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“碳”为观止——F1碳纤维大揭秘
浏览次数:次 发布时间:2019-06-27 15:09:34

对于很多人来说,“碳纤维”说的是一种单一材料,但实质上,它和“金属”一词类似。金属囊括了从铝到锌等不同材料,同理,碳纤维所表达的是纤维和树脂合成的多种材料,每一种都有其独特、有用的特性。

 

从一般的工程角度而言,碳纤维还是相对比较新兴的材料,我们今天所熟知的这种纤维首次于1860年由Swan所制造,用于灯泡。20世纪中期,高性能纤维样本在实验室中出现,但直到1963年,在范堡罗(Farnborough) 的皇家航空研究院(Royal Aircraft Establishment )的研究员们才开发出具有商业价值的碳纤维,这种材料的应用成为可能。

 

很难准确地考证碳纤维在赛车中的首次使用,但可能是1968年夺得勒芒冠军的福特GT40。它车体内外都有几处覆盖着碳纤维,提高车身强度。

 

在F1和其他地方大量可见的材料称为PAN纤维(PAN fibres)。该名来源于制造这种纤维的原材料——聚丙烯腈(polyacrylonitrile)或简称PAN。它是一种有机聚合树脂(organic polymer resin),尽管是一种热塑性塑料,但不会在正常的升温中融化。

 

为了制造PAN纤维,首先要在230℃的空气中加热,形成氧化PAN纤维,然后在1000℃的惰性气体中进行碳化,才是碳纤维。单根连续的碳纤维直径是人类头发的1/10,把它们缠在卷轴上,几千根缠在一起就成了一捆。

 

这些纤维的强度取决于它们晶体结构中瑕疵的尺寸。瑕疵越小,强度越高,不断优化制作流程,才能持续生产出强度更高的材料。来自于东丽(Toray,日本一家跨国化工公司)的最新纤维,T1100,是早期纤维(如T300)强度的2倍,应用于托勒曼车队的第一个复合单体壳,我参与了该项目。

有时,硬度比强度更为重要,同样,有很多不同的材料达到要求。

 

硬度取决于纤维晶体结构的排列。排列越靠近纤维长轴,加工完成的纤维就越硬。自然,目前的纤维可以达到早期纤维2倍的硬度,但是,这要牺牲一部分强度和脆性。

 

然而,合成材料的差异不单是纤维特性的不同。

 

每捆纤维都可以按照不同的方法编织,特性各异。其中最简单的是单向纤维(unidirectional fibre),顾名思义,把一捆纤维纵向编织而成。

 

沿着纤维堆积轴向有很高的强度,但垂直方向则毫无强度可言。然而,如果赛车部件的受力方向是已知的,这是碳纤维最高效的利用方式。

更宽泛地讲,一个赛车部件,比如单体壳,各个方向都要受力,那么编织垫(woven mat )该上场了。

 

编织是由经纱(0°)纤维和纬纱(90°)纤维的排列而言。简言之,经纱纤维和纬纱纤维相互间隔编织。

 

斜纹编织(twill weave),就是由一根或者一根以上的经纱纤维间隔2根或者2根以上纬纱纤维进行编织,这种纤维种类也很多,每一种都有不同的完整度,覆盖在复杂的三维模具上的能力也不尽相同。

 

最后一种让碳纤维在工程上无所不在的要素是树脂(resin)——它能包住碳,使其配得上该材料的大名——碳纤维强化塑料(carbon fibre reinforced plastic)或简称CFRP。

 

就如同曾经的玻璃纤维覆膜,树脂把不同材料粘合到一起,通过加热处理,让CFRP具有坚固的特性。

 

在F1赛车制作过程中,树脂要填充到编织完成的碳纤维垫中,这个过程称为预填充(pre-preg),得到的材料称为预填充纤维(pre-impregnated fibre)。

猜对了,树脂也有多种选择,每种都有不同的特性,可以调整加工完成后的材料。

 

虽然差异很大,但是绝大多数的树脂都是环氧树脂(epoxy)大家族中的一员,针对不同的用途,要使用不同的树脂。在预填充阶段的未加工树脂,是把纤维黏在一起,粘黏状态使得材料能覆盖到模具上。一旦进行加热处理,树脂就会赋予完成品一些机械特性,尤其是在车体内,与编织碳纤维膜垂直的地方。

 

最终,碳纤维部件还要进行稳定加工:一个核心材料做内层,两片碳纤维把它包成一个“三明治”结构,进一步强化完成品表面的特性。

 

你现在可能已经猜到,核心材料也是各种各样。在20世纪70年代末设计时用到的第一种核心材料是端粒巴沙木(end-grain balsa wood )。

 

目前的核心材料一般是蜂窝结构,要么是很薄的铝箔制成,或者是类似纸的蜂巢结构Nomex。对于复杂的形状,机械加工的复合泡沫塑料(Syntactic foam)经常被用作核心材料。这是种类似泡沫的材料,简单的机械加工就可以粘合非常轻质的材料,使它可以加工出复杂的曲度。核心的目的不是去提高强度,而是稳定碳层,提供强化结构特性所需的隔离。

来源:F1 Racing