超级材料创造高速梦想：碳纤维在F1赛车中的领先地位
时隔四年，F1（世界一级方程式锦标赛）大奖赛再次回到上海。来自10支车队的20名车手为观众呈现了一场顶级的速度盛宴。作为与奥运会、世界杯并列的世界三大体育赛事之一，F1赛事不仅是人类极速驾驶的挑战，也是世界顶级汽车制造商、工程师和车手的竞技舞台展示才华，争夺荣誉。当速度与激情逐渐褪去，留下的，是他们在56圈的激烈角逐中共同创造的奇迹，其中碳纤维材料无疑发挥了至关重要的作用。
照片：F1赛车上的各种碳纤维部件
问一个问题
为什么碳纤维是赛车运动的理想选择？
我们先来看看F1赛车的速度有多快：
最高比赛速度：372.6公里/小时
历史最快速度：413.205公里/小时
加速度：0 - 100 公里/小时- 约。 2.6秒
制动性能： 200 - 0 kmh - 约。 1.9秒
根据FIA（国际汽车运动联合会）的官方记录，2005年蒙扎意大利大奖赛上，胡安·巴勃罗·蒙托亚创下了F1比赛的最高速度纪录，达到了惊人的372.6公里/小时。这意味着F1赛车一分钟可以行驶6公里，几乎是普通汽车速度的三倍。
图片：2015年摩纳哥大奖赛——梅赛德斯车手尼科·罗斯伯格驾驶F1 W06 Hybrid
这些惊人数据的背后，不仅是速度的象征，更是技术的结晶。为了达到赛车减重、提高速度的目的，F1赛车上的每一克重量变化都可能对比赛成绩产生巨大影响。同时，由于这项运动的激烈竞争以及车辆在比赛中需要承受的巨大下压力，多年来，除了开发更尖端的材料和加工技术外，国际汽联也一直致力于提高F1比赛的安全性。我们不断努力，特别是在汽车本身的安全要求方面。由于这两个关键因素，碳纤维材料成为制造F1赛车的唯一选择。
图片：2022年F1概念车的3D模型设计
回顾F1的历史，碳纤维增强复合材料底盘的推出是F1赛车发展史上的一个关键转折点。 1981年，迈凯伦团队率先在硬壳式驾驶舱底盘中使用碳纤维复合材料。全碳MP4/1赛车在4月12日F1阿根廷大奖赛上推出，彻底改变了世界。这项运动。
图：迈凯伦推出MP4/1 赛车
问一个问题
碳纤维在赛车中的优势有哪些？
01
轻量化设计
碳纤维材料因其无与伦比的强度重量比而受到青睐，其密度约为钢的1/4，但强度约为钢的5 倍。这种独特的性能组合使碳纤维部件能够显着减轻汽车的重量，同时保持极高的强度。相比之下，采用碳纤维制成的同一部件可比钢轻50%，比铝合金轻30%。轻量化的优势不仅提高了单圈时间，还提高了加速性能、制动效率和燃油利用率，并减轻了制动器和轮胎的负载。
图：红牛F1车队RB18赛车底盘
“也许这不是一项技术，但它是F1 内部强烈推动的理念转移。提供单圈时间的核心原则是轻量化。”
“让F1 赛车跑得更快的核心原则是轻量化。这不仅是技术创新，更是深入人心的理念传承。 "
——查尔斯·桑德森
迈凯伦首席技术官
02
优异的刚性
材料的刚度通常通过其弹性模量来测量。 F1赛车中使用的碳纤维的弹性模量可以达到400 GPa或更高，远高于钢的弹性模量（约200-210 GPa）。高刚性材料部件帮助汽车承受高速过弯时产生的横向G值，减少部件弯曲和扭转，减少车身侧倾，从而表现出更好的稳定性，确保对驾驶员指令的精确响应。
图：2019 F1 车手丹尼尔·里卡多在巴塞罗那加泰罗尼亚赛道试驾时的过弯视角
03
强大的能量吸收
比能量吸收(SEA) 是衡量材料在断裂或变形之前可以吸收多少能量的指标。根据F1官方数据，碳纤维复合材料的SEA值可高达40kJ/kg至70kJ/kg，远高于钢（约12kJ/kg）和铝（约20kJ/kg） ）。车手驾驶舱是F1赛车的核心部分，其最大的作用就是保护车手的安全。采用碳纤维复合材料的独特设计的硬壳式座舱结构提供了卓越的冲击能量吸收能力。当受到冲击时，它不会破裂或塑性变形，而是以预定方式挤压和分解，从而吸收和分散冲击力，保护骑手免受严重伤害。
点击图片查看碳纤维硬壳的强大防护力
图2：2020年巴林大奖赛赛车撞墙起火后的场景
04
优异的耐用性
碳纤维材料具有优异的抗疲劳性能，可以长期承受循环载荷而不断裂。这在F1 赛车和其他高速运动应用中尤其重要，因为这些应用中的部件经常承受反复的应力。同时，它的惰性更强，不会像金属那样容易生锈或腐蚀。因此，由碳纤维制成的车身、悬架和空气动力学等部件可以承受整个赛季的极端条件，而无需频繁更换。这不仅提高了性能，还提高了车队运营效率。
图：英国梅赛德斯-奔驰世界展厅内爆炸的F1车身MGP W01
05
优异的热性能
如下图所示，赛车在高速行驶时会产生大量热量。碳纤维材料面对如此特殊的条件，具有优异的耐热性和热稳定性。与金属材料不同，复合材料有限的导热率允许不同的部件保持在相应的理想温度，从而最大限度地减少因高热而导致变形或性能下降的可能性。
F1一直被视为未来汽车工业技术的试验场。随着碳纤维技术的不断发展和成熟，其在民用汽车领域的应用逐渐增多。这种技术从赛道到街道的转移，让日常驾驶的汽车能够享受到顶级赛车技术带来的好处。相信未来随着制造成本的进一步降低和复合材料技术的发展，碳纤维将广泛应用于更多的汽车制造领域，在提高燃油效率、减少排放等方面发挥重要作用，为汽车工业的发展做出贡献。汽车工业可持续发展。
