碳纖維的抗衝擊性好嗎？

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網上不少都說碳纖維的拉伸強度很高，但都沒說抗衝擊性。
而且感覺很多用碳纖維的跑車一出車禍整個車身都會撞爛掉。

碳纖維是目前最適合賽車的材料，否則的話，那麼多 F1 車隊，又不缺錢，又不缺人，早就用上更好的新材料了。與傳統的金屬材料相比，碳纖維的強度、剛度和抗衝擊性能總體來說都有優勢，尤其是單位重量的各項性能明顯優於金屬材料。而回顧 F1 歷史，我們也能明顯的看到，相比於過去的金屬材料賽車，碳纖維賽車在成績和安全性能兩方面都有著巨大的優越性。

就比如說 2014 年銀石賽道萊科寧的事故，當時萊科寧的法拉利賽車在失控之後最終一頭撞向護牆，以大約 240 公里的時速筆直的撞到護牆上，碰撞瞬間的衝擊高達 47g，隨後賽車被彈回賽道，在賽道上轉著圈穿過密集的 F1 賽車車流，然後撞到了對面的護欄上，在這期間還擊中了馬薩的賽車。這樣的撞擊之後，萊科寧只是輕微擦傷了腳踝和膝蓋，自己能爬出賽車。如果這樣的安全性能都不能說服你，那你可以想一下，如果這是一輛關門聲音比較厚實的神車，這樣的碰撞結果會怎樣？

F1 賽車的設計，或者說所有性能車的設計，其實是一個典型的工程問題，通俗地說就是「戴著鐐銬跳舞」。要更快的車，可以，但是可能不安全；要更安全的車，可以，但是可能不快。所謂的工程設計，就是在這之中找到一個最佳的平衡點。簡單說，就是在滿足最低的安全要求的前提下，盡量取得最高的賽車性能。而就工程材料而言，這個最佳的平衡點目前來看就是碳纖維。

我們通常所說的碳纖維是一個模糊的總稱，不同種類碳纖維的性能其實千差萬別。要注意，我們所說的「碳纖維」，其實是「碳纖維增強複合材料」的簡稱和俗稱，與真正的「碳纖維」是有區別的。簡單理解，真正的「碳纖維」就像是一根一根的毛線，而我們通常所說的「碳纖維」則是這些毛線織成的各種毛衣、圍巾、手套等等（以及于謙老師的毛線內褲）。

所謂的碳纖維增強複合材料，其實就是用很多碳纖維，按照一定的方向排布，然後用樹脂或者其它黏合材料緊密的連接成一體。比如下圖所示，這一根一根的圓柱體就是碳的纖維，而這些圓柱體被中間填充的樹脂填充在一起。這些纖維的分布密度直接影響最終的材料性能。正因為這樣，我們可以通過調整所謂的 fiber volume fraction，也就是纖維體積比，來控制碳纖維材料的最終性能。簡單說，纖維越密，單位體積內的纖維越多，沿纖維方向的強度就越高；反之，纖維越疏，單位體積內的纖維越少，最終碳纖維材料的強度也就越低。

對於工程中使用的碳纖維來說，纖維的排布既可以是單一方向的，也可以是多方向交叉疊加的。其中最常用的當然是多方向交叉的，這也就是我們常見的那種碳纖維的外觀。

比如這就是單一方向的。

這個就是多方向交叉的，我們常見的碳纖維的外觀就是這種雙向交叉的紋理。原始的碳纖維材料就是這樣的，其實更像布料，可以彎折，可以捲成一卷。

這也就造成了很多人對碳纖維材料的一個普遍誤解，那就是混淆了「纖維」和最終的「纖維複合材料」。「纖維」的性能就是單純的測量單一的圓柱體，這樣測試出來的性能非常驚人，也就是很多人甚至有些科普讀物里常說的數倍甚至十倍於鋼材。但是真正工程應用中使用的並不是單一的一根一根的纖維，而是纖維和樹脂共同組成的「纖維複合材料」，其工程性能不僅僅取決於單根纖維的性能，還受樹脂性能和纖維密度的影響，更受纖維方向的影響。也就是說，最終碳纖維材料的性能，其實是纖維性能和填充樹脂性能的加權平均。對於大多數碳纖維複合材料來說，測試的結果雖然可能強於鋼材，但差別並沒有達到天差地別的程度。

我們可以比較一下一般的碳纖維和一般的鋼材。比如說，我們可以看一下強度和斷裂能量的對比。簡單說，我們用不同材料做成相同大小的筷子一樣的圓柱體。所謂強度就是拉斷這根筷子所需要的力，而所謂斷裂能量就是用一個大鐵鎚砸斷這根筷子所需要的能量，一定程度上體現的就是材料的抗衝擊能力。

