【专业讲堂】赛车行业中的碳纤维复合材料和金属材料
一级方程式赛车是赛车运动中最重要的比赛之一。这项比赛诞生于1950年,在四大洲举行了20多项赛事,虽然只有10支球队参加比赛,但是其中7支总部在英国。此外,这7个团队都位于米德兰兹郡Silverstone赛车场周围80英里的区域。
这些团队自然会在供应商和服务公司之间散布大量业务。经计算,该业务的营业额约为90亿英镑。大量公司出口到世界各地,占出口销售额的87%。由于技术在比赛结果中起着如此重要的作用,因此各车队正在不断研究和开发新的解决方案,以使其跻身第一。
赛车复合材料
一级方程式赛车一直是赛车行业技术的先驱。1981年它在赛车比赛中首次引入了第一个复合材料底盘,该底盘由碳纤维增强环氧树脂复合材料制成,通过与美国公司Hercules Aerospace(现如今的美国Hexcel公司)共同开发。
随着80年代在一级方程式中引入碳纤维复合材料,这种材料已经渗透到更多系列中,现在几乎在所有国际比赛中碳纤维复合材料均被普遍使用。因为它为结构应用提供了更好的比刚度和比强度,这也就意味着可以以较小的质量制造车辆,从而使汽车在赛道上的行驶速度更快。
复合材料(尤其是碳纤维)可以多种不同形式使用,并通过与各种各样的基体结合来充分实现每种应用的可能性。除了高比强度和高比刚度,它还具有可预测的碰撞行为特征,使其非常适合碰撞结构。这在撞车事故普遍且因此安全至关重要的赛车赛事中显然很重要。
PAN基碳纤维:赛车行业广泛应用
赛车运动中最常用复合材料的增强体是碳纤维。然而,由于碳纤维具有一定的导电性,因此在赛车某些应用领域需要进行特殊化处理,例如定制电池组中的赛车电池,对于这些应用,最好选择如玻璃纤维等为增强体。
碳纤维也有不同类型,如聚丙烯腈(PAN)和中间相沥青(MP)均是碳纤维两种不同的前驱体,其中PAN基碳纤维是最常用的,因为它们比MPCF便宜。PAN基碳纤维按照拉伸模量,又可分为三类:高模量、中模量和低模量。赛车运动中最常用的树脂是环氧树脂、氰酸酯和专有的耐高温树脂体系。
作为对比,复合材料的密度为1.5g/cm³,而钢的密度为8.0g/cm³,铝为2.7g/cm³,钛为4.5 g/cm³。因此在强度和刚度相近的情况下,复合材料密度更低。因此,这意味着在涉及结构要求高的应用且重量轻的情况下,复合材料占据上风。MPCF主要用于需要极高的刚度/重量比的航天领域。这些材料通常太昂贵,并且具有其他特性,使其在赛车运动中不如PAN基碳纤维那么吸引人。
赛车行业中的金属
尽管一级方程式赛车超过80%是由复合材料制成的,但金属零件在许多领域仍然起着至关重要的作用。主要包括发动机、变速箱和悬架等。金属零件通常具有高强度和耐磨性、复杂的几何形状和较高的尺寸精度要求。对于所有这些类别,金属都比较出色,因此在复合材料之前就选择了金属。
与复合材料有不同的类型相似,赛车中最常用的材料也比较多,如铝、钛和钢。每一种都有几种合金组成,可以与表面涂层和热处理结合使用。在不同的温度、应变和疲劳条件下,它们都具有极高的强度和耐磨性。
有时候设计工程师会将金属和复合材料结合到某些组件中,例如机翼、底盘、悬架,以在正确的位置利用每种材料的特性。
(参考bold valuable)