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碳纤维板材的抗撞击性有多大吗?
- 2019-07-25-

       碳纤维板材板材是目前最适用赛车的材料,否则的话,那么多 F1 车队,又不缺钱,又不缺人,早就用上更好的新型材料了。与以往的金属材料相比,碳纤维板材的强度、刚性、耐冲击性整体优势,特别是每重量的各种性能明显优于金属材料?;毓薋1历史,我们也可以清楚地看到,与过去的金属赛车相比,碳纤维板赛车在性能和安全性能上都有很大的优势。

       就比如说 2014 年银石赛道莱科宁的事故,当时莱科宁的法拉利赛车在失控之后最终一头撞向护墙,以大约 240 公里的时速笔直的撞到护墙上,碰撞瞬间的冲击高达 47g,随后赛车被弹回赛道,在赛道上转着圈穿过密集的 F1 赛车车流,然后撞到了对面的护栏上,在这期间还击中了马萨的赛车。这样的撞击之后,莱科宁只是轻微擦伤了脚踝和膝盖,自己能爬出赛车。如果这样的安全性能都不能说服你,那你可以想一下,如果这是一辆关门声音比较厚实的神车,这样的碰撞结果会怎样?


       赛车的设计,或者说所有性能车的设计,要更快的车,可以,但是可能不安全;要更安全的车,可以,但是可能不快。所谓的工程设计,就是在这之中找到一个最佳的平衡点。简单说,就是在满足最低的安全要求的前提下,尽量取得最高的赛车性能。而就工程材料而言,这个最佳的平衡点目前来看就是碳纤维板材板材。我们通常所说的碳纤维板材板材是一个模糊的总称,不同种类碳纤维板材板材的性能其实千差万别。

       要注意,我们所说的「碳纤维板材板材」,其实是「碳纤维板材板材增强复合材料」的简称和俗称,与真正的「碳纤维板材板材」是有区别的。所谓的碳纤维板材板材增强复合材料,其实就是用很多碳纤维板材,按照一定的方向排布,然后用树脂或者其它黏合材料紧密的连接成一体。简单说,纤维越密,单位体积内的纤维越多,沿纤维方向的强度就越高;反之,纤维越疏,单位体积内的纤维越少,最终碳纤维板材材料的强度也就越低。

       这也就造成了很多人对碳纤维板材材料的一个普遍误解,那就是混淆了「纤维」和最终的「纤维复合材料」?!赶宋沟男阅芫褪堑ゴ康牟饬康ヒ坏脑仓?,这样测试出来的性能非常惊人,也就是很多人甚至有些科普读物里常说的数倍甚至十倍于钢材。也就是说,最终碳纤维板材材料的性能,其实是纤维性能和填充树脂性能的加权平均。对于大多数碳纤维板材复合材料来说,测试的结果虽然可能强于钢材,但差别并没有达到天差地别的程度。

        对于抗冲击性能的评价非常复杂,测试方法也有很多种,比如传统的断裂韧性的测量,再比如高速的子弹冲击试验等等。碳纤维板材材料的冲击性能受温度和加载速度的影响也很大。不同的应用领域关心的测试条件也不尽相同,而相应的破坏模式也不一样。这里我们只是笼统的用韧性这个概念,只是为了说明碳纤维板材的韧性跟钢材基本处在同一个数量级上。

       那问题就来了,既然没有什么太明显的区别,为什么赛车还要用碳纤维板材呢?因为我们还没有考虑另一个重要的参数,也就是密度。碳纤维板材的密度远远小于钢材、铝合金这些金属材料,也就是说,做同样的一个零件,差不多体积,满足类似的力学性能,碳纤维板材零件比金属零件轻得多,而这对于赛车运动来说才是至关重要的。我们都知道,对于赛车来说,推重比的概念非常重要。 F1 赛车的设计对于自重是非常敏感的。也就是说,我们希望自重最小,同时希望强度和刚度最高,在这样的设计要求下,碳纤维板材几乎是唯一的选择。这导致了很多人对碳纤维板材的另一个误解,也就是认为碳纤维板材是一种超级材料,所以碳纤维板材做成的东西各方面都一定都远远强于金属做成的东西。事实上,工程设计是材料和尺寸的综合,并不仅仅取决于材料。就好比说,我们都知道,钢材显然比木材的强度高,简单说钢材要更结实。

        简单说,车手座舱必须是一个安全舱,不能发生断裂,不能发生大幅变形,也不能被任何碎片刺穿。F1 赛车在三明治碳纤维板材的基础之上,还会加装 Zylon 装甲。Zylon 也是一种纤维复合材料,强度远远高于碳纤维板材,跟凯芙拉一样被应用在防弹领域,所以好钢用在刀刃上,专门用来?;こ凳?。同时安全舱周围还会用 Nomex 防火纤维填充蜂窝夹层,起到阻燃的作用。下图的例子就是安装在印地赛车座舱侧面的 Zylon 装甲,F1 赛车也是类似的设计。

       F1 比的是车队的技术实力,比的是这些幕后的东西。五十年前没有一只 F1 车队拥有自己的材料实验室,而今天的每一只 F1 车队都有几十甚至上百名科学家和工程师,都有自己的实验室,都从碳纤维板材怎么编织比较好这样的问题开始做起。这一切不仅仅是为了成绩,更是为了车手的安全。而回顾整个 F1 的历史,从 1980 年麦克拉伦率先引入碳纤维板材以来,我们也能看到碳纤维板材这种材料带给 F1 这项运动的巨大变化。随着时代的发展,碳纤维板材也不仅仅局限在 F1,已经开始出现在很多民用性能车上面。碳纤维板材带来的,其实不仅仅是运动性能的提升,也有安全性能的提升。


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