F1方程式赛车已使用纳米纤维膜作为碳纤维韧性增强和冲击吸能材料

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发布日期：2021-05-12 作者：大连义邦科技浏览数：10293

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碳纤维复合材料在汽车上的最早应用可以追溯到1981年的一级方程式迈凯伦 MP4/1赛车中。虽然此前CFRP复合材料多次应用于赛车小组件中，但MP4/1 才是第一个真正意义上将碳纤维复合材料应用于整个底盘设计的赛车。通过增加相关材料链轴部位的负荷，碳纤维复合材料赛车的刚度重量比大大提高了，这让赛车变得更轻、更快、更安全了，而后再也没有离开过F1赛场。

当今的一级方程式赛车的CFRP复合材料部件用量占整体赛车的85％，由于碳纤维早期是非常先进的一种材料，使用在F1赛车中的碳纤维需要经过复杂的工艺，在做成碳纤维复合材料之前，会经过纤维-编织-预浸料等工艺，但尽管材料和工艺如此复杂，碳纤维材料已被F1和赛车运动市场使用了将近40年。

由于CFRP复合材料有足够的强度和刚度，其适用于制造汽车车身、底盘等主要结构件的材料，但是由于碳纤维自身具有脆性的特点，容易断裂和分层，目前人们制造汽车的过程中正面临从金属到碳纤维增强复合材料的过渡，这些材料的失效机理通常比金属的复杂得多。

首先，在金属结构中，基材裂纹通常始于本身的缺陷或应力集中，然后在疲劳载荷作用下进行传播最终韧性失效。然而复合材料中的损伤形态却完全不同：主要的原因是存在大量微观缺陷，例如树脂与预浸料固化收缩过程中可能会发生的微裂纹，并且这些微裂纹最终可能发展为不同的破坏机理。

其次，大多数金属具有延性破坏机制，因此可以通过塑性变形的形式通过视觉直观的感受到到韧性过载。因此，在结构超载和疲劳断裂故障之间通常会有一个较为明显的视觉警告期。而碳纤维纤维增强复合材料，断裂韧性发生在基体内部，由于碳纤维脆性变差，因此会突然失效。

最后，纤维增强复合材料如断裂，基体裂纹，基体纤维脱粘，分层，空隙，层错位，缺乏浸渍和纤维波纹度等。尤其增强碳纤维的分层最为致命，因为当在整个厚度范围内加载层压板时，碳纤维很容易产生纵梁跳动等造成以上连锁反应。所以不同的碳纤维增强预浸料通常应考虑元件应力所生产的连锁断裂韧性。

为了提高CFRP复合材料的断裂韧性，通常采用树脂添加聚合物等增韧添加剂来增强碳纤维的韧性。但这会改变树脂的流动性、重量及与预浸料的浸润性等，目前国外已使用静电纺丝纳米纤维作为夹层使用在F1方程式复合材料层间制作的前后空气套件、底盘、尾翼、结构件等，可以有效的提高增强型碳纤维的断裂韧性和冲击吸能。以大连义邦Xantu. Layr纳米纤维膜为例，可以在不增加树脂和碳纤维的重量、厚度的情况下增加碳纤维的断裂韧性值。根据国外有关机构通过一系列的力学和热性能部分测试结果，显示了纳米纤维层间对CFRP复合材料力学和热性能的影响。

根据上图测试结果所示，Xantu.Layr纳米纤维膜，可以在不牺牲碳纤维环氧复合材料面内力学性能的前提下，提高碳纤维环氧复合材料的断裂韧性。纳米纤维膜的存在也可以有效地提高碳纤维环氧复合材料的面内力学性能，如抗弯强度、抗弯模量和抗压强度。

由于碳纤维复合材料在F1方程式赛车中优异的表现，而后这种材料受到了美国相关机构的重视，他们希望将这种材料作为覆盖材料用于武装直升机机身底部，以尝试直升机承受地面火力攻击达到冲击吸能的作用，从此碳纤维从民用走向了军工。

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