歷史性的飛躍—碳纖維

    自 1950 年以來，作為賽車運動的金字塔頂尖賽事，F1 見證了各支車隊為追求性能而不懈地挑戰技術極限。但如果說有一項歷史性的跨步，那一定是第一輛采用碳纖維單殼底盤的賽車，MP4/1 的問世。它輕巧、堅固，在安全方面實現了巨大的飛躍，至今仍對賽車設計產生著巨大的影響。

    迄今為止，碳纖維仍然在 F1 中扮演著舉足輕重的角色—— 占現代 F1 賽車結構重量的 70% 左右。但是，如果有一種更便宜、更可持續的替代品呢？

    邁凱輪與瑞士可持續輕量化專家Bcomp合作開發出了天然纖維復合賽車座椅—— 這是第一個由可再生紡織纖維制成的 F1 賽車部件。通過織物結構優化亞麻纖維的機械性能，使座椅具有所需的強度和剛度，但與碳纖維相比，二氧化碳排放量下降了75%。

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亞麻纖維是怎樣應用的？

 Bcomp 專有的 powerRibs?技術的靈感來自于葉子背面的細脈，它在座椅的一側提供了一個極其輕巧的高性能天然纖維三維網格結構，用來加固 Bcomp 的優化紡紗和亞麻纖維增強織物，ampliTex?。powerRibs? 通過將亞麻纖維加捻形成粗紗，作為與之粘合的 ampliTex? 亞麻織物的骨架。 

    powerRibs?可以使彎曲剛度增加三倍，從而減少材料使用和重量，同時提高減震效果。當powerRibs?與ampliTex?技術面料結合使用時，它會形成完全天然的纖維鋪層，與碳纖維的性能相匹配。同時，在增強碳纖維和玻璃纖維方面也表現出色。

一、高性能、可持續、輕量化

    亞麻是一種不含二氧化碳的原料，其纖維可以被研磨成新的基材或熱回收，而不會產生殘留廢物。同時，亞麻的機械性能使其成為高性能復合材料中有吸引力的可再生原料。亞麻纖維的管狀結構提供了低密度和高剛度，從而有機會減輕重量，同時提高減震性以及抗斷裂、抗扭轉和抗壓縮能力，比任何同等的碳材料輕 9%，并具有明顯更好的減震效果。

    筆者在此基礎上了解到，大多數亞麻纖維增強聚合物（FFRP）受限于其低強度和低濕性性能。天然纖維增強聚合物 （NFRP） 復合材料仍限于非結構或亞結構應用，例如汽車、飛機和建筑的內部。

    將亞麻和碳纖維混合被認為是一種有效方法，可以結合亞麻纖維（環保、低成本）和碳纖維（卓越的機械和熱液抗性）的優點。雖然碳纖維增強聚合物 （CFRP） 具有優異的拉伸性能，但其韌性有限。同時，與FFRP相比，生產出的雜交材料比天然纖維具有更好的剛度和強度。

    上圖顯示了四種類型的板的拉伸應力和應變曲線。與 CFRP 不同，FFRP 表現出明顯的非線性行為，其產生于亞麻纖維獨特的細胞結構。與碳纖維的混合降低了所得復合材料的整體非線性。與純FFRP復合材料相比，亞麻織物和碳纖維的混合使拉伸強度和模量增加。無論碳層位于兩表面還是三復合材料的核心，兩個混合系統的強度和模量都大于純FFRP的強度和模量。

二、緩震與保護

   由于 Bcomp 的 ampliTex? 亞麻織物和 powerRibs? 技術，其性能提高了五倍。這種天然纖維材料具有更強的吸震性和抗沖擊性，非常適合用于駕駛座。

    當它斷裂時，與碳纖維不同，通過使損傷區變硬并加以限制，不容易發生脆性斷裂和劈裂。在 powerRibs? 的幫助下，較軟的碎片仍然附著在主結構上，有助于消散能量。在賽道上發生的事故中，碰撞后產生的碳纖維碎片使車手的比賽變得支離破碎。在賽車前翼端板和底板使用天然纖維復合材料，可以減少碳纖維碎片，從而降低爆胎的風險。

    筆者稍做了解，碳纖維和亞麻纖維的混合可以提高復合材料的能量吸收能力。雖然CFRP復合材料具有優異的機械強度和耐用性，但韌性有限，不適合能量吸收應用，而FFRP具有細胞結構和低密度的優勢。混合可以改善天然纖維和合成纖維的最大弱點，同時生產具有出色沖擊能量吸收和更好的承載能力的環境友好型材料。在能量為4 J的沖擊下，麻纖維/玻璃纖維混合復合材料的固有強度和剛度僅損失30%，而在同樣的沖擊能量下，麻纖維復合材料的損耗為70%。

    如上圖所示，能量為104 J的沖擊時，材料強烈振蕩，曲線顯示較大的沖擊波。亞麻纖維的內部細胞腔結構具有更大的可變形性。5F 層壓板的峰值反應力低于其他配置，峰值負載時存在擴展的高原就證實了這一點。與 5F 復合材料相比，CFFFC 和 FCFCF 混合復合材料的初始損傷點都較高。CFFFC 樣品具有巨大的能量吸收潛力。與5C樣品相比，FCFCF和CFFFC樣品的能量吸收率分別增加了13.25%和28.89%。

三、成本與發展前景

   Bcomp 的 ampliTex? 和 powerRibs? 解決方案與傳統的碳纖維相比，原材料成本降低了 30%，這種顯著的節約可以釋放出預算來探索其他提高賽車性能的方法，同時保持甚至提高性能。

    目前，大部分用于制造汽車零部件的模具，都是由碳纖維復合材料制成的，因為它的熱膨脹率低。然而，亞麻纖維也具備這一特性，有可能使其成為適合于用標準復合材料制造的性能部件的模具材料。擁有如此多的潛在應用，天然纖維復合材料賽車座椅只是一個開始。

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