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余斯青專欄:纖維物料的應用 (上) ~ 從玻璃纖維到碳纖維
2022-01-17
今次,我們談談汽車與纖維物料的關係。以前經常會聽到汽車使用甚麼碳纖維物料,這其實是現代的東西。至於纖維物料,又在甚麼時候開始應用於汽車工業呢?
早期的汽車,必定是用金屬鐵或銅打出來,甚至輪圈也是用木造,不會見得到纖維。纖維的出現,最早是玻璃纖維(glass fibre),出現於十九世紀末,當時有人發明,把玻璃晶體拉直,變成細小的玻璃纖維體。

到二十世紀初,發現玻璃纖維造出來之後,可以收藏空氣,再加工便可造成今天我們稱之為玻璃棉的物料。當時想到作為建築材料,用以隔熱,就像布料,但可以呈現玻璃面,這就是玻璃纖維最早的用途。

至於最早出現的纖維汽車,其纖維並不是玻璃纖維,而是用黃豆纖維,稱之為soy bean car,意即豆腐車、黃豆車之類。現在我們講起「豆腐車」,大家可能直接聯想到漫畫《頭文字D》裏的AE86。黃豆車的出現,是1941年由亨利・福特(Henry Ford)製作出來。當時正值二次大戰,美國需要大量鋼材,去製造飛機大炮和艦艇,因此鋼材短缺。當時亨利・福特想到,美國一直已在種黃豆,即使時至今天,美國仍是最大的黃豆種植地。亨利・福特認為既然有這麼多黃豆,黃豆裏其實含有纖維,這些纖維可用來製造汽車的車身和沙板,代替鋼材。
當時福特(Ford)造出一部車,所有車身和沙板都是黃豆纖維製造的。造好了黃豆車之後,福特舉行記者招待會供人觀賞。亨利・福特還親自拿起斧頭,砍到車尾沙板去,證明砍不破,非常堅硬,將會是未來汽車製造的可用材料。但不久,美國正式參戰,黃豆纖維車便被放下來。到二戰結束,數年下來,已出現其他新式物料,鋼材供應也開始回復正常,黃豆纖維概念車的發展便無疾而終。

直至約1949年,玻璃纖維開始獲廣泛應用。當時,玻璃纖維除了作為建築材料之外,也開始成為製造船隻的物料,甚至有小型飛機也是以玻璃纖維製造。有位從事玻璃纖維製作的美國人,想到用玻璃纖維去製造汽車車身,於是在1949年造出一部玻璃纖維車。他用美國吉普軍車Willys Jeep底盤,再蓋個玻璃纖維殼進去,再配一副V8機器,像跑車一樣,而此車亦成為汽車史上首部玻璃纖維車。之後到了1950、1951年,他仍然繼續製造玻璃纖維套件和外殼,蓋在其他汽車底盤上。
至於真正使用玻璃纖維去大量生產汽車的,要數1953年的美國雪佛蘭(Chevrolet) Corvette。由當年開始,Corvette成為首款玻璃纖維量產車,直到今天,Corvette仍然是玻璃纖維製造。當然,半百年下來,其玻璃纖維製作方法和質量,已經有很大改變。
玻璃纖維蓮花Elan
談到在香港出現的玻璃纖維汽車,我最早認識的,應該是六十年代在街上看到的英國蓮花(Lotus) Elan,有時也會看到蓮花Seven,但以Elan佔多數,是我在香港看到的第一部玻璃纖維跑車,當時也比較流行。

我記得街上除了有Elan,還有一部車很特別,叫做Marcos,也是英國車,是一部跑車。它推出之時很是耀目,樣子活像鯊魚一樣,車頭引擎位置很長,頭燈有透明玻璃蓋。但大家不要弄錯,這部Marcos不是由Mini改裝的Mini Marcos,雖然它們來自同一車廠,當時Marcos的陳列室位置,是今天銅鑼灣電訊盈科大樓旁小巷裏的一個角落,代理商是「天然照相」的家族,記得Marcos售價並不便宜。至於大家熟悉的玻璃纖維Buggy沙灘車,則要到七十年代才出現。
玻璃纖維繼續發展的同時,新的碳纖維開始進行研發。中段時間,曾經使用Kevlar物料,中文或可譯作克維拉,也有人叫「功夫龍」,因為內含尼龍。「功夫龍」由美國杜邦化工(DuPont)在1965年研發出來,當時公司內一位女發明家Stephanie Kwolek正進行分解研究,發然某個成份可以造出一種特別的物質。這種Kevlar物料有個特別的地方,就是對穿透的阻力非常高,所以防彈衣都會用Kevlar製造。

