碳纖維是目前適合賽車的材料，否則的話，那么多 F1 車隊(duì)，又不缺錢，又不缺人，早就用上更好的新材料了。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，碳纖維的強(qiáng)度、剛度和抗沖擊性能總體來說都有優(yōu)勢(shì)，尤其是單位重量的各項(xiàng)性能明顯優(yōu)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(jī)和安全性能兩方面都有著巨大的優(yōu)越性。

      就比如說 2014 年銀石賽道萊科寧的事故，當(dāng)時(shí)萊科寧的法拉利賽車在失控之后終一頭撞向護(hù)墻，以大約 240 公里的時(shí)速筆直的撞到護(hù)墻上，碰撞瞬間的沖擊高達(dá) 47g，隨后賽車被彈回賽道，在賽道上轉(zhuǎn)著圈穿過密集的 F1 賽車車流，然后撞到了對(duì)面的護(hù)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(guān)門聲音比較厚實(shí)的神車，這樣的碰撞結(jié)果會(huì)怎樣？

      F1 賽車的設(shè)計(jì)，或者說所有性能車的設(shè)計(jì)，其實(shí)是一個(gè)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(shè)計(jì)，就是在這之中找到一個(gè)佳的平衡點(diǎn)。簡(jiǎn)單說，就是在滿足低的安全要求的前提下，盡量取得高的賽車性能。而就工程材料而言，這個(gè)佳的平衡點(diǎn)目前來看就是碳纖維。

      我們通常所說的碳纖維是一個(gè)模糊的總稱，不同種類碳纖維的性能其實(shí)千差萬別。要注意，我們所說的「碳纖維」，其實(shí)是「碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料」的簡(jiǎn)稱和俗稱，與「碳纖維」是有區(qū)別的。簡(jiǎn)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(nèi)褲）。

      所謂的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其實(shí)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終的材料性能。正因?yàn)檫@樣，我們可以通過調(diào)整所謂的 fiber volume fraction，也就是纖維體積比，來控制碳纖維材料的性能。簡(jiǎn)單說，纖維越密，單位體積內(nèi)的纖維越多，沿纖向的強(qiáng)度就越高；反之，纖維越疏，單位體積內(nèi)的纖維越少，終碳纖維材料的強(qiáng)度也就越低。

      對(duì)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。其中常用的當(dāng)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。

這個(gè)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(shí)更像布料，可以彎折，可以卷成一卷。

      這也就造成了很多人對(duì)碳纖維材料的一個(gè)普遍誤解，那就是混淆了「纖維」和終的「纖維復(fù)合材料」。「纖維」的性能就是單純的測(cè)量單一的圓柱體，這樣測(cè)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(shù)倍甚至十倍于鋼材。但是真正工程應(yīng)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(fù)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，終碳纖維材料的性能，其實(shí)是纖維性能和填充樹脂性能的加權(quán)平均。對(duì)于大多數(shù)碳纖維復(fù)合材料來說，測(cè)試的結(jié)果雖然可能強(qiáng)于鋼材，但差別并沒有達(dá)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(qiáng)度和斷裂的對(duì)比。簡(jiǎn)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(qiáng)度就是拉斷這根筷子所需要的力，而所謂斷裂就是用一個(gè)大鐵錘砸斷這根筷子所需要，一定程度上體現(xiàn)的就是材料的抗沖擊能力。

      上圖中的縱軸 Strength 就是抗拉強(qiáng)度，而橫軸 toughness 就是斷裂，也叫韌性。比方說，左上角的是 ceramics 和 porous ceramics，比如我們熟知的鉆石和玻璃，強(qiáng)度相當(dāng)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(fù)，不會(huì)輕易斷裂，但是強(qiáng)度卻不太高。還比如說左下角的 foams 塑料泡沫，強(qiáng)度和韌性都不行，既不結(jié)實(shí)，還一掰就碎。