参考资料：返回搜狐查看更多
“单体。” www.formula1-Dictionary.net，www.formula1-dictionary.net/monocoque.html。瓦西姆、哈马德。 “F1 赛车有多快以及为什么这么快？”体育报，2024 年2 月19 日，www.sportinglad.com/racing/formula-1/how-fast-are-f1-cars-and-why-are-they-so-fast/。 4 月22 日访问2024.托马斯，G.P. “一级方程式(F1) 赛车中使用的材料。” AZoM.com，2013 年2 月22 日，www.azom.com/article.aspx?ArticleID=8194。“一级方程式赛车将踏板踩在数字加速上。” Workday博客，2022 年1 月31 日，博客。workday.com/en-us/2022/formula-1-puts-pedal-metal-digital-acceleration.html。2024 年4 月23 日访问。“显示 梅赛德斯-奔驰世界”。 www.mercedes-Benzworld.co.uk，www.mercedes-benzworld.co.uk/discover/displays/。2024 年4 月21 日访问。Thomas, G.P.“一级方程式(F1) 赛车中使用的材料”。 AZoM.com，2013 年2 月22 日，www.azom.com/article.aspx?ArticleID=8194。 Au.motorsport.com，au.motorsport.com/f1/news/materials-in-formula-one/2238278/，麦肯齐，伊恩。 BBC 新闻，2011 年3 月10 日，www.bbc.com/news/technology-12691062。 “迈凯伦MP4/1 - 开启复合材料革命的汽车。” 《今日复合材料》，2014 年1 月8 日，www.compositestoday。 com/2014/01/the-mclaren-mp4-1-the-car-that-started-the-composites-revolution-in-f1/. “F1赛车上的碳纤维材料与普通汽车有多远？ |界面·财务账户。”M.jiemian.com，m.jiemian.com/article/723131.html。访问日期：2024年4月25日。“Grosjean的火灾损坏的巴林F1赛车将继续展出。”Www.autosport.com，21 2023 年2 月，www.autosport.com/f1/news/grosjeans-fire-damaging-bahrain-f1-car-to-go-on-display/10434484/，访问时间：2024 年4 月24 日。 “碳纤维有多耐用？ ”碳纤维齿轮，carbonfibregear.com/blogs/carbonfibre/carbon-fibre-durability。 “为什么碳纤维仍然用于制造一级方程式赛车？” Tapscape，2020 年6 月19 日，www.tapscape.com/why-is-carbon-fibre-still-used-to-manufacture-formula-one-racing-cars/。 “一级方程式赛车的工作原理。”Www.youtube.com、youtu.be/V7707zEX9X4?si=fGAFwSeYS0f0vSp2。 4 月21 日访问。 2024 年。“Instagram。” www.instagram.com、www.instagram.com/pitlojimotorsport/p/Cccgy3Mtrfb/?img_index=2。 4 月22 日访问2024.Joren_KandelPL。 “免费3D Model: F1 2022 Monopost 汽车。” Pixel Lab，2023 年5 月16 日，www.thepixellab.net/free-3d-model-f1-2022-monopost-car。 4 月22 日访问2024 年。“碳纤维在一级方程式赛车中的历史。” RW Carbon 的博客，2014 年8 月12 日，blog.rwcarbon.com/2014/08/12/carbon-fibre-its-history-in-formula-1-racing/。费恩利、保罗. “碳纤维F1 赛车： 的先驱者至今仍在拯救生命。” 《赛车运动》杂志，2020 年12 月4 日，www.motorsportmagazine.com/articles/single-seaters/f1/the-man-who-pioneered-carbon-fibre-f1-cars-still- saving-lives-today/。
