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碳纤维的抗冲击性好吗?

      碳纤维是目前最适合赛车的材料,否则的话,那么多 F1 车队,又不缺钱,又不缺人,早就用上更好的新材料了。与传统的金属材料相比,碳纤维的强度、刚度和抗冲击性能总体来说都有优势,尤其是单位重量的各项性能明显优于金属材料。而回顾 F1 历史,我们也能明显的看到,相比于过去的金属材料赛车,碳纤维赛车在成绩和安全性能两方面都有着巨大的优越性。

      就比如说 2014 年银石赛道莱科宁的事故,当时莱科宁的法拉利赛车在失控之后最终一头撞向护墙,以大约 240 公里的时速笔直的撞到护墙上,碰撞瞬间的冲击高达 47g,随后赛车被弹回赛道,在赛道上转着圈穿过密集的 F1 赛车车流,然后撞到了对面的护栏上,在这期间还击中了马萨的赛车。这样的撞击之后,莱科宁只是轻微擦伤了脚踝和膝盖,自己能爬出赛车。如果这样的安全性能都不能说服你,那你可以想一下,如果这是一辆关门声音比较厚实的神车,这样的碰撞结果会怎样?


      F1 赛车的设计,或者说所有性能车的设计,其实是一个典型的工程问题,通俗地说就是「戴着镣铐跳舞」。要更快的车,可以,但是可能不安全;要更安全的车,可以,但是可能不快。所谓的工程设计,就是在这之中找到一个最佳的平衡点。简单说,就是在满足最低的安全要求的前提下,尽量取得最高的赛车性能。而就工程材料而言,这个最佳的平衡点目前来看就是碳纤维。

      我们通常所说的碳纤维是一个模糊的总称,不同种类碳纤维的性能其实千差万别。要注意,我们所说的「碳纤维」,其实是「碳纤维增强复合材料」的简称和俗称,与真正的「碳纤维」是有区别的。简单理解,真正的「碳纤维」就像是一根一根的毛线,而我们通常所说的「碳纤维」则是这些毛线织成的各种毛衣、围巾、手套等等(以及于谦老师的毛线内裤)。

      所谓的碳纤维增强复合材料,其实就是用很多碳纤维,按照一定的方向排布,然后用树脂或者其它黏合材料紧密的连接成一体。比如下图所示,这一根一根的圆柱体就是碳的纤维,而这些圆柱体被中间填充的树脂填充在一起。这些纤维的分布密度直接影响最终的材料性能。正因为这样,我们可以通过调整所谓的 fiber volume fraction,也就是纤维体积比,来控制碳纤维材料的最终性能。简单说,纤维越密,单位体积内的纤维越多,沿纤维方向的强度就越高;反之,纤维越疏,单位体积内的纤维越少,最终碳纤维材料的强度也就越低。


      对于工程中使用的碳纤维来说,纤维的排布既可以是单一方向的,也可以是多方向交叉叠加的。其中最常用的当然是多方向交叉的,这也就是我们常见的那种碳纤维的外观。

比如这就是单一方向的。


这个就是多方向交叉的,我们常见的碳纤维的外观就是这种双向交叉的纹理。原始的碳纤维材料就是这样的,其实更像布料,可以弯折,可以卷成一卷。



      这也就造成了很多人对碳纤维材料的一个普遍误解,那就是混淆了「纤维」和最终的「纤维复合材料」。「纤维」的性能就是单纯的测量单一的圆柱体,这样测试出来的性能非常惊人,也就是很多人甚至有些科普读物里常说的数倍甚至十倍于钢材。但是真正工程应用中使用的并不是单一的一根一根的纤维,而是纤维和树脂共同组成的「纤维复合材料」,其工程性能不仅仅取决于单根纤维的性能,还受树脂性能和纤维密度的影响,更受纤维方向的影响。也就是说,最终碳纤维材料的性能,其实是纤维性能和填充树脂性能的加权平均。对于大多数碳纤维复合材料来说,测试的结果虽然可能强于钢材,但差别并没有达到天差地别的程度。

      我们可以比较一下一般的碳纤维和一般的钢材。比如说,我们可以看一下强度和断裂能量的对比。简单说,我们用不同材料做成相同大小的筷子一样的圆柱体。所谓强度就是拉断这根筷子所需要的力,而所谓断裂能量就是用一个大铁锤砸断这根筷子所需要的能量,一定程度上体现的就是材料的抗冲击能力。


