一、碳纖維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

碳纖維材料是含碳量高達(dá)90%的材料，大多數(shù)碳纖維是由聚丙烯腈（PAN）經(jīng)碳化處理后得到的一種具有良好力學(xué)性能的纖維。此外，還有黏膠基碳纖維、瀝青基碳纖維等。目前為止，人工制備的碳纖維基本構(gòu)成單元都與石墨的單片層結(jié)構(gòu)相類似，是一種類石墨結(jié)構(gòu)的纖維材料。這種結(jié)構(gòu)與天然石墨不同在于其類石墨片層并不是平行規(guī)整的排列，而是交錯(cuò)排列，相互卷繞，這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成了完美高強(qiáng)度碳纖維結(jié)構(gòu)。碳纖維結(jié)構(gòu)分為高強(qiáng)型和高模型兩種。

二、 碳纖維復(fù)合材料的制備

以聚丙烯腈碳纖維材料為例，碳纖維復(fù)合材料的制備大體可以分為原絲、不熔化、碳化、石墨化，表面處理等過(guò)程。原絲是指由聚丙烯腈纖維進(jìn)行后續(xù)處理，進(jìn)行不熔化過(guò)程就是將聚丙烯腈原絲轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵虏蝗鄄蝗艿慕Y(jié)構(gòu)。其基本原理就是將螺旋線型的聚丙烯腈分子通過(guò)熱反應(yīng)是腈基環(huán)化轉(zhuǎn)變成梯形分子，同時(shí)在氧化的作用下使梯形分子之間發(fā)生交聯(lián)，從而使纖維整體形成一種耐熱的結(jié)構(gòu)。碳化就是將不熔化的聚丙烯腈纖維通過(guò)高溫處理變成碳纖維；石墨化是獲得高模量碳纖維的必要手段，其過(guò)程就是在2000℃以上對(duì)碳纖維進(jìn)行熱處理。表面處理則是對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性方便后續(xù)與復(fù)合材料的結(jié)合。上圖是聚丙烯腈碳纖維制備工藝流程。

三、碳纖維復(fù)合材料在F1方程式賽車的應(yīng)用

F1方程式賽車，作為世界上最快的賽車離不開(kāi)其對(duì)新材料的使用。而想要賽車速度更快，減輕自身重量是一大關(guān)鍵因素，這時(shí)碳纖維就起到了不可替代的作用。碳纖維材料在F1賽車上的應(yīng)用主要在其車身、剎車系統(tǒng)。

1、碳纖維復(fù)合材料的單體殼

F1賽車作為競(jìng)技運(yùn)動(dòng)，除了追求速度，還要注重車手的安全隱患。為了減輕速度，同時(shí)保障車手安全，賽車需要尋找具有可以媲美金屬材料的優(yōu)異力學(xué)性能和較輕的重量的材料。由于碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa也高于鋼。作為新材料的碳纖維復(fù)合材料完美符合這一需求，因此F1賽車的車身單體殼是由碳纖維復(fù)合材料制成。其具有耐疲勞性，優(yōu)異力學(xué)性能，同時(shí)還具有較輕的重量。在使用這種材料之后，被稱為無(wú)大梁?jiǎn)误w結(jié)構(gòu)（Monocogue）的車身基礎(chǔ)部分的重量竟然不可思議地只有30KG。自此，這種優(yōu)秀的材料從未離開(kāi)過(guò)F1賽場(chǎng)。

2 碳纖維剎車系統(tǒng)

傳統(tǒng)汽車的剎車系統(tǒng)，分為鼓剎和盤剎。盤剎比起鼓剎更適用于高速制動(dòng)的汽車。作為世界上最快的賽車F1方程式賽車的剎車碟盤是最容易磨損的剎車碟盤。由于賽程限制，F(xiàn)1賽車的剎車碟盤需要具有高耐磨性。傳統(tǒng)的剎車碟盤是由鑄鐵制作而成。但是，F(xiàn)1賽車比賽過(guò)程中，賽車會(huì)從300公里/h的時(shí)速迅速降至80公里/h，這過(guò)程對(duì)剎車碟盤傷害極大，傳統(tǒng)鑄鐵剎車片不足以支持賽車比完全程比賽，賽車需要一種極耐磨材料作為剎車碟盤。而碳素晶格和碳纖維合成的特殊復(fù)合材料也符合這一需求。碳纖維復(fù)合材料良好的導(dǎo)熱性能，將剎車過(guò)程中產(chǎn)生的熱能迅速傳導(dǎo)散熱，減少對(duì)材料自身的損害，另外，其壓縮性能以及耐氧化、耐疲勞性的優(yōu)異，使得碳纖維剎車碟盤使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通剎車碟盤，因此，F(xiàn)1賽車全都使用碳纖維剎車碟盤以提高剎車片的使用壽命。下圖為剎車片。

四、總結(jié)與展望

 2022/5/31 

F1賽車對(duì)碳纖維復(fù)合材料的大量使用，使得其自身速度的提升，對(duì)民用汽車具有借鑒意義。其車身使用碳纖維復(fù)合材料，在減輕車身自重的同時(shí)，也能保障駕駛員的安全，這對(duì)日常生活的交通工具具有較好的借鑒意義。如果飛機(jī)、汽車使用碳纖維材料制作而成的機(jī)身以及車身，那么自身的重量將會(huì)大概減少為原來(lái)的三分之一。這樣一來(lái)，就會(huì)減少燃料的使用以及二氧化碳的排放，這具有良好的可持續(xù)發(fā)展性。但是，由于技術(shù)限制，碳纖維材料使用成本較高，日常生產(chǎn)生活使用不具有可行性。未來(lái)，相信隨著技術(shù)的改進(jìn)以及生產(chǎn)工藝的改良創(chuàng)新，碳纖維的生產(chǎn)成本也會(huì)隨之降低，那么碳纖維應(yīng)用在日常生活中也將越來(lái)越普遍。

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