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F1方程式賽車已使用納米纖維膜作為碳纖維韌性增強和沖擊吸能材料

發布日期：2021-05-12 作者：大連義邦科技瀏覽數：11017

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碳纖維復合材料在汽車上的最早應用可以追溯到1981年的一級方程式邁凱倫 MP4/1賽車中。雖然此前CFRP復合材料多次應用于賽車小組件中，但MP4/1 才是第一個真正意義上將碳纖維復合材料應用于整個底盤設計的賽車。通過增加相關材料鏈軸部位的負荷，碳纖維復合材料賽車的剛度重量比大大提高了，這讓賽車變得更輕、更快、更安全了，而后再也沒有離開過F1賽場。

當今的一級方程式賽車的CFRP復合材料部件用量占整體賽車的85％，由于碳纖維早期是非常先進的一種材料，使用在F1賽車中的碳纖維需要經過復雜的工藝，在做成碳纖維復合材料之前，會經過纖維-編織-預浸料等工藝，但盡管材料和工藝如此復雜，碳纖維材料已被F1和賽車運動市場使用了將近40年。

由于CFRP復合材料有足夠的強度和剛度，其適用于制造汽車車身、底盤等主要結構件的材料，但是由于碳纖維自身具有脆性的特點，容易斷裂和分層，目前人們制造汽車的過程中正面臨從金屬到碳纖維增強復合材料的過渡，這些材料的失效機理通常比金屬的復雜得多。

首先，在金屬結構中，基材裂紋通常始于本身的缺陷或應力集中，然后在疲勞載荷作用下進行傳播最終韌性失效。然而復合材料中的損傷形態卻完全不同：主要的原因是存在大量微觀缺陷，例如樹脂與預浸料固化收縮過程中可能會發生的微裂紋，并且這些微裂紋最終可能發展為不同的破壞機理。

其次，大多數金屬具有延性破壞機制，因此可以通過塑性變形的形式通過視覺直觀的感受到到韌性過載。因此，在結構超載和疲勞斷裂故障之間通常會有一個較為明顯的視覺警告期。而碳纖維纖維增強復合材料，斷裂韌性發生在基體內部，由于碳纖維脆性變差，因此會突然失效。

最后，纖維增強復合材料如斷裂，基體裂紋，基體纖維脫粘，分層，空隙，層錯位，缺乏浸漬和纖維波紋度等。尤其增強碳纖維的分層最為致命，因為當在整個厚度范圍內加載層壓板時，碳纖維很容易產生縱梁跳動等造成以上連鎖反應。所以不同的碳纖維增強預浸料通常應考慮元件應力所生產的連鎖斷裂韌性。

為了提高CFRP復合材料的斷裂韌性，通常采用樹脂添加聚合物等增韌添加劑來增強碳纖維的韌性。但這會改變樹脂的流動性、重量及與預浸料的浸潤性等，目前國外已使用靜電紡絲納米纖維作為夾層使用在F1方程式復合材料層間制作的前后空氣套件、底盤、尾翼、結構件等，可以有效的提高增強型碳纖維的斷裂韌性和沖擊吸能。以大連義邦Xantu. Layr納米纖維膜為例，可以在不增加樹脂和碳纖維的重量、厚度的情況下增加碳纖維的斷裂韌性值。根據國外有關機構通過一系列的力學和熱性能部分測試結果，顯示了納米纖維層間對CFRP復合材料力學和熱性能的影響。

根據上圖測試結果所示，Xantu.Layr納米纖維膜，可以在不犧牲碳纖維環氧復合材料面內力學性能的前提下，提高碳纖維環氧復合材料的斷裂韌性。納米纖維膜的存在也可以有效地提高碳纖維環氧復合材料的面內力學性能，如抗彎強度、抗彎模量和抗壓強度。

由于碳纖維復合材料在F1方程式賽車中優異的表現，而后這種材料受到了美國相關機構的重視，他們希望將這種材料作為覆蓋材料用于武裝直升機機身底部，以嘗試直升機承受地面火力攻擊達到沖擊吸能的作用，從此碳纖維從民用走向了軍工。

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