      顯然，對(duì)于賽車的底盤和車身，我們希望能有一種強(qiáng)度和韌性都很好的材料，既結(jié)實(shí)又不容易碎，也就是圖中右上角深紫色的 composites 纖維復(fù)合材料和淡紫色的 metals and alloys 金屬材料。從這里我們可以看到，F(xiàn)RP 纖維復(fù)合材料和傳統(tǒng)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(qiáng)于鋼材，但是強(qiáng)度卻明顯低于鋼材；而低合金鋼的強(qiáng)度相比鋼材有大幅提升。

再比如同樣的纖維復(fù)合材料，碳纖維 CFRP 的強(qiáng)度要明顯高于玻璃纖維 GFRP，但是碳纖維的韌性要差一些。

      就拿碳纖維和我們常見的鋼材來說，對(duì)比一下這兩張圖，碳纖維的強(qiáng)度在 400 到 800 兆帕左右，而普通鋼材的強(qiáng)度為 200 到 500 兆帕，并沒有達(dá)到數(shù)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(qū)別。

      當(dāng)然，對(duì)于抗沖擊性能的評(píng)價(jià)非常復(fù)雜，測(cè)試方法也有很多種，比如傳統(tǒng)的斷裂韌性的測(cè)量，再比如低速的 Charpy 或者 Izod 沖擊試驗(yàn) ，再比如高速的子彈沖擊試驗(yàn)，或者是專門針對(duì) FRP 材料的平板 drop 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(yīng)用領(lǐng)域關(guān)心的測(cè)試條件也不盡相同，而相應(yīng)的破壞模式也不一樣。這里我們只是籠統(tǒng)的用韌性這個(gè)概念，只是為了說明碳纖維的韌性跟鋼材基本處在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。

      那問題就來了，既然沒有什么太明顯的區(qū)別，為什么賽車還要用碳纖維呢？因?yàn)槲覀冞�沒有考慮另一個(gè)重要的參數(shù)，也就是密度。碳纖維的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材、鋁合金這些金屬材料，也就是說，做同樣的一個(gè)零件，差不多體積，滿足類似的力學(xué)性能，碳纖維零件比金屬零件輕得多，而這對(duì)于賽車運(yùn)動(dòng)來說才是至關(guān)重要的。

      我們都知道，對(duì)于賽車來說，推重比的概念非常重要。比如平民性能車斯巴魯 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(duì)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(diǎn)點(diǎn)，吃虧就會(huì)很明顯。所以 F1 賽車的設(shè)計(jì)對(duì)于自重是非常的。也就是說，我們希望自重小，同時(shí)希望強(qiáng)度和剛度高，在這樣的設(shè)計(jì)要求下，碳纖維幾乎的選擇。

      這導(dǎo)致了很多人對(duì)碳纖維的另一個(gè)誤解，也就是認(rèn)為碳纖維是一種材料，所以碳纖維做成的東西各方面都一定都遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于金屬做成的東西。事實(shí)上，工程設(shè)計(jì)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(qiáng)度高，簡(jiǎn)單說鋼材要更結(jié)實(shí)，但是鋼材做成的東西就一定比木材做成的東西更結(jié)實(shí)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(gè)更能承重呢？

      舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，好比 F1 賽車上的某個(gè)零件，在比賽的時(shí)候需要滿足一定的受力要求，比如 100 千牛，如果我用強(qiáng)度為 400 兆帕的鋼材，那么這個(gè)零件的截面積需要 2.5 平方厘米；作為對(duì)比，如果我用強(qiáng)度為 800 兆帕的碳纖維，那么這個(gè)零件的截面積只需要 1.25 平方厘米。也就是說，因?yàn)樘祭w維的強(qiáng)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(gè)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(duì)于這兩個(gè)零件來說，滿足同樣的強(qiáng)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(shè)計(jì)，滿足同樣的受力性能要求，如果不做任何額外的補(bǔ)救措施，那么碳纖維零件的抗沖擊斷裂只有鋼材零件的一半。顯然，在承受沖擊荷載的時(shí)候，斷裂韌性越低，對(duì)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(huì)適當(dāng)?shù)姆糯筇祭w維構(gòu)件的厚度等等，事實(shí)上，現(xiàn)在的碳纖維賽車的自重都是低于 FIA 的低要求的，比賽前 F1 賽車都會(huì)在車內(nèi)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(huì)改進(jìn)碳纖維賽車的設(shè)計(jì)，來盡量提高整車的抗沖擊性能，從而保護(hù)車手的安全。