要知道,衡量物料,既要看其結構性,也要看穿透性。結構性要注意它可以載重多少,結構要穩定。穿透性是penetration,有時候某些物料的結構很硬,但一刺下去便會爆開。因Kevlar的穿透能力非常高,早在七十年代便用在輪胎裏,就連賽車用輪胎都用上Kevlar取代鋼線,取其不易刺穿,其次是它很輕,因此應用在輪胎和防彈衣,適合不過。

此外,賽車用的桶形座椅,如果簡單以玻璃纖維製造,非常容易。不過一旦發生撞車意外,玻璃纖維容易被外物刺破,刺破了的玻璃纖維椅子,可能會插進乘客體內。加進一層Kevlar,便不那麼容易被刺破。所以,很多賽車桶椅,是將碳纖維和Kevlar結合在一起,其織出來的布紋,呈一格黑一格黃,黃色是Kevlar,黑色是碳纖維。結合的好處,是既有結構性剛度,也具穿透性硬度,兩者兼得。但Kevlar的先天不足,是不可以見強光,亦不可以曬太陽,皆因太陽的紫外光會令它分解。Kevlar也不可以遇着鹼性的東西,所以不可將之外露作為整部車的外殼,只能用Kevlar去加固。
後來,便有碳纖維(carbon fibre)的出現。原來,早在十九世紀,大約在1860年的時候,碳纖維已開始被使用。當時的碳纖維,使用在燈泡裏面,現在用的鎢絲,當時是碳絲,功能等於燒炭來發光,只是並不耐用,後來發覺鎢絲耐熱性較高和更耐用,碳絲便被鎢絲取代。而碳纖維的研發,即至上世紀六十年代,才研發到提升纖維裏的碳成份。早期的碳成份只有20%至30%,到後期便可達80%至90%。

1963年,日本人將碳纖維再改良。其實日本出產的碳纖維品質非常高,他們很早期已開始進行研發,事實上,日本人在纖維物料上有很多發明,我們現在於跑車內籠,經常見到的Alcantara人造麂皮物料,是把塑膠拉得極細而成,變成像麂皮的一種物質,而Alcantara也是由日本人在七十年代初發明。日本一直把碳纖維改良,從千禧年代開始,碳纖維開始大量應用在汽車上。

以當時2000年的造價來說,用碳纖維造車殼或車架,比以鐵或鋼材製造,碳纖維要貴30倍。經過20年來的技術發展和市場競爭,到今天鋼材和碳纖維的成本差距,碳纖維大約貴10到12倍。換句話說,如果以一千元買鋼材造車殼或車架,改用碳纖維便需一萬多元才可;但碳纖維輕得多、硬得多。
碳纖維應用之始
在這裏也得說一下,碳纖維應用在汽車行業的緣起。在五十年代,美國化學生產公司Union Carbide(聯合碳化),已經開始將碳纖維應用到各種行業。到六十年代,這個行業便由英國帶領,特別是空軍,當時勞斯萊斯(Rolls-Royce)製造渦輪噴射式引擎,使用碳纖維作為渦輪的扇葉。後來發現,當雀鳥被吸進引擎,以碳纖維製造的扇葉會被打爛破碎,之後便停用,亦因為這個原因,當時碳纖維的應用仍未太廣泛。除了這類特別範疇之外,其他方面沒有人對碳纖維特別在意。

