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碳纤维汽车

碳纤维特性在F1上的应用

碳纤维车架中的碳纤维多是由聚丙烯腈(PAN)烧制成,PAN原丝(200-300摄氏度空气预氧化)成为耐燃纤维(800-1500度惰性气体保护下)成为碳纤维(2000-300度惰性气体)石墨碳纤维,含碳可达百分之98,为类似石墨的层状结晶结构。环氧树脂(EPOXY RESIN)是指分子中含有两个或两个以上的环氧集团的线性有机高分子化合物。CFRP基体就是环氧树脂与固化剂发生交联固化而成的不溶不熔的三维网状聚合物。在六十年代早期,莲花车队的首席设计师引入承载式车身于F1,承载式车身由薄板围绕。这种新技术提高了赛车底盘的坚固性。在七十年代后期,铝最普遍地被用于制造这些车身。但是这些结构证明没有足够承受翼板带来的下压力。John Barnard从碳纤维中检验并制造出第一个自我支撑底盘。麦克拉伦的工程师请美国“Hercules Aerospace”公司制造,因为麦克拉伦没有材料和足够的知识来作这种底盘。在1981年,麦克拉伦的车手证实了这种新构造的安全性和优越性。John Watson在那个赛季赢得两次第二和一次第一。Andrea De Cesaris从赛季里的许多次碰撞中证明了承载式车身的坚固性。 F1车是碳纤维注入的环氧树脂复合形成的。先是制造出各个部件的模具,在模具内逐层铺放好碳纤维布,通过计算确定碳纤维的铺放的顺序及数量,注入的环氧树脂,中空热压处理、固化后形成型。

碳纤维车架是由碳纤维和环氧树脂复合而成,在CFRP中,把碳纤维叫增强材料,把树脂叫基体基体材料。是由它自身的力学和化学性能决定的,他的特点:
比强度(强度密度比)和比模量(模量密度比)高

制作相同强度的车架,选用CFRP(碳纤维复合材料)可以做得很轻。下面比较几种常见结构材料的力学性能
材料       密度(g/cm3)   抗张强度(Gpa)  弹性模量(Gpa)    比强度  比模量
 钢        7.8              1.010             206             0.13     26
 铝        2.8              0.461             74              0.17     26
 钛        4.5              0.942             112             0.21     25
 CFRP二   1.45             1.472             137             1.02     95
 CFRP一   1.6              1.050             235             0.66     147
 2  抗疲劳性好   一般金属材料的疲劳破坏是没有明显征兆的,是突发性破坏,而CFRP具有良好的抗疲劳性,破坏前有明显的征兆。出现了可见裂纹,仍保有大部分强度,这就大大提高了安全性。

 3 破损安全性好   CFRP横截面上有成千上万个独立纤维,即使有部分纤维由于过载而断裂,载荷会迅速重新分配到未被破坏的纤维上,不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂
 4 减震能力强 CFRP比模量大,自振频率高,不易出现共振 ;CFRP是一种非均质多相体系,在纤维与基体之间存在大量界面,由于界面对震动有反射和吸收的作用,所以CFRP震动阻尼强,能使震动很快衰减
 5 高温性能良好  碳纤维可承受2000摄氏度左右高温,而强度不变,所以CFRP整体的耐温性取决于作为基体的环氧树脂,各种牌号的环氧树脂的耐热性是不一样的,助剂也会产生影响。

6 抗老化性好 CFRP中的碳纤维在500摄氏度以上才会被空气中的氧氧化,而且他被基体完全保护起来了。基体材料环氧树脂加入适当助剂抗老化性也不错。所以说CFRP车架会先是力学破坏,不用担心他的化学老化
 7 可设计性强  纤维复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料组合而成的,他的结构包括纤维,基体和界面。这三个方面都会影响CFRP的性能。CFRP中的纤维就是碳纤维,作用是承受载荷,而基体用来保护纤维铺设形态,允许纤维承受压缩和剪切载荷,分散传递载荷,并保护纤维。

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