鋼硬、鋁輕、碳纖維通殺！車體材料科技大觀

【終生超跑】資料來源：AUTONET記者：Vincent(08/24/2012)

目前絕大多數的汽車，車體結構都採用「鋼材」打造，此架構沿用百年之久，技術成熟且價格合宜，然而少數性能或旗艦房車採用全鋁合金車體，強調輕量化，至於頂尖的超級跑車與賽車則是採用碳纖維車體技術，然而以上不同材質的車體有何特性與優缺點？且看以下分析。

目前九成以上的汽車都採用鋼製車身結構，其最大優點就是成本低廉，因為鐵礦是目前全球產量最豐富的礦產之一，且蘊含量也高，原料價格穩定，材料來源不虞匱乏，此外煉鋼與相關合金技術相當純熟，鍛造、鑄造、焊接、切削等加工技術上也很先進，因此汽車工業大量倚賴鋼製車體技術。 鋼材的另一特性就是剛性與強度優異，換句話說鋼製車體只要設計得宜，即具備優異的抗翹性，並具備一定的彈性，並非死硬，有助於操控時的穩定性，以及面對震動時的舒適性。此外，鋼還具備一項特點，就是韌性優異，就算受到過大的應力而變形後，仍具有一定的支撐性，不會像玻璃纖維等材質一樣瞬間脆裂失去支撐性，因此在安全性方面相對可靠。 在耐久性方面，鋼製車體不會因為使用時間久了，抗翹性大幅衰退，基本上鋼材在受力時，要超過最大承受應力後，才會造成剛性上的減損，此點相對於其他材質就顯得穩定與可靠，因此鋼製車體使用年限可以更耐久，然而此論點僅是在「理想狀況」！因為鋼材有一個最大缺點，那就是會氧化生鏽，生鏽的鋼不但不具備保護性，也不具備支撐性！此問題在濕熱的台灣更顯嚴重，此外在寒帶國家經常用鹽巴防止路面結冰的地區，以及位於沿海地帶的車輛，「生鏽」始終是影響汽車壽命的頭號天敵！ 為了防止車體與鈑件生鏽，一輛新車在車體結構完成後，必須將整個裸車架浸泡在特殊烤漆池中，進行高規格的防鏽處理，之後並在底盤塗上厚厚的防鏽、抗噪音材質，汽車製造廠的車體製造與防鏽、烤漆設備，其成本超過總投資金額的1/2！由此不難想像鋼製車體的防鏽處理是多麼重要且耗費財力。因此別以為您的愛車開了十年都沒有鏽斑，並非鋼材優異，而是「表面功夫」到家！

目前單價較高的車款，部分鈑件都會採用鋁合金材質打造，目的就在於輕量化，尤其是應用在「較高的」鈑件，如車頂、引擎蓋、行李廂蓋等，有助於降低車身重心。至於追求極致性能表現的超級跑車，如FERRARI 458 Italia，除了全車外觀鈑件之外，連車體結構也都採用鋁合金材質打造，鋁合金除了「輕」之外，還有哪些優缺點？首先價格就是一項障礙。

鋁礦的含量與產量與鐵相當，理論上鋁不會比鐵貴，但是在製程方面，因鋁的活性比較高，因此在自然界常以三氧化二鋁的型態存在，必須用電解方式提煉，將耗費大量電能，生產設備與技術門檻皆高；相較下鐵礦只要以加熱還原方式即可取得生鐵，因此鋁的成本比鐵貴2～3倍是很正常的。 論及加工方面，鋁的延展性比鋼優異，易於製造各種弧度的鈑件，但是鋁合金焊接困難度較高，甚至要採用連續焊接技術，才能達到應有的剛性表現，因此許多鋁合金車身都採用航太卯釘做為鈑件接合的固定方式，因此論及加工過程，鋁合金車體依然高於鋼製車體。

鋁合金的密度大約只有鋼材的1/3，但是鋁合金的強度也僅有鐵的1/3。理論上，在相同的抗翹標準下，鋁製車身不會比鋼製車身輕，但是在剪力學的設計下，利用結構設計強化車體各部位的支撐性，因此鋁車身通常可以比鋼製車身輕20％以上的重量，然而在設計上，必須大量使用鍛造鋁件，設計與製造成本相對提昇，因此僅適合用於高單價車款，一般車輛用不起鋁合金車體。

以使用全鋁合金車體的AUDI A8為例，車身重量較同級競爭對手輕200kg以上，輕量化程度相當明顯，目前使用全鋁合金車體的新車，包括JAGUAR XJ車系、ASTON MARTIN與FERRARI非限量版跑車、AUDI R8等，輕量化幅度都相當優異。 至於許多高級車款，如LAND ROVER Range Rover，車身鈑件全部為鋁合金打造，亦能降低近百公斤的重量。至於BMW 5系列於車頭的剛性結構，全部採用鋁合金打造，座艙部分則是以鋼材搭配局部鋁合金材質，以「混搭」方式構成，除了減輕重量之外，亦利於車身前後重量平衡，事實上許多車款都有使用鋁合金材質，包含相當重要的懸吊系統，差別只在於比例，懸吊部分因涉獵較為深入，待日後再另行分析。