到了七十年代末,英籍賽車設計工程師巴納(John Barnard)活躍於美國的印第方程式賽車。他當時有一個主意想到要將碳纖維物料,應用到方程式賽車上。到1980年,適逢朗・丹尼斯(Ron Dennis)的MP4賽車組織,入主成績日走下坡的麥拿侖(McLaren)一級方程式車隊,而丹尼斯滿有革新意識,於是請來巴納加盟出任技術總監,故巴納的碳纖維方程式構思便得以推動。

當時研發的碳纖維一級方程式賽車,是賽車的carbon tub,我們稱之為碳纖維座桶或座缸,亦被稱為碳纖維座艙,即是中心結構部分。他們當時找公司合作,找了些例如造碳纖維直升機扇葉的,但這些英國公司,覺得他們這個主意太「無厘頭」,沒有一間肯幫他們造。找來找去,巴納於是返回美國,找來飛機研究生產商Hercules Aerospace協助,對方答應為他們造碳纖維。

於是,在1981年賽季,麥拿侖研發出首部配備碳纖維結構桶的一級方程式賽車,即是他們第一代以MP4命名的F1賽車。這部麥拿侖MP4/1賽車,比其他對手的結構更輕和堅固,而且開始為麥拿侖贏出賽事。該年的意大利蒙沙賽事,車手屈臣(John Watson)遇到嚴重意外,賽車撞向圍牆,引擎爆開,全車粉碎,但出奇地,屈臣竟能在一個比較完整的碳纖維桶裏面爬出來,而且沒有受傷。說明如果這部麥拿侖賽車,使用傳統的鋁合金或金屬鋼架製造,以這樣程度的撞擊,車手是不可能不受損傷的。
自此,其他一級方程式車隊亦開始改用碳纖維來造賽車結構桶。Hercules Aerospace事後特意要求麥拿侖,保留這部幾近完全破爛,但中間碳纖維桶仍完整無缺的MP4/1賽車,放在他們公司做陳列品,還加上影片,讓參觀者看一下他們製造的碳纖維結構是多麼的堅硬。

碳纖維麥拿侖F1街車
至九十年代初,當時麥拿侖的技術總監是南非籍的哥頓・梅利(Gordon Murray),他認為如果碳纖維可以應用在賽車上,一樣可以應用到街道用跑車。當他設計麥拿侖F1街車時,便採用碳纖維去構建整個車身結構。當時這部麥拿侖F1的結構相當複雜,所需的生產工時達四千小時,才能完成其碳纖維結構。因此,當時的售價相當昂貴,達六百多萬港元。其後因生產成本太而高缺乏買家,生產了約100部便宣布停產。
超跑王者法拉利(Ferrari)眼見賽場上對手麥拿侖推出碳纖維街車,也不甘後人,他們相信自己亦應該開始用碳纖維去製造街車。早於八十年代中期,特別型號超跑F40,已經開始使用複合材料(功夫龍Kevler、鋼和鋁合金)來做車身和結構部分。於九十年代中期,法拉利推出特別型號的限量新作F50,打算用碳纖維來造車。當時法拉利總部摩德納的生產線附近,有一間工廠叫做ATR,專門製造碳纖維產品。法拉利跟他們一起研發,就建造了F50的碳纖維車身結構部分。
亦因為這原因,令ATR變成在汽車行業裏一家極知名的公司。其他車廠如保時捷(Porsche)、布加迪(Bugatti)、林寶堅尼(Lamborghini),以至瑪莎拉蒂(Maserati),都找他們製作特別一些的項目,或者是供旗下賽車使用的配件。只是,碳纖維生意愈做愈大,卻帶給ATR致命打擊,當中又與保時捷Carrera GT的生產有直接關係。大家欲知後事如何,請看下回分解!
資料提供 = JIMMY YEE
圖片提供 = FERRARI MEDIA + MCLAREN MEDIA + JIMMY YEE + 互聯網

余斯青 (Jimmy Yee)
最早引入歐洲名牌改裝部件到港的先驅,八十年代大坑浣紗街的SPEEDLINE已是香港車壇的icon,及後推動AMG品牌,將平治AMG廠隊帶到澳門作賽,留給一代人美好的回憶。
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