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        碳纖維板材的抗撞擊性有多大嗎?
        - 2019-07-25-

               碳纖維板材板材是目前最適用賽車的材料,否則的話,那么多 F1 車隊,又不缺錢,又不缺人,早就用上更好的新型材料了。與以往的金屬材料相比,碳纖維板材的強度、剛性、耐沖擊性整體優勢,特別是每重量的各種性能明顯優于金屬材料?;仡橣1歷史,我們也可以清楚地看到,與過去的金屬賽車相比,碳纖維板賽車在性能和安全性能上都有很大的優勢。

               就比如說 2014 年銀石賽道萊科寧的事故,當時萊科寧的法拉利賽車在失控之后最終一頭撞向護墻,以大約 240 公里的時速筆直的撞到護墻上,碰撞瞬間的沖擊高達 47g,隨后賽車被彈回賽道,在賽道上轉著圈穿過密集的 F1 賽車車流,然后撞到了對面的護欄上,在這期間還擊中了馬薩的賽車。這樣的撞擊之后,萊科寧只是輕微擦傷了腳踝和膝蓋,自己能爬出賽車。如果這樣的安全性能都不能說服你,那你可以想一下,如果這是一輛關門聲音比較厚實的神車,這樣的碰撞結果會怎樣?


               賽車的設計,或者說所有性能車的設計,要更快的車,可以,但是可能不安全;要更安全的車,可以,但是可能不快。所謂的工程設計,就是在這之中找到一個最佳的平衡點。簡單說,就是在滿足最低的安全要求的前提下,盡量取得最高的賽車性能。而就工程材料而言,這個最佳的平衡點目前來看就是碳纖維板材板材。我們通常所說的碳纖維板材板材是一個模糊的總稱,不同種類碳纖維板材板材的性能其實千差萬別。

               要注意,我們所說的「碳纖維板材板材」,其實是「碳纖維板材板材增強復合材料」的簡稱和俗稱,與真正的「碳纖維板材板材」是有區別的。所謂的碳纖維板材板材增強復合材料,其實就是用很多碳纖維板材,按照一定的方向排布,然后用樹脂或者其它黏合材料緊密的連接成一體。簡單說,纖維越密,單位體積內的纖維越多,沿纖維方向的強度就越高;反之,纖維越疏,單位體積內的纖維越少,最終碳纖維板材材料的強度也就越低。

               這也就造成了很多人對碳纖維板材材料的一個普遍誤解,那就是混淆了「纖維」和最終的「纖維復合材料」?!咐w維」的性能就是單純的測量單一的圓柱體,這樣測試出來的性能非常驚人,也就是很多人甚至有些科普讀物里常說的數倍甚至十倍于鋼材。也就是說,最終碳纖維板材材料的性能,其實是纖維性能和填充樹脂性能的加權平均。對于大多數碳纖維板材復合材料來說,測試的結果雖然可能強于鋼材,但差別并沒有達到天差地別的程度。

                對于抗沖擊性能的評價非常復雜,測試方法也有很多種,比如傳統的斷裂韌性的測量,再比如高速的子彈沖擊試驗等等。碳纖維板材材料的沖擊性能受溫度和加載速度的影響也很大。不同的應用領域關心的測試條件也不盡相同,而相應的破壞模式也不一樣。這里我們只是籠統的用韌性這個概念,只是為了說明碳纖維板材的韌性跟鋼材基本處在同一個數量級上。

               那問題就來了,既然沒有什么太明顯的區別,為什么賽車還要用碳纖維板材呢?因為我們還沒有考慮另一個重要的參數,也就是密度。碳纖維板材的密度遠遠小于鋼材、鋁合金這些金屬材料,也就是說,做同樣的一個零件,差不多體積,滿足類似的力學性能,碳纖維板材零件比金屬零件輕得多,而這對于賽車運動來說才是至關重要的。我們都知道,對于賽車來說,推重比的概念非常重要。 F1 賽車的設計對于自重是非常敏感的。也就是說,我們希望自重最小,同時希望強度和剛度最高,在這樣的設計要求下,碳纖維板材幾乎是唯一的選擇。這導致了很多人對碳纖維板材的另一個誤解,也就是認為碳纖維板材是一種超級材料,所以碳纖維板材做成的東西各方面都一定都遠遠強于金屬做成的東西。事實上,工程設計是材料和尺寸的綜合,并不僅僅取決于材料。就好比說,我們都知道,鋼材顯然比木材的強度高,簡單說鋼材要更結實。

                簡單說,車手座艙必須是一個安全艙,不能發生斷裂,不能發生大幅變形,也不能被任何碎片刺穿。F1 賽車在三明治碳纖維板材的基礎之上,還會加裝 Zylon 裝甲。Zylon 也是一種纖維復合材料,強度遠遠高于碳纖維板材,跟凱芙拉一樣被應用在防彈領域,所以好鋼用在刀刃上,專門用來保護車手。同時安全艙周圍還會用 Nomex 防火纖維填充蜂窩夾層,起到阻燃的作用。下圖的例子就是安裝在印地賽車座艙側面的 Zylon 裝甲,F1 賽車也是類似的設計。

               F1 比的是車隊的技術實力,比的是這些幕后的東西。五十年前沒有一只 F1 車隊擁有自己的材料實驗室,而今天的每一只 F1 車隊都有幾十甚至上百名科學家和工程師,都有自己的實驗室,都從碳纖維板材怎么編織比較好這樣的問題開始做起。這一切不僅僅是為了成績,更是為了車手的安全。而回顧整個 F1 的歷史,從 1980 年麥克拉倫率先引入碳纖維板材以來,我們也能看到碳纖維板材這種材料帶給 F1 這項運動的巨大變化。隨著時代的發展,碳纖維板材也不僅僅局限在 F1,已經開始出現在很多民用性能車上面。碳纖維板材帶來的,其實不僅僅是運動性能的提升,也有安全性能的提升。


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