碳纤维的抗冲击性好吗？

网上不少都说碳纤维的拉伸强度很高，但都没说抗冲击性而且感觉很多用碳纤维的跑车一出车祸整个车身都会撞烂掉。

碳纤维是目前最适合赛车的材料，否则的话，那么多 F1 车队，又不缺钱，又不缺人，早就用上更好的新材料了。与传统的金属材料相比，碳纤维的强度、刚度和抗冲击性能总体来说都有优势，尤其是单位重量的各项性能明显优于金属材料。而回顾 F1 历史，我们也能明显的看到，相比于过去的金属材料赛车，碳纤维赛车在成绩和安全性能两方面都有着巨大的优越性。

就比如说 2014 年银石赛道莱科宁的事故，当时莱科宁的法拉利赛车在失控之后最终一头撞向护墙，以大约 240 公里的时速笔直的撞到护墙上，碰撞瞬间的冲击高达 47g，随后赛车被弹回赛道，在赛道上转着圈穿过密集的 F1 赛车车流，然后撞到了对面的护栏上，在这期间还击中了马萨的赛车。这样的撞击之后，莱科宁只是轻微擦伤了脚踝和膝盖，自己能爬出赛车。如果这样的安全性能都不能说服你，那你可以想一下，如果这是一辆关门声音比较厚实的神车，这样的碰撞结果会怎样？

F1 赛车的设计，或者说所有性能车的设计，其实是一个典型的工程问题，通俗地说就是「戴着镣铐跳舞」。要更快的车，可以，但是可能不安全；要更安全的车，可以，但是可能不快。所谓的工程设计，就是在这之中找到一个最佳的平衡点。简单说，就是在满足最低的安全要求的前提下，尽量取得最高的赛车性能。而就工程材料而言，这个最佳的平衡点目前来看就是碳纤维。

我们通常所说的碳纤维是一个模糊的总称，不同种类碳纤维的性能其实千差万别。要注意，我们所说的「碳纤维」，其实是「碳纤维增强复合材料」的简称和俗称，与真正的「碳纤维」是有区别的。简单理解，真正的「碳纤维」就像是一根一根的毛线，而我们通常所说的「碳纤维」则是这些毛线织成的各种毛衣、围巾、手套等等（以及于谦老师的毛线内裤）。

所谓的碳纤维增强复合材料，其实就是用很多碳纤维，按照一定的方向排布，然后用树脂或者其它黏合材料紧密的连接成一体。比如下图所示，这一根一根的圆柱体就是碳的纤维，而这些圆柱体被中间填充的树脂填充在一起。这些纤维的分布密度直接影响最终的材料性能。正因为这样，我们可以通过调整所谓的 fiber volume fraction，也就是纤维体积比，来控制碳纤维材料的最终性能。简单说，纤维越密，单位体积内的纤维越多，沿纤维方向的强度就越高；反之，纤维越疏，单位体积内的纤维越少，最终碳纤维材料的强度也就越低。

对于工程中使用的碳纤维来说，纤维的排布既可以是单一方向的，也可以是多方向交叉叠加的。其中最常用的当然是多方向交叉的，这也就是我们常见的那种碳纤维的外观。

比如这就是单一方向的。

这个就是多方向交叉的，我们常见的碳纤维的外观就是这种双向交叉的纹理。原始的碳纤维材料就是这样的，其实更像布料，可以弯折，可以卷成一卷。

这也就造成了很多人对碳纤维材料的一个普遍误解，那就是混淆了「纤维」和最终的「纤维复合材料」。「纤维」的性能就是单纯的测量单一的圆柱体，这样测试出来的性能非常惊人，也就是很多人甚至有些科普读物里常说的数倍甚至十倍于钢材。但是真正工程应用中使用的并不是单一的一根一根的纤维，而是纤维和树脂共同组成的「纤维复合材料」，其工程性能不仅仅取决于单根纤维的性能，还受树脂性能和纤维密度的影响，更受纤维方向的影响。也就是说，最终碳纤维材料的性能，其实是纤维性能和填充树脂性能的加权平均。对于大多数碳纤维复合材料来说，测试的结果虽然可能强于钢材，但差别并没有达到天差地别的程度。

我们可以比较一下一般的碳纤维和一般的钢材。比如说，我们可以看一下强度和断裂能量的对比。简单说，我们用不同材料做成相同大小的筷子一样的圆柱体。所谓强度就是拉断这根筷子所需要的力，而所谓断裂能量就是用一个大铁锤砸断这根筷子所需要的能量，一定程度上体现的就是材料的抗冲击能力。

