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碳纖維的抗沖擊性好嗎?

發布時間:2017-10-18 新聞來源:知乎 瀏覽次數:
   碳纖維的抗沖擊性好嗎?
 
  網上不少都說碳纖維的拉伸強度很高,但都沒說抗沖擊性而且感覺很多用碳纖維的跑車一出車禍整個車身都會撞爛掉。
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  碳纖維是目前最適合賽車的材料,否則的話,那么多 F1 車隊,又不缺錢,又不缺人,早就用上更好的新材料了。與傳統的金屬材料相比,碳纖維的強度、剛度和抗沖擊性能總體來說都有優勢,尤其是單位重量的各項性能明顯優于金屬材料。而回顧 F1 歷史,我們也能明顯的看到,相比于過去的金屬材料賽車,碳纖維賽車在成績和安全性能兩方面都有著巨大的優越性。
 
  就比如說 2014 年銀石賽道萊科寧的事故,當時萊科寧的法拉利賽車在失控之后最終一頭撞向護墻,以大約 240 公里的時速筆直的撞到護墻上,碰撞瞬間的沖擊高達 47g,隨后賽車被彈回賽道,在賽道上轉著圈穿過密集的 F1 賽車車流,然后撞到了對面的護欄上,在這期間還擊中了馬薩的賽車。這樣的撞擊之后,萊科寧只是輕微擦傷了腳踝和膝蓋,自己能爬出賽車。如果這樣的安全性能都不能說服你,那你可以想一下,如果這是一輛關門聲音比較厚實的神車,這樣的碰撞結果會怎樣?
 
  F1 賽車的設計,或者說所有性能車的設計,其實是一個典型的工程問題,通俗地說就是「戴著鐐銬跳舞」。要更快的車,可以,但是可能不安全;要更安全的車,可以,但是可能不快。所謂的工程設計,就是在這之中找到一個最佳的平衡點。簡單說,就是在滿足最低的安全要求的前提下,盡量取得最高的賽車性能。而就工程材料而言,這個最佳的平衡點目前來看就是碳纖維。
 
  我們通常所說的碳纖維是一個模糊的總稱,不同種類碳纖維的性能其實千差萬別。要注意,我們所說的「碳纖維」,其實是「碳纖維增強復合材料」的簡稱和俗稱,與真正的「碳纖維」是有區別的。簡單理解,真正的「碳纖維」就像是一根一根的毛線,而我們通常所說的「碳纖維」則是這些毛線織成的各種毛衣、圍巾、手套等等(以及于謙老師的毛線內褲)。
 
  所謂的碳纖維增強復合材料,其實就是用很多碳纖維,按照一定的方向排布,然后用樹脂或者其它黏合材料緊密的連接成一體。比如下圖所示,這一根一根的圓柱體就是碳的纖維,而這些圓柱體被中間填充的樹脂填充在一起。這些纖維的分布密度直接影響最終的材料性能。正因為這樣,我們可以通過調整所謂的 fiber volume fraction,也就是纖維體積比,來控制碳纖維材料的最終性能。簡單說,纖維越密,單位體積內的纖維越多,沿纖維方向的強度就越高;反之,纖維越疏,單位體積內的纖維越少,最終碳纖維材料的強度也就越低。
 
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  對于工程中使用的碳纖維來說,纖維的排布既可以是單一方向的,也可以是多方向交叉疊加的。其中最常用的當然是多方向交叉的,這也就是我們常見的那種碳纖維的外觀。
 
  比如這就是單一方向的。
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      這個就是多方向交叉的,我們常見的碳纖維的外觀就是這種雙向交叉的紋理。原始的碳纖維材料就是這樣的,其實更像布料,可以彎折,可以卷成一卷。
 
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       這也就造成了很多人對碳纖維材料的一個普遍誤解,那就是混淆了「纖維」和最終的「纖維復合材料」?!咐w維」的性能就是單純的測量單一的圓柱體,這樣測試出來的性能非常驚人,也就是很多人甚至有些科普讀物里常說的數倍甚至十倍于鋼材。但是真正工程應用中使用的并不是單一的一根一根的纖維,而是纖維和樹脂共同組成的「纖維復合材料」,其工程性能不僅僅取決于單根纖維的性能,還受樹脂性能和纖維密度的影響,更受纖維方向的影響。也就是說,最終碳纖維材料的性能,其實是纖維性能和填充樹脂性能的加權平均。對于大多數碳纖維復合材料來說,測試的結果雖然可能強于鋼材,但差別并沒有達到天差地別的程度。
 
  我們可以比較一下一般的碳纖維和一般的鋼材。比如說,我們可以看一下強度和斷裂能量的對比。簡單說,我們用不同材料做成相同大小的筷子一樣的圓柱體。所謂強度就是拉斷這根筷子所需要的力,而所謂斷裂能量就是用一個大鐵錘砸斷這根筷子所需要的能量,一定程度上體現的就是材料的抗沖擊能力。
 
