F1与新材料

2024年2月29日发(作者：五菱凯捷2021新款六座)

F1，中文名称为“一级方程式锦标赛”，是方程式赛车的最高境界，也是全球三大最受欢迎的比赛项目之一。很多车迷喜欢F1赛车对速度的追求，喜欢那响彻天际的马达轰鸣声，喜欢团队之间的密切合作，同样，各种尖端科技及于一身的F1赛车本身也具有相当大的魅力。据08年的资料显示，一部赛车的制造成本在480万元人民币以上，可想而知，F1赛车是人类智慧的结晶。

从08年开始，大会规定由原来的10缸赛车改成现在的8缸赛车。这也就意味着，想在同样排量下使速度获得提高的同时，要尽量减小赛车本身的质量。包括车手的情况下，车身总重只有600kg，而一辆奥拓的质量还有900kg左右，所以这也就体现了新材料技术的应用。

首先，F1的底盘，它是赛车的重要组成部分，许多负载元件直接装配在上面，所以要求赛车底盘有足够的强度，可以承受各个方向的冲击力，同时不发生各种变形，然而这个底盘只有35kg，它是一种“三明治”结构：中间是蜂窝状铝板，两外层为碳纤维。两外层由许多层碳纤维组成，被紧紧地压在一起（经过高温高压处理将柔韧的结构变很坚硬）。碳纤维在成型之前注入了环氧树脂，并确保树脂均匀分布，保证固化后成份的一致性和材料性能。这三层结构以极高的密度紧紧地贴在一起而形成了一个整体。这便是碳纤维增强树脂基复合材料的应用。

碳纤维carbon fibre，顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代高强度、高模量、

耐高温的无机高分子纤维。碳纤维力学性能优异，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。以粘胶、沥青、酚醛、聚乙烯醇、聚氯乙烯等纤维，特别以是聚丙烯腈（jing)纤维作为原丝，在空气中300℃以下预氧化，然后在惰性气体保护下经高温碳化，再经表面处理等工序制成。碳化温度300-500℃制得的称黑化纤维；500-1800℃制得的称碳化纤维；1500-2000℃或以上制得的称石墨（化）纤维。这类纤维虽然有轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。所以，一般不单独使用。常作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等制成性能复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。目前世界碳纤维产量达到4万吨／年以上，全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团，韩国泰光产业，我国台湾省的台塑集团，等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。

而环氧树脂是指含两个或两个以上环氧基团-C-C-（两个C再共连一个O），以脂肪族、脂环族等芳香族为骨架，并能通过环氧基团

反应形成有用的热固性的高分子低聚体。 分子式是(C11H12O3)n 。以碳纤维及其制品增强的树脂基复合材料，是一种异常坚固但却有着轻微重量的优异材料，并且耐疲劳性能优良，摩擦系数和磨损率低，热膨胀系数小，耐化学腐蚀性能优良，这些共同构成了当今的F1底盘。

同样，F1的车身，包括前翼，刹车碟和刹车缓冲器，部分路肩也应用的是碳纤维材料。在车身的制作过程中，计算机控制的精密切割器具开始打造第一具赛车模型，利用这个模型，车队可以利用碳纤维生产打造车身的模具，熟练的技师将碳纤维一层一层地贴在模具上，车身每一个部位因为承受的压力不同而贴上不同层数的碳纤维与不同的排列方向。每一层碳纤维的排列方向决定了车身承受压力将往哪一个方向分散。F1 赛车的碳纤维层数平均是 12 层，另外在最中央的部分铺设蜂巢结构的铝合金。费时的碳纤维铺设工作结束后，最后一步就是将车身送进高温与高压的真空烤箱中让每一层碳纤维紧密结合。这样的程序要反复进行三次后一具车身才能算大功告成。烤出第一具车身需费时六周。

F1赛车的刹车系统与一般房车并无多太差异。也是由刹车碟和刹车缓冲器两个部分组成。不过由于比赛的激烈程度需要经常从300公里的极限降低到80公里的低谷，使得整个刹车系统的工作温度高达600度，所以整个系统的损耗率也相当之高。刹车碟和刹车缓冲器都有碳纤维材料制造而成，比较起以前使用的铁和石棉，显然碳纤维拥有更优秀的稳定性以及相对更轻巧的重量，比起过去的材质，现在

整个刹车系统轻了6-8公斤，再加上前面介绍过的优良的性质，碳纤维便是刹车系统的最佳选择。

至于路肩，当前最重要的是橡胶的，有些是水泥，但象摩纳哥那种公路赛道，路肩是碳纤维与合金的。

作为赛车心脏的发动机，应用新材料当然也是必不可少的。发动机的活塞是由发泡石墨制造的，发泡石墨具有比铝高4倍、比铜高5倍的传热系数，以及相对密度低、质量小、制取成本不高，以及热膨胀系数是接近硅等优良的性质。应用发泡石墨新型材料制做发动机活塞、气缸体，则既可减小质量40％（与金属制材相比），又可散热致冷，效果极佳，从而可有效地增加发动机输出功率，改进工作效率。

其实变速箱更是科技含量最高的部位之一，一部分原料是依然是碳纤维，但大部分是镁铝合金。还有一些复杂的配方，这些配方也就是各个车队的机密，是制胜的东西，所以我也没有获得更多的信息。

