碳纤维材料在F1方程式赛车上的应用

一、碳纤维结构简介

碳纤维材料是含碳量高达90%的材料，大多数碳纤维是由聚丙烯腈（PAN）经碳化处理后得到的一种具有良好力学性能的纤维。此外，还有黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维等。目前为止，人工制备的碳纤维基本构成单元都与石墨的单片层结构相类似，是一种类石墨结构的纤维材料。这种结构与天然石墨不同在于其类石墨片层并不是平行规整的排列，而是交错排列，相互卷绕，这种结构构成了完美高强度碳纤维结构。碳纤维结构分为高强型和高模型两种。

二、 碳纤维复合材料的制备

以聚丙烯腈碳纤维材料为例，碳纤维复合材料的制备大体可以分为原丝、不熔化、碳化、石墨化，表面处理等过程。原丝是指由聚丙烯腈纤维进行后续处理，进行不熔化过程就是将聚丙烯腈原丝转变为高温下不熔不溶的结构。其基本原理就是将螺旋线型的聚丙烯腈分子通过热反应是腈基环化转变成梯形分子，同时在氧化的作用下使梯形分子之间发生交联，从而使纤维整体形成一种耐热的结构。碳化就是将不熔化的聚丙烯腈纤维通过高温处理变成碳纤维；石墨化是获得高模量碳纤维的必要手段，其过程就是在2000℃以上对碳纤维进行热处理。表面处理则是对碳纤维表面进行改性方便后续与复合材料的结合。上图是聚丙烯腈碳纤维制备工艺流程。

三、碳纤维复合材料在F1方程式赛车的应用

F1方程式赛车，作为世界上最快的赛车离不开其对新材料的使用。而想要赛车速度更快，减轻自身重量是一大关键因素，这时碳纤维就起到了不可替代的作用。碳纤维材料在F1赛车上的应用主要在其车身、刹车系统。

1、碳纤维复合材料的单体壳

F1赛车作为竞技运动，除了追求速度，还要注重车手的安全隐患。为了减轻速度，同时保障车手安全，赛车需要寻找具有可以媲美金属材料的优异力学性能和较轻的重量的材料。由于碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa也高于钢。作为新材料的碳纤维复合材料完美符合这一需求，因此F1赛车的车身单体壳是由碳纤维复合材料制成。其具有耐疲劳性，优异力学性能，同时还具有较轻的重量。在使用这种材料之后，被称为无大梁单体结构（Monocogue）的车身基础部分的重量竟然不可思议地只有30KG。自此，这种优秀的材料从未离开过F1赛场。

2 碳纤维刹车系统

传统汽车的刹车系统，分为鼓刹和盘刹。盘刹比起鼓刹更适用于高速制动的汽车。作为世界上最快的赛车F1方程式赛车的刹车碟盘是最容易磨损的刹车碟盘。由于赛程限制，F1赛车的刹车碟盘需要具有高耐磨性。传统的刹车碟盘是由铸铁制作而成。但是，F1赛车比赛过程中，赛车会从300公里/h的时速迅速降至80公里/h，这过程对刹车碟盘伤害极大，传统铸铁刹车片不足以支持赛车比完全程比赛，赛车需要一种极耐磨材料作为刹车碟盘。而碳素晶格和碳纤维合成的特殊复合材料也符合这一需求。碳纤维复合材料良好的导热性能，将刹车过程中产生的热能迅速传导散热，减少对材料自身的损害，另外，其压缩性能以及耐氧化、耐疲劳性的优异，使得碳纤维刹车碟盘使用寿命远远大于普通刹车碟盘，因此，F1赛车全都使用碳纤维刹车碟盘以提高刹车片的使用寿命。下图为刹车片。

四、总结与展望

 2022/5/31 

F1赛车对碳纤维复合材料的大量使用，使得其自身速度的提升，对民用汽车具有借鉴意义。其车身使用碳纤维复合材料，在减轻车身自重的同时，也能保障驾驶员的安全，这对日常生活的交通工具具有较好的借鉴意义。如果飞机、汽车使用碳纤维材料制作而成的机身以及车身，那么自身的重量将会大概减少为原来的三分之一。这样一来，就会减少燃料的使用以及二氧化碳的排放，这具有良好的可持续发展性。但是，由于技术限制，碳纤维材料使用成本较高，日常生产生活使用不具有可行性。未来，相信随着技术的改进以及生产工艺的改良创新，碳纤维的生产成本也会随之降低，那么碳纤维应用在日常生活中也将越来越普遍。

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