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       上圖中的縱軸 Strength 就是抗拉強度,而橫軸 toughness 就是斷裂能量,也叫韌性。比方說,最左上角的是 ceramics 和 porous ceramics,比如我們熟知的鉆石和玻璃,強度相當高,但是韌性非常低,一摔就碎,一砸就爛。再比如說右下角的 rubbers,橡膠材料,比如我們常見的輪胎,韌性很好,變形很大也能自己恢復,不會輕易斷裂,但是強度卻不太高。還比如說左下角的 foams 塑料泡沫,強度和韌性都不行,既不結實,還一掰就碎。
 
  顯然,對于賽車的底盤和車身,我們希望能有一種強度和韌性都很好的材料,既結實又不容易碎,也就是圖中右上角深紫色的 composites 纖維復合材料和淡紫色的 metals and alloys 金屬材料。從這里我們可以看到,FRP 纖維復合材料和傳統的金屬材料的韌性,也就是沖擊性能,基本上是類似的。
 
  比如同樣是金屬材料,銅的韌性強于鋼材,但是強度卻明顯低于鋼材;而低合金鋼的強度相比鋼材有大幅提升。
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         再比如同樣的纖維復合材料,碳纖維 CFRP 的強度要明顯高于玻璃纖維 GFRP,但是碳纖維的韌性要差一些。
 
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  就拿碳纖維和我們常見的鋼材來說,對比一下這兩張圖,碳纖維的強度在 400 到 800 兆帕左右,而普通鋼材的強度為 200 到 500 兆帕,并沒有達到數倍乃至十倍。再來看韌性,碳纖維和鋼材基本類似,沒有明顯的區別。
 
  當然,對于抗沖擊性能的評價非常復雜,測試方法也有很多種,比如傳統的斷裂韌性的測量,再比如低速的 Charpy 或者 Izod 沖擊試驗 ,再比如高速的子彈沖擊試驗,或者是專門針對 FRP 材料的平板 dro weight 沖擊等等。碳纖維材料的沖擊性能受溫度和加載速度的影響也很大。不同的應用領域關心的測試條件也不盡相同,而相應的破壞模式也不一樣。這里我們只是籠統的用韌性這個概念,只是為了說明碳纖維的韌性跟鋼材基本處在同一個數量級上。
 
  那問題就來了,既然沒有什么太明顯的區別,為什么賽車還要用碳纖維呢?因為我們還沒有考慮另一個重要的參數,也就是密度。碳纖維的密度遠遠小于鋼材、鋁合金這些金屬材料,也就是說,做同樣的一個零件,差不多體積,滿足類似的力學性能,碳纖維零件比金屬零件輕得多,而這對于賽車運動來說才是至關重要的。
 
  我們都知道,對于賽車來說,推重比的概念非常重要。比如著名的平民性能車斯巴魯 WRX STI,雖然有 310 馬力,但是作為一輛四門轎車,自重接近 1.5 噸,這樣每千克有 0.2 馬力;而川崎忍者 H2R 也有 310 馬力,但是作為一輛摩托車,自重只有 215 千克,平均每千克接近 1.5 馬力。這樣一對比,直道上誰讓誰吃灰是顯而易見的。F1 賽車就更是如此,自重大了一點點,吃虧就會很明顯。所以 F1 賽車的設計對于自重是非常敏感的。也就是說,我們希望自重最小,同時希望強度和剛度最高,在這樣的設計要求下,碳纖維幾乎是唯一的選擇。
 
  這導致了很多人對碳纖維的另一個誤解,也就是認為碳纖維是一種超級材料,所以碳纖維做成的東西各方面都一定都遠遠強于金屬做成的東西。事實上,工程設計是材料和尺寸的綜合,并不僅僅取決于材料。就好比說,我們都知道,鋼材顯然比木材的強度高,簡單說鋼材要更結實,但是鋼材做成的東西就一定比木材做成的東西更結實嗎?比如一根直徑 1 厘米的鋼筋和一根直徑 10 厘米的木材,哪個更能承重呢?
 
  舉個最簡單的例子,好比 F1 賽車上的某個零件,在比賽的時候需要滿足一定的受力要求,比如 100 千牛,如果我用強度為 400 兆帕的鋼材,那么這個零件的截面積需要 2.5 平方厘米;作為對比,如果我用強度為 800 兆帕的碳纖維,那么這個零件的截面積只需要 1.25 平方厘米。也就是說,因為碳纖維的強度是鋼材的兩倍,所以零件大小就可以是鋼材的一半。再加上碳纖維的密度只有鋼材的五分之一左右,所以這個碳纖維零件的重量只有鋼材零件的十分之一,但是受力性能完全相同,都能承載 100 千牛。
 