上圖中的縱軸 Strength 就是抗拉強度，而橫軸 toughness 就是斷裂能量，也叫韌性。比方說，最左上角的是 ceramics 和 porous ceramics，比如我們熟知的鑽石和玻璃，強度相當高，但是韌性非常低，一摔就碎，一砸就爛。再比如說右下角的 rubbers，橡膠材料，比如我們常見的輪胎，韌性很好，變形很大也能自己恢復，不會輕易斷裂，但是強度卻不太高。還比如說左下角的 foams 塑料泡沫，強度和韌性都不行，既不結實，還一掰就碎。

顯然，對於賽車的底盤和車身，我們希望能有一種強度和韌性都很好的材料，既結實又不容易碎，也就是圖中右上角深紫色的 composites 纖維複合材料和淡紫色的 metals and alloys 金屬材料。從這裡我們可以看到，FRP 纖維複合材料和傳統的金屬材料的韌性，也就是衝擊性能，基本上是類似的。

比如同樣是金屬材料，銅的韌性強於鋼材，但是強度卻明顯低於鋼材；而低合金鋼的強度相比鋼材有大幅提升。

再比如同樣的纖維複合材料，碳纖維 CFRP 的強度要明顯高於玻璃纖維 GFRP，但是碳纖維的韌性要差一些。

就拿碳纖維和我們常見的鋼材來說，對比一下這兩張圖，碳纖維的強度在 400 到 800 兆帕左右，而普通鋼材的強度為 200 到 500 兆帕，並沒有達到數倍乃至十倍。再來看韌性，碳纖維和鋼材基本類似，沒有明顯的區別。

當然，對於抗衝擊性能的評價非常複雜，測試方法也有很多種，比如傳統的斷裂韌性的測量，再比如低速的 Charpy 或者 Izod 衝擊試驗，再比如高速的子彈衝擊試驗，或者是專門針對 FRP 材料的平板 drop weight 衝擊等等。碳纖維材料的衝擊性能受溫度和載入速度的影響也很大。不同的應用領域關心的測試條件也不盡相同，而相應的破壞模式也不一樣。這裡我們只是籠統的用韌性這個概念，只是為了說明碳纖維的韌性跟鋼材基本處在同一個數量級上。

那問題就來了，既然沒有什麼太明顯的區別，為什麼賽車還要用碳纖維呢？因為我們還沒有考慮另一個重要的參數，也就是密度。碳纖維的密度遠遠小於鋼材、鋁合金這些金屬材料，也就是說，做同樣的一個零件，差不多體積，滿足類似的力學性能，碳纖維零件比金屬零件輕得多，而這對於賽車運動來說才是至關重要的。

我們都知道，對於賽車來說，推重比的概念非常重要。比如著名的平民性能車斯巴魯 WRX STI，雖然有 310 馬力，但是作為一輛四門轎車，自重接近 1.5 噸，這樣每千克有 0.2 馬力；而川崎忍者 H2R 也有 310 馬力，但是作為一輛摩托車，自重只有 215 千克，平均每千克接近 1.5 馬力。這樣一對比，直道上誰讓誰吃灰是顯而易見的。F1 賽車就更是如此，自重大了一點點，吃虧就會很明顯。所以 F1 賽車的設計對於自重是非常敏感的。也就是說，我們希望自重最小，同時希望強度和剛度最高，在這樣的設計要求下，碳纖維幾乎是唯一的選擇。

這導致了很多人對碳纖維的另一個誤解，也就是認為碳纖維是一種超級材料，所以碳纖維做成的東西各方面都一定都遠遠強於金屬做成的東西。事實上，工程設計是材料和尺寸的綜合，並不僅僅取決於材料。就好比說，我們都知道，鋼材顯然比木材的強度高，簡單說鋼材要更結實，但是鋼材做成的東西就一定比木材做成的東西更結實嗎？比如一根直徑 1 厘米的鋼筋和一根直徑 10 厘米的木材，哪個更能承重呢？

舉個最簡單的例子，好比 F1 賽車上的某個零件，在比賽的時候需要滿足一定的受力要求，比如 100 千牛，如果我用強度為 400 兆帕的鋼材，那麼這個零件的截面積需要 2.5 平方厘米；作為對比，如果我用強度為 800 兆帕的碳纖維，那麼這個零件的截面積只需要 1.25 平方厘米。也就是說，因為碳纖維的強度是鋼材的兩倍，所以零件大小就可以是鋼材的一半。再加上碳纖維的密度只有鋼材的五分之一左右，所以這個碳纖維零件的重量只有鋼材零件的十分之一，但是受力性能完全相同，都能承載 100 千牛。

但是，我們上面也看到，單位面積的碳纖維和鋼材具有類似的韌性，好比都是 20 千焦每平方米。對於這兩個零件來說，滿足同樣的強度要求，碳纖維零件的面積只需要鋼材零件一半的面積，所以韌性自然也就只有鋼材零件的一半。也就是說，同樣的設計，滿足同樣的受力性能要求，如果不做任何額外的補救措施，那麼碳纖維零件的抗衝擊斷裂能量只有鋼材零件的一半。顯然，在承受衝擊荷載的時候，斷裂韌性越低，對安全性能越是不利。