上图中的纵轴 Strength 就是抗拉强度，而横轴 toughness 就是断裂能量，也叫韧性。比方说，最左上角的是 ceramics 和 porous ceramics，比如我们熟知的钻石和玻璃，强度相当高，但是韧性非常低，一摔就碎，一砸就烂。再比如说右下角的 rubbers，橡胶材料，比如我们常见的轮胎，韧性很好，变形很大也能自己恢复，不会轻易断裂，但是强度却不太高。还比如说左下角的 foams 塑料泡沫，强度和韧性都不行，既不结实，还一掰就碎。

显然，对于赛车的底盘和车身，我们希望能有一种强度和韧性都很好的材料，既结实又不容易碎，也就是图中右上角深紫色的 composites 纤维复合材料和淡紫色的 metals and alloys 金属材料。从这里我们可以看到，FRP 纤维复合材料和传统的金属材料的韧性，也就是冲击性能，基本上是类似的。

比如同样是金属材料，铜的韧性强于钢材，但是强度却明显低于钢材；而低合金钢的强度相比钢材有大幅提升。

再比如同样的纤维复合材料，碳纤维 CFRP 的强度要明显高于玻璃纤维 GFRP，但是碳纤维的韧性要差一些。

就拿碳纤维和我们常见的钢材来说，对比一下这两张图，碳纤维的强度在 400 到 800 兆帕左右，而普通钢材的强度为 200 到 500 兆帕，并没有达到数倍乃至十倍。再来看韧性，碳纤维和钢材基本类似，没有明显的区别。

当然，对于抗冲击性能的评价非常复杂，测试方法也有很多种，比如传统的断裂韧性的测量，再比如低速的 Charpy 或者 Izod 冲击试验 ，再比如高速的子弹冲击试验，或者是专门针对 FRP 材料的平板 drop weight 冲击等等。碳纤维材料的冲击性能受温度和加载速度的影响也很大。不同的应用领域关心的测试条件也不尽相同，而相应的破坏模式也不一样。这里我们只是笼统的用韧性这个概念，只是为了说明碳纤维的韧性跟钢材基本处在同一个数量级上。

那问题就来了，既然没有什么太明显的区别，为什么赛车还要用碳纤维呢？因为我们还没有考虑另一个重要的参数，也就是密度。碳纤维的密度远远小于钢材、铝合金这些金属材料，也就是说，做同样的一个零件，差不多体积，满足类似的力学性能，碳纤维零件比金属零件轻得多，而这对于赛车运动来说才是至关重要的。

我们都知道，对于赛车来说，推重比的概念非常重要。比如著名的平民性能车斯巴鲁 WRX STI，虽然有 310 马力，但是作为一辆四门轿车，自重接近 1.5 吨，这样每千克有 0.2 马力；而川崎忍者 H2R 也有 310 马力，但是作为一辆摩托车，自重只有 215 千克，平均每千克接近 1.5 马力。这样一对比，直道上谁让谁吃灰是显而易见的。F1 赛车就更是如此，自重大了一点点，吃亏就会很明显。所以 F1 赛车的设计对于自重是非常敏感的。也就是说，我们希望自重最小，同时希望强度和刚度最高，在这样的设计要求下，碳纤维几乎是唯一的选择。

这导致了很多人对碳纤维的另一个误解，也就是认为碳纤维是一种超级材料，所以碳纤维做成的东西各方面都一定都远远强于金属做成的东西。事实上，工程设计是材料和尺寸的综合，并不仅仅取决于材料。就好比说，我们都知道，钢材显然比木材的强度高，简单说钢材要更结实，但是钢材做成的东西就一定比木材做成的东西更结实吗？比如一根直径 1 厘米的钢筋和一根直径 10 厘米的木材，哪个更能承重呢？

举个最简单的例子，好比 F1 赛车上的某个零件，在比赛的时候需要满足一定的受力要求，比如 100 千牛，如果我用强度为 400 兆帕的钢材，那么这个零件的截面积需要 2.5 平方厘米；作为对比，如果我用强度为 800 兆帕的碳纤维，那么这个零件的截面积只需要 1.25 平方厘米。也就是说，因为碳纤维的强度是钢材的两倍，所以零件大小就可以是钢材的一半。再加上碳纤维的密度只有钢材的五分之一左右，所以这个碳纤维零件的重量只有钢材零件的十分之一，但是受力性能完全相同，都能承载 100 千牛。

但是，我们上面也看到，单位面积的碳纤维和钢材具有类似的韧性，好比都是 20 千焦每平方米。对于这两个零件来说，满足同样的强度要求，碳纤维零件的面积只需要钢材零件一半的面积，所以韧性自然也就只有钢材零件的一半。也就是说，同样的设计，满足同样的受力性能要求，如果不做任何额外的补救措施，那么碳纤维零件的抗冲击断裂能量只有钢材零件的一半。显然，在承受冲击荷载的时候，断裂韧性越低，对安全性能越是不利。