      上图中的纵轴 Strength 就是抗拉强度,而横轴 toughness 就是断裂能量,也叫韧性。比方说,最左上角的是 ceramics 和 porous ceramics,比如我们熟知的钻石和玻璃,强度相当高,但是韧性非常低,一摔就碎,一砸就烂。再比如说右下角的 rubbers,橡胶材料,比如我们常见的轮胎,韧性很好,变形很大也能自己恢复,不会轻易断裂,但是强度却不太高。还比如说左下角的 foams 塑料泡沫,强度和韧性都不行,既不结实,还一掰就碎。

      显然,对于赛车的底盘和车身,我们希望能有一种强度和韧性都很好的材料,既结实又不容易碎,也就是图中右上角深紫色的 composites 纤维复合材料和淡紫色的 metals and alloys 金属材料。从这里我们可以看到,FRP 纤维复合材料和传统的金属材料的韧性,也就是冲击性能,基本上是类似的。

比如同样是金属材料,铜的韧性强于钢材,但是强度却明显低于钢材;而低合金钢的强度相比钢材有大幅提升。



再比如同样的纤维复合材料,碳纤维 CFRP 的强度要明显高于玻璃纤维 GFRP,但是碳纤维的韧性要差一些。

      就拿碳纤维和我们常见的钢材来说,对比一下这两张图,碳纤维的强度在 400 到 800 兆帕左右,而普通钢材的强度为 200 到 500 兆帕,并没有达到数倍乃至十倍。再来看韧性,碳纤维和钢材基本类似,没有明显的区别。

      当然,对于抗冲击性能的评价非常复杂,测试方法也有很多种,比如传统的断裂韧性的测量,再比如低速的 Charpy 或者 Izod 冲击试验 ,再比如高速的子弹冲击试验,或者是专门针对 FRP 材料的平板 drop weight 冲击等等。碳纤维材料的冲击性能受温度和加载速度的影响也很大。不同的应用领域关心的测试条件也不尽相同,而相应的破坏模式也不一样。这里我们只是笼统的用韧性这个概念,只是为了说明碳纤维的韧性跟钢材基本处在同一个数量级上。

      那问题就来了,既然没有什么太明显的区别,为什么赛车还要用碳纤维呢?因为我们还没有考虑另一个重要的参数,也就是密度。碳纤维的密度远远小于钢材、铝合金这些金属材料,也就是说,做同样的一个零件,差不多体积,满足类似的力学性能,碳纤维零件比金属零件轻得多,而这对于赛车运动来说才是至关重要的。

      我们都知道,对于赛车来说,推重比的概念非常重要。比如著名的平民性能车斯巴鲁 WRX STI,虽然有 310 马力,但是作为一辆四门轿车,自重接近 1.5 吨,这样每千克有 0.2 马力;而川崎忍者 H2R 也有 310 马力,但是作为一辆摩托车,自重只有 215 千克,平均每千克接近 1.5 马力。这样一对比,直道上谁让谁吃灰是显而易见的。F1 赛车就更是如此,自重大了一点点,吃亏就会很明显。所以 F1 赛车的设计对于自重是非常敏感的。也就是说,我们希望自重最小,同时希望强度和刚度最高,在这样的设计要求下,碳纤维几乎是唯一的选择。

      这导致了很多人对碳纤维的另一个误解,也就是认为碳纤维是一种超级材料,所以碳纤维做成的东西各方面都一定都远远强于金属做成的东西。事实上,工程设计是材料和尺寸的综合,并不仅仅取决于材料。就好比说,我们都知道,钢材显然比木材的强度高,简单说钢材要更结实,但是钢材做成的东西就一定比木材做成的东西更结实吗?比如一根直径 1 厘米的钢筋和一根直径 10 厘米的木材,哪个更能承重呢?

      举个最简单的例子,好比 F1 赛车上的某个零件,在比赛的时候需要满足一定的受力要求,比如 100 千牛,如果我用强度为 400 兆帕的钢材,那么这个零件的截面积需要 2.5 平方厘米;作为对比,如果我用强度为 800 兆帕的碳纤维,那么这个零件的截面积只需要 1.25 平方厘米。也就是说,因为碳纤维的强度是钢材的两倍,所以零件大小就可以是钢材的一半。再加上碳纤维的密度只有钢材的五分之一左右,所以这个碳纤维零件的重量只有钢材零件的十分之一,但是受力性能完全相同,都能承载 100 千牛。

      但是,我们上面也看到,单位面积的碳纤维和钢材具有类似的韧性,好比都是 20 千焦每平方米。对于这两个零件来说,满足同样的强度要求,碳纤维零件的面积只需要钢材零件一半的面积,所以韧性自然也就只有钢材零件的一半。也就是说,同样的设计,满足同样的受力性能要求,如果不做任何额外的补救措施,那么碳纤维零件的抗冲击断裂能量只有钢材零件的一半。显然,在承受冲击荷载的时候,断裂韧性越低,对安全性能越是不利。

