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迈凯轮在F1开创了可持续复合材料的先河
中塑在线 / 林冲 / 2020-09-16 10:20:17
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一级方程式赛车制造商迈凯轮(McLaren)与瑞士可持续轻量化专家Bcomp合作,为其车手Carlos Sainz和Lando Norris开发天然纤维增强赛车座椅,这是F1赛车中第一个采用可再生纺织纤维制成的部件。通过织物结构优化亚麻纤维的机械性能,可以制造出所需强度和硬度的座椅,并且与碳纤维相比,其二氧化碳排放量降低了75%。

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迈凯轮车队负责人Andreas Seidl解释说:“天然纤维复合材料的使用是迈凯轮车队开拓性、复合材料创新的最新例证。这一解决方案不仅提供了与碳纤维同等的性能,而且代表着我们在不断发展的可持续发展计划中又向前迈进了一步,同时也强调了我们致力于帮助F1将其雄心勃勃的可持续发展战略变为行动。”

亚麻是一种用途极广的植物,已有数百万年的历史。它与许多生物材料的不同之处在于,它是作物轮作计划的理想选择,并且可以在不与粮食作物直接竞争的情况下种植。亚麻是一种不含二氧化碳的原料,其纤维可生物降解。例如,在座椅使用寿命结束时,它可以被磨成一种新的基底材料,或者在没有残余垃圾的情况下进行热回收,而不是最终被填埋。

Bcomp专有的powerRibs技术的灵感来自于树叶背面的细脉,在座椅的一侧提供了一个三维网格结构,然后用于加固Bcomp的最佳纺纱和编织亚麻纤维加固织物ampliTex。powerRibs通过将亚麻纤维加捻形成粗纱,作为与之粘合的ampliTex亚麻织物的骨架。

自2019年起,规定驾驶员最低体重为80公斤。如果一个司机的体重低于这个数字,就必须使用镇流器使他们达到最低重量。但这种镇流器不允许被放置在汽车的其他区域,必须位于驾驶员座椅的紧邻区域内。

迈凯轮F1首席复合材料工程师Steve Foster解释说:“随着2019年新法规的出台,座椅现在已成为车手体重预算的一部分,因此设计过度。而Carlos和Lando的体重分别为72公斤和68公斤,所以我们有足够的空间去做这件事。这意味着,如果我们需要的话,可以使用额外的生物复合材料来确保这个安全关键部件有足够的强度和硬度。”

“最初的碳纤维座椅设计是由Bcomp进行逆向工程设计的,然后我们对新设计进行了优化和制造。该座椅在季前测试中没有出现任何问题,我们希望在不久的将来能够使用Bcomp亚麻座椅进行比赛。”

Bcomp首席执行官兼联合创始人Christian Fischer补充道:“我们相信,这个座椅可以作为一个决定性的证明,证明我们的技术已经准备好在顶级赛车比赛中展开竞争。我们与传统碳纤维相匹配,同时将生态足迹降低了75%,降低了成本,减少了震动,提高了安全性,所有这些都与实现赛车运动和机动性的可持续未来高度相关。”

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亚麻不但具有明显的环境效益,而且其机械性能使其成为一种具有吸引力的可再生高性能复合材料原料。亚麻纤维的管状结构提供了低密度和高硬度,这为减轻重量提供了机会,同时提高了减震性能,以及抗断裂、抗扭转和抗压性能。

亚麻纤维也比任何同等碳材料轻9%,并提供了5倍的减震效果。更大的减震性和抗冲击性使天然纤维材料非常适合在车手座椅上使用。它提高了舒适性并减少了驾驶舱内的震动,而震动往往会对车手造成疲劳影响,尤其是在比赛距离内和在有强烈限制的赛道上。

与碳纤维不同,当它断裂时,不容易发生脆性断裂和碎裂——Bcomp的powerRibs结构进一步增强了这种特性,使损伤区域变硬并受到限制。Fischer解释说:“ampliTex和powerRibs的复合材料没有那么脆弱,虽然仍然会断裂,但在powerRibs的帮助下,较软的碎片仍然附着在主体结构上,这有助于分散能量。”

天然纤维复合材料的延展断裂行为也为其他可能性打开了大门。在赛道上发生的事故中,最壮观但同样最危险的是碰撞产生的碳纤维碎片。它们不仅会给车手带来直接的危险,而且还因造成刺穿而臭名昭著,让车手的比赛变得支离破碎。通过在汽车的其他区域使用天然纤维复合材料,例如前翼子板和地板,可以减少碳纤维碎片,从而降低被刺穿的风险。

优势不止于此。随着预算上限从2021年开始实施,许多F1车队将需要在保持和提高性能的同时降低成本——这在一个通常情况下,一个车队可以在拥有更多资源的情况下追求更多的发展路线,这绝非易事。团队将不得不更加聪明地工作,与传统碳纤维相比,Bcomp的ampliTex和powerRibs解决方案可将原材料成本降低30%,这一显著的节约可以腾出预算,探索其他提高汽车性能的方法。

F1技术总监James Key承认:“随着预算上限的引入,材料成本将成为一大焦点,使用天然纤维复合材料有可能在这一领域有所帮助。我们正在与Bcomp合作,以确认天然纤维复合材料在某些应用中是可行的、可持续的和经济的碳纤维替代品,无论是车上还是车外。”

Fischer说:“我们看到的巨大潜力在于汽车的非关键、半结构性区域,比如驾驶座,以及车外。”迈凯轮F1首席复合材料工程师Steve Foster透露,后者才是进一步采用天然纤维复合材料的直接空间。“如果明智地使用,亚麻纤维可以减轻重量和成本,同时保持甚至在某些情况下提高性能。除了汽车本身之外,还有一系列可能的应用,包括维修齿轮、卡车面板、包装箱、定时支架和模具工具。”

目前,大多数用于制造汽车零件的模具都是由碳纤维复合材料制成,因为它具有低的热膨胀性。然而,亚麻纤维也具有这一特性,有可能使其成为适合于用标准复合材料制造性能部件的模具材料。因此,即使所生产的零件不是由天然纤维材料制成的,生产它的工具也可以是——这使我们能够降低模具工具的成本和碳足迹。

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