一、碳纖維結構簡介

碳纖維材料是含碳量高達90%的材料，大多數碳纖維是由聚丙烯腈（PAN）經碳化處理后得到的一種具有良好力學性能的纖維。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成單元都與石墨的單片層結構相類似，是一種類石墨結構的纖維材料。這種結構與天然石墨不同在于其類石墨片層并不是平行規整的排列，而是交錯排列，相互卷繞，這種結構構成了完美高強度碳纖維結構。碳纖維結構分為高強型和高模型兩種。

二、 碳纖維復合材料的制備

以聚丙烯腈碳纖維材料為例，碳纖維復合材料的制備大體可以分為原絲、不熔化、碳化、石墨化，表面處理等過程。原絲是指由聚丙烯腈纖維進行后續處理，進行不熔化過程就是將聚丙烯腈原絲轉變為高溫下不熔不溶的結構。其基本原理就是將螺旋線型的聚丙烯腈分子通過熱反應是腈基環化轉變成梯形分子，同時在氧化的作用下使梯形分子之間發生交聯，從而使纖維整體形成一種耐熱的結構。碳化就是將不熔化的聚丙烯腈纖維通過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，其過程就是在2000℃以上對碳纖維進行熱處理。表面處理則是對碳纖維表面進行改性方便后續與復合材料的結合。上圖是聚丙烯腈碳纖維制備工藝流程。

三、碳纖維復合材料在F1方程式賽車的應用

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

1、碳纖維復合材料的單體殼

F1賽車作為競技運動，除了追求速度，還要注重車手的安全隱患。為了減輕速度，同時保障車手安全，賽車需要尋找具有可以媲美金屬材料的優異力學性能和較輕的重量的材料。由于碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，抗拉強度一般都在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合材料制成。其具有耐疲勞性，優異力學性能，同時還具有較輕的重量。在使用這種材料之后，被稱為無大梁單體結構（Monocogue）的車身基礎部分的重量竟然不可思議地只有30KG。自此，這種優秀的材料從未離開過F1賽場。

2 碳纖維剎車系統

傳統汽車的剎車系統，分為鼓剎和盤剎。盤剎比起鼓剎更適用于高速制動的汽車。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，F1賽車的剎車碟盤需要具有高耐磨性。傳統的剎車碟盤是由鑄鐵制作而成。但是，F1賽車比賽過程中，賽車會從300公里/h的時速迅速降至80公里/h，這過程對剎車碟盤傷害極大，傳統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合材料也符合這一需求。碳纖維復合材料良好的導熱性能，將剎車過程中產生的熱能迅速傳導散熱，減少對材料自身的損害，另外，其壓縮性能以及耐氧化、耐疲勞性的優異，使得碳纖維剎車碟盤使用壽命遠遠大于普通剎車碟盤，因此，F1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、總結與展望

 2022/5/31 

F1賽車對碳纖維復合材料的大量使用，使得其自身速度的提升，對民用汽車具有借鑒意義。其車身使用碳纖維復合材料，在減輕車身自重的同時，也能保障駕駛員的安全，這對日常生活的交通工具具有較好的借鑒意義。如果飛機、汽車使用碳纖維材料制作而成的機身以及車身，那么自身的重量將會大概減少為原來的三分之一。這樣一來，就會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發展性。但是，由于技術限制，碳纖維材料使用成本較高，日常生產生活使用不具有可行性。未來，相信隨著技術的改進以及生產工藝的改良創新，碳纖維的生產成本也會隨之降低，那么碳纖維應用在日常生活中也將越來越普遍。

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