那怎么办呢？怎么才能提高赛车在事故中的安全性能呢？一方面，工程师会适当的放大碳纤维构件的厚度等等，事实上，现在的碳纤维赛车的自重都是低于 FIA 的最低要求的，比赛前 F1 赛车都会在车内放置钨块作为压舱重物来满足这一要求。另一方面，工程师也会改进碳纤维赛车的设计，来尽量提高整车的抗冲击性能，从而保护车手的安全。

比如说，今天的 F1 赛车的底盘和车身，并不是简单的单层碳纤维，而是一个三明治结构，上下两层碳纤维材料，中间是铝合金或者其它纤维复合材料制成的蜂窝状结构。上下表面的碳纤维一般是多层碳纤维复合在一起，每一层就是我们上面说多方向交叉的时候提到的那种碳纤维布料。通过改变中间蜂窝的高度就可以调节整个系统的刚度。而这些蜂窝因为是六边形中空结构，事实上本身的重量是很轻的。本田车队的测试表明，跟没有中间蜂窝状铝合金的单纯碳纤维相比，加入了厚度为 3 倍碳纤维厚度的铝合金蜂窝之后，重量增加了百分之六，但是刚度变为了原来的 37 倍。同时，在事故发生的时候，这些铝合金蜂窝的变形和断裂可以吸收很多撞击能量。就好比密密麻麻放了很多易拉罐，你得先把这些易拉罐踩扁了才能接触到内层的碳纤维。

再比如说，今天的 F1 赛车设计中常见的安全舱 suvival cell 的概念。简单说，车手座舱必须是一个安全舱，不能发生断裂，不能发生大幅变形，也不能被任何碎片刺穿。美军著名的 A-10 攻击机之所以有令人咂舌的战场生存能力，原因之一就是它的飞行员座舱被戏称为「钛合金浴缸」，飞行员被钛合金装甲严严实实的包裹在中间，一般的小口径高炮根本无法击穿。而 F1 赛车同样也是如此，在三明治碳纤维的基础之上，还会加装 Zylon 装甲。Zylon 也是一种纤维复合材料，强度远远高于碳纤维，跟凯芙拉一样被应用在防弹领域，所以好钢用在刀刃上，专门用来保护车手。同时安全舱周围还会用 Nomex 防火纤维填充蜂窝夹层，起到阻燃的作用。下图的例子就是安装在印地赛车座舱侧面的 Zylon 装甲，F1 赛车也是类似的设计。

还比如说，今天的 F1 的技术竞争已经达到了令人发指的地步。应力集中是碳纤维材料的一个问题，所以 F1 赛车的线条如此光滑，没有任何尖锐的棱角，一方面是空气动力学的考虑，另一方面也是为了尽量避免任何可能的应力集中。事实上，不仅仅宏观上不能有尖锐的棱角，微观上也要避免。我们说碳纤维其实就像织毛衣，把一根一根的纤维编织成一整块材料，那不同的织法有影响吗？事实上是有的。简单想想，你用力拽一根绳子，如果一开始是绷紧的，跟一开始没绷紧，效果是不一样的。而不同的织法，有的就容易让这些纤维没有绷紧，这样会影响最终的刚度。同时不同的织法还可能造成局部的应力集中，继而作为整个碳纤维零件上的薄弱点引发断裂。我们日常生活中也有类似的例子，比如毛衣或者棉织的衣服一旦被勾破了，以后这个洞就容易越来越大，这就是因为这个小裂口已经变成了应力集中点。比如下图就是本田车队的论文里对比的几种不同的织法。

也许有些朋友会认为 F1 就是飚车，跟二环十三郎什么的差不了太多。事实上，F1 比的是车队的技术实力，比的是这些幕后的东西。五十年前没有一只 F1 车队拥有自己的材料实验室，而今天的每一只 F1 车队都有几十甚至上百名科学家和工程师，都有自己的实验室，都从碳纤维怎么编织比较好这样的问题开始做起。这一切不仅仅是为了成绩，更是为了车手的安全。而回顾整个 F1 的历史，从 1980 年麦克拉伦率先引入碳纤维以来，我们也能看到碳纤维这种材料带给 F1 这项运动的巨大变化。随着时代的发展，碳纤维也不仅仅局限在 F1，已经开始出现在很多民用性能车上面。碳纤维带来的，其实不仅仅是运动性能的提升，也有安全性能的提升。