      那怎么办呢?怎么才能提高赛车在事故中的安全性能呢?一方面,工程师会适当的放大碳纤维构件的厚度等等,事实上,现在的碳纤维赛车的自重都是低于 FIA 的最低要求的,比赛前 F1 赛车都会在车内放置钨块作为压舱重物来满足这一要求。另一方面,工程师也会改进碳纤维赛车的设计,来尽量提高整车的抗冲击性能,从而保护车手的安全。

      比如说,今天的 F1 赛车的底盘和车身,并不是简单的单层碳纤维,而是一个三明治结构,上下两层碳纤维材料,中间是铝合金或者其它纤维复合材料制成的蜂窝状结构。上下表面的碳纤维一般是多层碳纤维复合在一起,每一层就是我们上面说多方向交叉的时候提到的那种碳纤维布料。通过改变中间蜂窝的高度就可以调节整个系统的刚度。而这些蜂窝因为是六边形中空结构,事实上本身的重量是很轻的。本田车队的测试表明,跟没有中间蜂窝状铝合金的单纯碳纤维相比,加入了厚度为 3 倍碳纤维厚度的铝合金蜂窝之后,重量增加了百分之六,但是刚度变为了原来的 37 倍。同时,在事故发生的时候,这些铝合金蜂窝的变形和断裂可以吸收很多撞击能量。就好比密密麻麻放了很多易拉罐,你得先把这些易拉罐踩扁了才能接触到内层的碳纤维。


      再比如说,今天的 F1 赛车设计中常见的安全舱 suvival cell 的概念。简单说,车手座舱必须是一个安全舱,不能发生断裂,不能发生大幅变形,也不能被任何碎片刺穿。美军著名的 A-10 攻击机之所以有令人咂舌的战场生存能力,原因之一就是它的飞行员座舱被戏称为「钛合金浴缸」,飞行员被钛合金装甲严严实实的包裹在中间,一般的小口径高炮根本无法击穿。而 F1 赛车同样也是如此,在三明治碳纤维的基础之上,还会加装 Zylon 装甲。Zylon 也是一种纤维复合材料,强度远远高于碳纤维,跟凯芙拉一样被应用在防弹领域,所以好钢用在刀刃上,专门用来保护车手。同时安全舱周围还会用 Nomex 防火纤维填充蜂窝夹层,起到阻燃的作用。下图的例子就是安装在印地赛车座舱侧面的 Zylon 装甲,F1 赛车也是类似的设计。

      还比如说,今天的 F1 的技术竞争已经达到了令人发指的地步。应力集中是碳纤维材料的一个问题,所以 F1 赛车的线条如此光滑,没有任何尖锐的棱角,一方面是空气动力学的考虑,另一方面也是为了尽量避免任何可能的应力集中。事实上,不仅仅宏观上不能有尖锐的棱角,微观上也要避免。我们说碳纤维其实就像织毛衣,把一根一根的纤维编织成一整块材料,那不同的织法有影响吗?事实上是有的。简单想想,你用力拽一根绳子,如果一开始是绷紧的,跟一开始没绷紧,效果是不一样的。而不同的织法,有的就容易让这些纤维没有绷紧,这样会影响最终的刚度。同时不同的织法还可能造成局部的应力集中,继而作为整个碳纤维零件上的薄弱点引发断裂。我们日常生活中也有类似的例子,比如毛衣或者棉织的衣服一旦被勾破了,以后这个洞就容易越来越大,这就是因为这个小裂口已经变成了应力集中点。比如下图就是本田车队的论文里对比的几种不同的织法。


      也许有些朋友会认为 F1 就是飚车,跟二环十三郎什么的差不了太多。事实上,F1 比的是车队的技术实力,比的是这些幕后的东西。五十年前没有一只 F1 车队拥有自己的材料实验室,而今天的每一只 F1 车队都有几十甚至上百名科学家和工程师,都有自己的实验室,都从碳纤维怎么编织比较好这样的问题开始做起。这一切不仅仅是为了成绩,更是为了车手的安全。而回顾整个 F1 的历史,从 1980 年麦克拉伦率先引入碳纤维以来,我们也能看到碳纤维这种材料带给 F1 这项运动的巨大变化。随着时代的发展,碳纤维也不仅仅局限在 F1,已经开始出现在很多民用性能车上面。碳纤维带来的,其实不仅仅是运动性能的提升,也有安全性能的提升。









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