對高級車而言，鋁製車體「不生鏽」就是一大利多。鋁合金具備抗腐蝕特性，且氧化鋁硬度高，能保護鋁鈑外觀，不會讓內部的鋁材繼續氧化或腐蝕，因此不會像鋼車體一樣會有鏽斑與穿孔等問題，因此耐久度良好，目前拍賣價格極為昂貴的FERRARI古董車，許多都是採用鋁合金車體或鈑件，歷經四十年以上的歲月，外觀與車身結構依然良好，並沒有遭遇到鏽蝕的洗禮。

然而鋁合金仍有若干缺點，如鋁的彈性不佳，不能用於製作彈簧，只能以「硬派」的方式表現，所以鋁合金車體缺乏鋼製車體的韌性，於減震設計上有賴懸吊系統來化解各種大小震動。除此之外，鋁合金的強度，會隨著時間慢慢衰退，如剛出廠的跑車開起來都相當紮實，並帶有「硬梆梆」的感覺，但是幾年過後，慢慢覺得車身結構有變軟的感覺！ 於安全方面，鋁合金的安全潰縮設計同樣困擾著工程人員，因為鋁合金承受過大應力時，一旦超過臨界點就會瞬間折斷，完全失去支撐性，因此從撞擊安全的角度來看，全鋁合金車體並不會比較優異。 於維修方面，因鋁合金彈性不佳，當車輛遭遇撞擊，鋁合金鈑件一旦變形後，要用敲、拉等板金方式復原相當困難，非常考驗技術，變形程度過大的鈑件通常只有更換一途，此外以板金方式復原後，弧度也不會很漂亮，波浪通常都偏明顯，因此在維修成本上明顯高於鋼製車體，輕量化的背後，代價總是高昂的！   Mclaren F1 MP4-1   一談到「碳纖維」就有一種讓人肅然起敬的感覺！因為此技術早期乃是應用在軍事工業與航太科技上，價格昂貴、技術性高，一如現在的燃料電池，也只見於軍事與航太設備，並未應用在一般市售車上，僅見於實驗性車款並以企業租賃方式運行，因此昔日的碳纖維產品充滿神秘與神話色彩！但今日的碳纖維產品愈來愈普及，並普及於日常生活中，小至鑰匙圈，大至網球拍，某些汽車的鈑件也以碳纖維取代。   Mclaren F1 MP4-1   1981年，全球首輛車體全部以碳纖維材質打造的賽車～Mclaren F1 MP4-1問世，然而此全新的嘗試仍有濃厚的實驗與摸索性質，並未能在輕量化與剛性上取得平衡，因此在賽場上並沒有立即嶄露頭角，但是隨著技術的精進，Mclaren F1賽車的實力愈來愈強，進化至MP4-4賽車時，徹底發揮輕量化+高剛性優勢，於年度16站賽事中取得15勝！即便競爭對手應用各種輕合金與玻璃纖維等高分子聚合物，依然敵不過全碳纖維車架，由此可見碳纖維材質確實與眾不同，時至今日，沒有一輛F1賽車不是採用全碳纖維車架！ 那麼碳纖維是誰發明的？答案可追溯至19世紀末期，當時愛迪生正在研究「燈泡」這項產品，箇中關鍵除了內部灌有惰性氣體的玻璃球體之外，通電發光的燈絲也是重點，為了尋求各種可行方案，碳纖維便在此時被研發出來，因此碳纖維除了強韌特性外，並具備導電性，千萬別以為碳纖維材料特性和「木頭」一樣具備可燃性但是能絕緣，事實上其導電性並不差，因此曾有釣客持碳纖維釣竿揮舞時，因尖端放電關係而遭到雷擊！   F1賽車已全面採用全碳纖維車架   碳纖維最大的特性就是堅韌與質輕，且可塑性高，依照不同的編織、搭接、複合材質與各種成型加工方式，能符合彈性、硬度、導電性等不同需求，其他特性為耐磨、耐腐蝕、耐高溫，目前因加工技術的進步，碳纖維可塑造為各種造型的產品，最鮮明的例子就是單車，昔日鋼管或鋁管車架的年代，單車造型相當受限，但今日各種流線型或青蛙腿造型車架爭奇鬥豔，全部都是碳纖維成品，造型魔力遠遠超過金屬產品，由此可見碳纖維的綜合性能相當優異，其他材質難以匹敵！   目前只有少數超級跑車採用碳纖維車架   愛迪生最初發明的碳纖維材質，乃是將植物纖維材料或棉花預先製成所需的造型後，再經過碳化過程便完成，沒有經過編織與層接，因此沒有剛性可言，材質堅硬但質地卻很脆，缺乏韌性難以加工與成型。事實上在碳纖維發明後的八十年，此材料並沒有太大進展，直到1967年因合金技術發展遇到瓶頸，高分子聚合物才開始被注意，進而研發出「碳纖維布料」，進而以此多層布料層層搭接方式，製造成各種碳纖維產品。 為何植物纖維不能直接塑型並加熱碳化製成各類產品？其原因有二，主因在於纖維質具有有方向性，纖維軸向能承受相當大的張力，但是橫向受力則是非常脆弱，而且一但超過最大承受應力，馬上沿著纖維紋理瞬間破裂，以此方式製作成各類產品，可說是不能摔、不能撞、也不能荷重。至於第二項原因，那就是纖維材料在高溫碳化過程中，體機會大幅縮小，重量也會大幅減輕，如此一來完全無法掌握成型後的精確尺碼，用於大量生產時良率極低！因此才會發明出「碳纖維布」這樣的基礎材料。