其他的一些就并不是新材料，尽管性质优良，但是是一些较久远的材料了~例如轮胎的材料是软质橡胶，尽管这种轮胎磨损得很快，但是它有效的提高了抓地力。F1使用的是开槽的轮胎，通常在90摄氏度至110摄氏度之间达到最佳工作温度。有意思的是，轮胎内的气体也是维持轮胎寿命的关键，因为它对胎温和胎压有极大的影响。当轮胎表面温度随着赛车行驶逐渐升高时，气体随温度膨胀的速度导致胎压升高。同样，气体从轮胎胎体内部向外导热的能力对于控制胎面温度也十分重要。这种降温效应减弱了轮胎泡胶化的倾向。轮胎结构温度越低，胎面就能忍受越高温，同时可避免胎面和轮胎胎体之间的

泡胶化现象。泡胶化这个现象通常在车手在路缘石、甚至平坦赛道路面发生轮胎死锁（尤其是前轮）时所产生，后遗症则是轮胎行驶时剧烈震动。

轮胎内的主要气体为氮气，但这不是唯一的选择。如果某支车队能找到一种热量更稳定的气体，将内胎胎面温度更大幅度地降低，其优势是显而易见的。例如很多人认为法拉利车队使用的是二氧化碳充轮胎，但这只是一半的答案。事实上它是一种根据赛车轮胎的要求，按照一定比例混合的氢氟碳化合物。氢氟碳化合物(Hydro Fluoro

Carbon)简写为HFC，这是一种制冷剂，离我们的日常生活非常近，冰箱和冷气都会用到它，只是在成分比例上略有差别。研究人员发现HFC化合物能够有效的将轮胎在运行中产生的热量传导到轮圈上，然后由轮圈扮演散热器的角色，将热量传递给外部的空气、让热量从轮胎胎体转移。最终作用是保持轮胎内部较低的气体温度并维持相当稳定的胎压。这种方法对于使用铝或镁质轮圈的F1轮胎来说尤为有效，因为铝或镁具有极高的导热性。经过多次试验，他们发现使用52%的四氟甲烷(Tetrafluoroethane)，加上44%的五氟乙烷（CHF2-CF3)(Pentafluoroethane)和4%三氟乙烷(CH3-CF3)(Trifluoroethane)配制的一种氢氟碳化合物(HFC)——R404A制冷剂最适合用于赛车轮胎的填充气体，比赛时则混合50％的R404A和50％的二氧化碳混合后充入轮胎。这样就可以大大缓解了轮胎的磨损。

F1的排气管的材料是钛合金，为了抵抗引擎尾火的冲击，所以

要硬度和耐热很高，同时还要要求有一定的延展性，因为排气管的形状过于复杂，使用钛合金还便于修补。

不光是车子，车手的头盔和衣服也是特殊材料制成的。在1985年时，一个头盔的重量大约在2公斤左右，这个重量在赛车高速经过弯角或赛车减速时，会急剧增加，并且在出现重大事故时，也增加了扭伤脖颈的风险，而对于F1车手而言，可以肯定的是在发生重大事故时，最容易受伤的部位就是头部和颈部。因此头盔的制造商们努力把重量减小强度增高。现在的F1车手使用的头盔已经十分坚固，但他们的重量却相当轻，现在的一个头盔的重量大概只有1.25公斤。目前的头盔一般是由碳、卡芙拉纤维和聚乙烯三种材料组成的，并且这三种材料用途各不相同，碳的主要功用是加固，保证头盔高强度的要求；卡芙拉纤维的作用则是防火；而聚乙烯的使用目的则在于保持头盔即使在温度急剧变化的情况下也不会发生变形。所谓卡夫拉纤维也就是芳纶，这种纤维强度很高，柔韧性也很好。头盔上的护目镜也有很大的科技含量，尽管是一块薄薄的镜片，它却可以抵挡住来自赛道上速度高达500公里/小时的微小杂物颗粒的冲击，这种护目镜一般都是由特制的聚碳酸酯制成，这使得护目镜既具有极其出色的防火、抗冲击能力，也拥有卓越的可见度，这都减少了由于赛道强光的变化而使车手产生视觉误导所带来的偏差。现在许多车手使用的都是彩色护目镜，它得内部表层涂有特殊的防雾物质，尤其是在雨天比赛时，这一效用的优点尤为突出。另外，在护目镜上一般还有胶条贴层，它的作用是当镜片外侧由于粘附的灰尘或雨水影响到车手视线时，车

手便可以将其撕掉进而使得视线不受阻碍，通常在比赛中看到车手在进入维修站加油换胎时，用手撕去的东西就是这层胶条贴层，值得一提的是这种胶条贴层通常不只一层，车手可以多次撕去以使视线不受阻碍。聚碳酸酯（Polycarbonate）常用缩写PC是一种无色透明的无定性热塑性材料。其名称来源于其内部的CO3基团。2,2＇-双（4-羟基苯基）丙烷聚碳酸酯。无色透明，耐热抗冲击在普通使用温度内都有良好的机械性能，耐酸耐油，耐冲击性能好，折射率高，加工性能好。同样衣服的主要材料叫诺梅克斯（Nomex），一种间位芳纶，也称芳纶1313。特点是耐热性好，强度高。它在250℃的温度下，材料性能可较长时间保持稳定。

我的报告就这些，谢谢大家~~~