘述。

第二，环氧树脂。前面说到的碳纤维是最朴素的状态，即丝状。那么要把丝状的碳纤维编织成碳纤维复合材料，就需要树脂材料进行粘合和成型。人工聚合而来的树脂材料被称为合成树脂，根据性质的不同分为热固型和热塑型两种，由于具有较高的成型适应性，所以树脂材料被广泛的运用于我们的生活中，换句话说，就是塑料。而环氧树脂是众多合成树脂中物理性能和化学性能都非常优异的产品，同时对于金属和非金属都有着较好的粘接强度，且成型稳定性较好强度较大，所以被广泛的运用。在复合材料的领域里，将碳纤维作为增强体，加入到环氧树脂中形成的复合材料就是我们总在说的碳纤维材料，它的学名叫碳纤维增强树脂/聚合物。

当环氧树脂和碳纤维形成复合材料之后，由于碳纤维被固化，纤维与纤维之间的联系就靠树脂间的粘接作用进行联系，那么同向排布的碳纤维之间就很容易出现撕裂的情况。所以，为了解决这个问题，碳纤维材料中的碳纤维都是以经纬相交的方式进行编织，由此形成了交织布的结构。根据交织布的排布不同，在碳纤维结构里有可以分为平纹、斜纹、缎纹三种形式。

平纹结构为一经一纬平行编织，具有对称特性，所以其拥有最大的稳定性和合理的孔隙率。也正是因为平纹结构过于稳定，所以平纹结构也是最难弯曲的结构。同时由于碳纤维弯曲较多使得平纹结构的碳纤维复合材料机械性能要低于其他交织布结构。而斜纹结构则是以一经纱上下交替穿越更多数量的维纱，由此形成对角线的效果。相比于前者，斜纹结构拥有更好的弯曲性能，同时表面也要更加光滑且具有更好的机械性能。所以斜纹的结构是目前车用碳纤维结构件的主要编织方式，同样的，HRT的赛车也运用了斜纹结构的碳纤维复合材料。

随着近年来环保法规的愈发严苛，越来越多的汽车企业也将碳纤维复合材料的运用列为重点攻关的项目。而在这一领域，HRT车队的确是走在了时代的前沿。更值得一提的是，HRT车队是一支由在校大学生组成的车队，碳纤维单体壳车身的设计、制作都是由学生们自发完成。从HRT系列赛车的完成程度以及效果来看，规格严格，功夫到家的校训还真不是盖的。在接下来的文章里，笔者将继续跟随HRT车队的步伐对碳纤维单体壳车身的缺点、设计原则以及成型工艺进行详解，敬请关注。