那怎麼辦呢？怎麼才能提高賽車在事故中的安全性能呢？一方面，工程師會適當的放大碳纖維構件的厚度等等，事實上，現在的碳纖維賽車的自重都是低於 FIA 的最低要求的，比賽前 F1 賽車都會在車內放置鎢塊作為壓艙重物來滿足這一要求。另一方面，工程師也會改進碳纖維賽車的設計，來盡量提高整車的抗衝擊性能，從而保護車手的安全。

比如說，今天的 F1 賽車的底盤和車身，並不是簡單的單層碳纖維，而是一個三明治結構，上下兩層碳纖維材料，中間是鋁合金或者其它纖維複合材料製成的蜂窩狀結構。上下表面的碳纖維一般是多層碳纖維複合在一起，每一層就是我們上面說多方向交叉的時候提到的那種碳纖維布料。通過改變中間蜂窩的高度就可以調節整個系統的剛度。而這些蜂窩因為是六邊形中空結構，事實上本身的重量是很輕的。本田車隊的測試表明，跟沒有中間蜂窩狀鋁合金的單純碳纖維相比，加入了厚度為 3 倍碳纖維厚度的鋁合金蜂窩之後，重量增加了百分之六，但是剛度變為了原來的 37 倍。同時，在事故發生的時候，這些鋁合金蜂窩的變形和斷裂可以吸收很多撞擊能量。就好比密密麻麻放了很多易拉罐，你得先把這些易拉罐踩扁了才能接觸到內層的碳纖維。

再比如說，今天的 F1 賽車設計中常見的安全艙 suvival cell 的概念。簡單說，車手座艙必須是一個安全艙，不能發生斷裂，不能發生大幅變形，也不能被任何碎片刺穿。美軍著名的 A-10 攻擊機之所以有令人咂舌的戰場生存能力，原因之一就是它的飛行員座艙被戲稱為「鈦合金浴缸」，飛行員被鈦合金裝甲嚴嚴實實的包裹在中間，一般的小口徑高炮根本無法擊穿。而 F1 賽車同樣也是如此，在三明治碳纖維的基礎之上，還會加裝 Zylon 裝甲。Zylon 也是一種纖維複合材料，強度遠遠高於碳纖維，跟凱芙拉一樣被應用在防彈領域，所以好鋼用在刀刃上，專門用來保護車手。同時安全艙周圍還會用 Nomex 防火纖維填充蜂窩夾層，起到阻燃的作用。下圖的例子就是安裝在印地賽車座艙側面的 Zylon 裝甲，F1 賽車也是類似的設計。

還比如說，今天的 F1 的技術競爭已經達到了令人髮指的地步。應力集中是碳纖維材料的一個問題，所以 F1 賽車的線條如此光滑，沒有任何尖銳的稜角，一方面是空氣動力學的考慮，另一方面也是為了盡量避免任何可能的應力集中。事實上，不僅僅宏觀上不能有尖銳的稜角，微觀上也要避免。我們說碳纖維其實就像織毛衣，把一根一根的纖維編織成一整塊材料，那不同的織法有影響嗎？事實上是有的。簡單想想，你用力拽一根繩子，如果一開始是繃緊的，跟一開始沒繃緊，效果是不一樣的。而不同的織法，有的就容易讓這些纖維沒有繃緊，這樣會影響最終的剛度。同時不同的織法還可能造成局部的應力集中，繼而作為整個碳纖維零件上的薄弱點引發斷裂。我們日常生活中也有類似的例子，比如毛衣或者棉織的衣服一旦被勾破了，以後這個洞就容易越來越大，這就是因為這個小裂口已經變成了應力集中點。比如下圖就是本田車隊的論文里對比的幾種不同的織法。

也許有些朋友會認為 F1 就是飈車，跟二環十三郎什麼的差不了太多。事實上，F1 比的是車隊的技術實力，比的是這些幕後的東西。五十年前沒有一隻 F1 車隊擁有自己的材料實驗室，而今天的每一隻 F1 車隊都有幾十甚至上百名科學家和工程師，都有自己的實驗室，都從碳纖維怎麼編織比較好這樣的問題開始做起。這一切不僅僅是為了成績，更是為了車手的安全。而回顧整個 F1 的歷史，從 1980 年麥克拉倫率先引入碳纖維以來，我們也能看到碳纖維這種材料帶給 F1 這項運動的巨大變化。隨著時代的發展，碳纖維也不僅僅局限在 F1，已經開始出現在很多民用性能車上面。碳纖維帶來的，其實不僅僅是運動性能的提升，也有安全性能的提升。

碳纖維抗拉強度不錯，但是抗沖強度在幾種高性能纖維里算是比較差的了，相對於PPTA和UHMWPE來說差了不少