      比如說，今天的 F1 賽車的底盤和車身，并不是簡(jiǎn)單的單層碳纖維，而是一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)，上下兩層碳纖維材料，中間是鋁合金或者其它纖維復(fù)合材料制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。上下表面的碳纖維一般是多層碳纖維復(fù)合在一起，每一層就是我們上面說多方向交叉的時(shí)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(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的剛度。而這些蜂窩因?yàn)槭橇�邊形中空結(jié)構(gòu)，事實(shí)上本身的重量是很輕的。本田車隊(duì)的測(cè)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?yōu)榱嗽瓉淼?37 倍。同時(shí)，在事故發(fā)生的時(shí)候，這些鋁合金蜂窩的變形和斷裂可以吸收很多撞擊。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(nèi)層的碳纖維。

      再比如說，今天的 F1 賽車設(shè)計(jì)中常見的安全艙 suvival cell 的概念。簡(jiǎn)單說，車手座是一個(gè)安全艙，不能發(fā)生斷裂，不能發(fā)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(jī)之所以有令人咂舌的戰(zhàn)場(chǎng)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(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)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(chǔ)之上，還會(huì)加裝 Zylon 裝甲。Zylon 也是一種纖維復(fù)合材料，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳纖維，跟凱芙拉一樣被應(yīng)用在防彈領(lǐng)域，所以好鋼用在刀刃上，專門用來保護(hù)車手。同時(shí)安全艙周圍還會(huì)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(cè)面的 Zylon 裝甲，F(xiàn)1 賽車也是類似的設(shè)計(jì)。

      還比如說，今天的 F1 的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)達(dá)到了令人發(fā)指的地步。應(yīng)力集中是碳纖維材料的一個(gè)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(dòng)力學(xué)的考慮，另一方面也是為了盡量避免任何可能的應(yīng)力集中。事實(shí)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(shí)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(shí)上是有的。簡(jiǎn)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(huì)影響終的剛度。同時(shí)不同的織法還可能造成局部的應(yīng)力集中，繼而作為整個(gè)碳纖維零件上的薄弱點(diǎn)引發(fā)斷裂。我們?nèi)粘Ｉ�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(gè)洞就容易越來越大，這就是因?yàn)檫@個(gè)小裂口已經(jīng)變成了應(yīng)力集中點(diǎn)。比如下圖就是本田車隊(duì)的論文里對(duì)比的幾種不同的織法。

      也許有些朋友會(huì)認(rèn)為 F1 就是飚車，跟二環(huán)十三郎什么的差不了太多。事實(shí)上，F(xiàn)1 比的是車隊(duì)的技術(shù)實(shí)力，比的是這些幕后的東西。五十年前沒有一只 F1 車隊(duì)擁有自己的材料實(shí)驗(yàn)室，而今天的每一只 F1 車隊(duì)都有幾十甚至上百名科學(xué)家和工程師，都有自己的實(shí)驗(yàn)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(jī)，更是為了車手的安全。而回顧整個(gè) 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(xiàng)運(yùn)動(dòng)的巨大變化。隨著時(shí)代的發(fā)展，碳纖維也不僅僅局限在 F1，已經(jīng)開始出現(xiàn)在很多民用性能車上面。碳纖維帶來的，其實(shí)不僅僅是運(yùn)動(dòng)性能的提升，也有安全性能的提升。