极速赛车世界-超级材料打造极速梦想：碳纤维在F1赛车领域的引领地位

时隔四年，F1（世界一级方程式锦标赛，Formula 1 World Championship）大奖赛再次回归上海，来自10支车队的20名车手为全场观众呈现了一场顶级的极速盛宴F1赛车。作为与奥运会和世界杯足球赛齐名的世界三大体育盛事之一，F1赛事不仅是人类对极速驾驶极限的挑战，更是全球顶尖汽车制造商、工程师和车手展示才华与争夺荣誉的竞技舞台。当速度与激情逐渐褪去，留下的是他们共同在56圈激烈角逐中创造的奇迹，其中碳纤维材料无疑扮演了至关重要的角色。-F1赛车

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组图：F1赛车上的各种碳纤维组件

提问

为什么碳纤维是赛车运动的理想之选F1赛车？

让F1赛车我们先来看看F1赛车有多快：

最高比赛速度：372.6 km/h

历史最快速度：413.205 km/h

加速度：0 - 100 kmh - 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，在2005年意大利大奖赛蒙扎站中，Juan Pablo Montoya（胡安·巴布罗·蒙托亚）创造了F1正赛的最高速度记录，达到惊人的372.6公里/小时F1赛车。这意味着F1赛车能在一分钟内行驶6公里，速度几乎是普通汽车的三倍。-F1赛车

图片：2015年摩纳哥大奖赛——梅赛德斯车队车手 Nico Rosberg（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，更是科技的结晶F1赛车。为了使赛车达到减重增速的目的，F1赛车上的每一克重量变化都可能对比赛成绩产生巨大的影响。同时由于这项运动的激烈竞争，加上车辆在比赛中需承受的巨大下压力，多年以来，各大车队除了研发更尖端的材料和加工技术外，FIA也一直在为提升F1比赛的安全而不懈努力，尤其是对于赛车本身的安全要求。出于这两个关键性因素的考量，碳纤维材料成为了制造F1赛车的不二之选。-F1赛车

图片：2022年概念款F1赛车的3D模型设计

回顾整个 F1 的历史，碳纤维增强复合材料底盘的引入是 F1 赛车开发史上的一个关键转折点F1赛车。1981年，McLaren（迈凯伦）车队开创性地将碳纤维复合材料用于单体壳座舱底盘，全碳MP4/1赛车在4月12日的F1阿根廷大奖赛中横空出世，从此彻底改变了这项运动。-F1赛车

图片：迈凯伦车队发布MP4/1赛车

提问

碳纤维在赛车中的优势有哪些F1赛车？

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，其密度大约是钢的1/4，但强度却是钢的5倍左右F1赛车。这种独特性能组合使得碳纤维部件在保持极高强度的同时，还能显著降低赛车的重量。相比之下，同样的零件由碳纤维材质制造能比钢材质减重50%，比铝合金材质减重30%。轻量化的优势不仅改善了圈速，还提高了加速性能、制动效率和燃油利用率，减轻了刹车和轮胎的负荷。 -F1赛车

图片：红牛F1车队RB18赛车底盘

“Maybe it’s not a technology, but it’s a philosophy transfer very strongly driven within F1. The core principle to delivering lap times is lightweighting.”-F1赛车

"提高F1赛车速度的核心原则是轻量化F1赛车。这不仅是一项技术革新，更是深入人心的理念传承。"

- 查尔斯·桑德森（Charles Sanderson）

迈凯轮首席技术官

02

卓越的刚度

材料的刚度通常以弹性模量（Elastic Modulus）来衡量，在F1赛车中使用的碳纤维弹性模量可以达到400 GPa或更高，远高于钢材的弹性模量（约为200-210 GPa）F1赛车。高刚度的材料组件有助于赛车承受在高速过弯时产生的横向G值、减少组件弯曲和扭转、降低车身侧倾度，从而表现出更好的稳定性，确保对驾驶员指令的精确响应。-F1赛车

图片：2019年F1车手Daniel Ricciardo（丹尼尔·里卡多）在巴塞罗那加泰罗尼亚赛道试驾中的过弯视角

03

强大的吸能性

比能量吸收（Specific Energy Absorption, SEA）是衡量材料在断裂或变形前能吸收多少能量的指标F1赛车。根据F1官方数据显示，碳纤维复合材料的SEA值可以高达40 kJ/kg至70 kJ/kg，这个范围远高于钢材（约12 kJ/kg）和铝材（约20 kJ/kg）。车手的驾驶舱是F1赛车的核心部位，其最大的作用就是保护车手的安全。使用碳纤维复合材料经独特设计的单体壳驾驶舱结构提供了卓越的冲击能量吸收，当它在受到冲击时不会发生断裂或塑性变形，而是会按照预定的方式压碎和分解，从而吸收和分散撞击力，保护车手免受严重伤害。-F1赛车

点击图片查看碳纤维单体壳强大的保护力

图二：2020年巴林大奖赛赛车撞墙起火后现场

04

优异的耐久性

碳纤维材料优异的抗疲劳性，能够长时间承受循环加载而不发生断裂F1赛车。这在F1赛车和其他高速运动应用中尤为重要，因为这些场景中的部件经常需要承受重复的应力。同时，它具有更高的惰性，不会像金属那样容易生锈或腐蚀。因此，使用碳纤维制造的车身、悬架和空气动力学等部件可以在整个赛季中承受极端条件，而不需要频繁更换。这不仅提高了性能，还提高了车队的运营效率。-F1赛车

图片：英国奔驰世界展厅中的MGP W01爆炸式F1车身

05

出色的热表现力

如下图所示，赛车在高速行驶条件下会产生巨大的热量，碳纤维材料在面对这种特殊条件下具备了出色的耐热性和热稳定性F1赛车。与金属材料不同，复合材料有限的导热性可使不同的组件能够保持在其对应的理想温度，从而最小化因高热量引起的变形或性能下降的可能性。-F1赛车

F1历来被视为未来汽车工业技术的试炼场，随着碳纤维技术的持续发展和成熟，其在民用汽车领域的应用正逐渐增多F1赛车。这种从赛道到街头的技术转移，使得日常驾驶的汽车也能享受到由顶级赛车技术带来的益处。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，碳纤维将在更多汽车制造领域得到广泛应用，并在提高燃效、减少排放方面发挥重要作用，为汽车行业的可持续发展贡献力量。-F1赛车

参考资料：