  但是,我們上面也看到,單位面積的碳纖維和鋼材具有類似的韌性,好比都是 20 千焦每平方米。對于這兩個零件來說,滿足同樣的強度要求,碳纖維零件的面積只需要鋼材零件一半的面積,所以韌性自然也就只有鋼材零件的一半。也就是說,同樣的設計,滿足同樣的受力性能要求,如果不做任何額外的補救措施,那么碳纖維零件的抗沖擊斷裂能量只有鋼材零件的一半。顯然,在承受沖擊荷載的時候,斷裂韌性越低,對安全性能越是不利。
 
  那怎么辦呢?怎么才能提高賽車在事故中的安全性能呢?一方面,工程師會適當的放大碳纖維構件的厚度等等,事實上,現在的碳纖維賽車的自重都是低于 FIA 的最低要求的,比賽前 F1 賽車都會在車內放置鎢塊作為壓艙重物來滿足這一要求。另一方面,工程師也會改進碳纖維賽車的設計,來盡量提高整車的抗沖擊性能,從而保護車手的安全。
 
  比如說,今天的 F1 賽車的底盤和車身,并不是簡單的單層碳纖維,而是一個三明治結構,上下兩層碳纖維材料,中間是鋁合金或者其它纖維復合材料制成的蜂窩狀結構。上下表面的碳纖維一般是多層碳纖維復合在一起,每一層就是我們上面說多方向交叉的時候提到的那種碳纖維布料。通過改變中間蜂窩的高度就可以調節整個系統的剛度。而這些蜂窩因為是六邊形中空結構,事實上本身的重量是很輕的。本田車隊的測試表明,跟沒有中間蜂窩狀鋁合金的單純碳纖維相比,加入了厚度為 3 倍碳纖維厚度的鋁合金蜂窩之后,重量增加了百分之六,但是剛度變為了原來的 37 倍。同時,在事故發生的時候,這些鋁合金蜂窩的變形和斷裂可以吸收很多撞擊能量。就好比密密麻麻放了很多易拉罐,你得先把這些易拉罐踩扁了才能接觸到內層的碳纖維。
 
  再比如說,今天的 F1 賽車設計中常見的安全艙 suvival cell 的概念。簡單說,車手座艙必須是一個安全艙,不能發生斷裂,不能發生大幅變形,也不能被任何碎片刺穿。美軍著名的 A-10 攻擊機之所以有令人咂舌的戰場生存能力,原因之一就是它的飛行員座艙被戲稱為「鈦合金浴缸」,飛行員被鈦合金裝甲嚴嚴實實的包裹在中間,一般的小口徑高炮根本無法擊穿。而 F1 賽車同樣也是如此,在三明治碳纖維的基礎之上,還會加裝 Zylon 裝甲。Zylon 也是一種纖維復合材料,強度遠遠高于碳纖維,跟凱芙拉一樣被應用在防彈領域,所以好鋼用在刀刃上,專門用來保護車手。同時安全艙周圍還會用 Nomex 防火纖維填充蜂窩夾層,起到阻燃的作用。下圖的例子就是安裝在印地賽車座艙側面的 Zylon 裝甲,F1 賽車也是類似的設計。
 
  還比如說,今天的 F1 的技術競爭已經達到了令人發指的地步。應力集中是碳纖維材料的一個問題,所以 F1 賽車的線條如此光滑,沒有任何尖銳的棱角,一方面是空氣動力學的考慮,另一方面也是為了盡量避免任何可能的應力集中。事實上,不僅僅宏觀上不能有尖銳的棱角,微觀上也要避免。我們說碳纖維其實就像織毛衣,把一根一根的纖維編織成一整塊材料,那不同的織法有影響嗎?事實上是有的。簡單想想,你用力拽一根繩子,如果一開始是繃緊的,跟一開始沒繃緊,效果是不一樣的。而不同的織法,有的就容易讓這些纖維沒有繃緊,這樣會影響最終的剛度。同時不同的織法還可能造成局部的應力集中,繼而作為整個碳纖維零件上的薄弱點引發斷裂。我們日常生活中也有類似的例子,比如毛衣或者棉織的衣服一旦被勾破了,以后這個洞就容易越來越大,這就是因為這個小裂口已經變成了應力集中點。比如下圖就是本田車隊的論文里對比的幾種不同的織法。
 
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       也許有些朋友會認為 F1 就是飚車,跟二環十三郎什么的差不了太多。事實上,F1 比的是車隊的技術實力,比的是這些幕后的東西。五十年前沒有一只 F1 車隊擁有自己的材料實驗室,而今天的每一只 F1 車隊都有幾十甚至上百名科學家和工程師,都有自己的實驗室,都從碳纖維怎么編織比較好這樣的問題開始做起。這一切不僅僅是為了成績,更是為了車手的安全。而回顧整個 F1 的歷史,從 1980 年麥克拉倫率先引入碳纖維以來,我們也能看到碳纖維這種材料帶給 F1 這項運動的巨大變化。隨著時代的發展,碳纖維也不僅僅局限在 F1,已經開始出現在很多民用性能車上面。碳纖維帶來的,其實不僅僅是運動性能的提升,也有安全性能的提升。
 
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