Khoảng 60% thành phần của một chiếc F1 làm từ carbon tổng hợp: thùng xe, mũi xe, các cánh gió, một phần hệ thống treo cũng như các khớp ly hợp và đĩa phanh. Không có chất liệu nào vừa bền lại vừa nhẹ như carbon. Bên cạnh đó, sợi carbon còn có một thuộc tính đáng nể khác là khả năng chịu nhiệt đặc biệt tốt, và do vậy, rất an toàn. Khi phanh gấp, trong chưa đầy 1 giây, nhiệt độ của đĩa phanh xe F1 có thể lên tới 600 độ C. Không có gì ngạc nhiên khi các siêu xe thể thao ngày nay thường sử dụng đĩa phanh làm bằng ceramic gia cố sợi carbon.
 |
|
Cánh gió trước cũng như phần lớn thân xe F1 được chế tạo từ sợi carbon. |
Bên cạnh carbon, trong môn thể thao F1, titanium và magnesium cũng được đánh giá cao. Titanium chỉ nặng bằng một nửa so với thép nhưng có độ cứng tương tự và hầu như không bị ăn mòn. Vì thế, nó được dùng chế tạo động cơ, giảm xóc và hệ truyền động. Trong khi đó, magnesium thích hợp để làm vành xe vì nó nhẹ hơn hợp kim nhôm tới gần một phần ba. Tuy nhiên, trong quá trình tìm kiếm những vật liệu phù hợp để chế tạo xe F1, các nhà sản xuất đã phải thừa nhận vị trí vô địch của sợi carbon.
Sử dụng sợi carbon trong F1
Ngay từ thời kỳ sơ khai, các nhà chế tạo đã mong muốn giảm khối lượng của những chiếc xe đua để chúng có thể tăng tốc thật nhanh và đạt được vận tốc tối đa càng lớn càng tốt. Và một trong những thành tựu nổi bật nhất trong vài thập niên gần đây là sự ra đời của vật liệu chế tác thân xe mới, sợi carbon.
| *Cấu tạo xe đua F1 |
| *Lốp cho xe đua F1 |
| *Động cơ xe đua F1 |
| *Khí động học của xe đua F1 |
| *Nhiên liệu cho xe đua F1 |
Đầu những năm 1960, giám đốc thiết kế của hãng xe thể thao Lotus, Colin Chapman trình làng nguyên mẫu xe đua trang bị những thanh đỡ mỏng nhằm tăng độ cứng cho khung xe, và ngay lập tức thu hút sự chú ý của các hãng xe thể thao danh tiếng. Sang tới thập niên 70, hầu hết các thanh này làm từ nhôm, nhưng các nhà vật liệu học chứng minh rằng nhôm không đủ độ bền cần thiết chịu được lực ép xuống (downforce) sinh ra từ cánh gió. Trước những khó khăn đó, John Barnard, kỹ sư của đội đua McLaren, Anh quốc, đã kiểm tra và giới thiệu vật liệu mới làm từ sợi carbon. Tuy nhiên, Barnard phải “khăn gói” sang Mỹ - nơi chẳng mấy khi mặn mà với môn thể thao F1 - để thuê công ty Hercules Aerospace chế tạo chi tiết đó, do McLaren không có nguyên liệu và vẫn chưa biết phải sản xuất ra sao.
Quy trình sản xuất sợi carbon gồm 3 giai đoạn chính. Đầu tiên, các vật liệu cơ sở được polymer hoá (quá trình liên kết hằng trăm nghìn phân tử nhỏ thành một phân tử lớn duy nhất). Sau đó, dưới nhiệt độ 200-300oC trong khí quyển và nhờ những chất xúc tác đặc biệt, các phân tử polymer được kéo thẳng, song song và liên kết với nhau thông qua liên kết cầu carbon-carbon. Cuối cùng, người ta nung hợp chất thu được ở nhiệt độ lên tới 2.500 độ C, trong môi trường giàu Nitơ đến khi hàm lượng carbon nằm trong khoảng 92-100% tuỳ thuộc vào yêu cầu và tính chất sử dụng.
Giống như gỗ, sợi carbon là vật liệu không đẳng hướng. Nó chỉ có thể chống chọi được với lực tương tác có hướng trùng với hướng của chuỗi phân tử. Nếu yếu tố hướng của lực tác dụng được đảm bảo, sợi carbon có những ưu điểm vượt trội so với vật liệu kim loại thông thường.
Các kết quả thử nghiệm dựa trên sức bền vật liệu chỉ ra rằng trên cùng một đơn vị khối lượng, sợi carbon có thể chịu một lực tác dụng gấp 12 lần so với thép, bởi sức bền của nó cao gấp 3 lần nhưng lại nhẹ hơn tới 4 lần.
Các đội đua F1 sử dụng vật liệu sợi carbon dưới dạng tấm mỏng, ép giữa hai lớp tẩm nhựa dẻo và nhôm dạng tổ ong theo kiểu bánh sandwich. Khung gầm (chassis) của xe là bộ phận đầu tiên được sản xuất bằng 8 tấm (panel) chính. Bước đầu tiên là xây dựng một khuôn rắn (được cắt theo chương trình máy tính). Từ khung này, người ta gia cố thêm 10 lớp vật liệu sợi carbon tẩm sơ bộ bằng nhựa epoxy trên bề mặt. Sau đó, các kỹ sư còn xử lý chúng trong chân không, thực hiện các kỹ thuật chống vón cục và xử lý nhiệt trước khi sử dụng.
Bước thứ hai sản xuất các thành phần chính cho thân xe. Sợi carbon sau khi tẩm nhựa và cắt sơ bộ được đặt hết sức cẩn thận vào khuôn rắn vừa chế tạo ở trên. Một trong những yêu cầu sống còn là các tấm sợi carbon phải được đặt theo những hướng đã định trước để thu được sức bền như mong muốn. Các nhà chế tạo đặt khoảng 5 lớp sợi carbon để tạo nên bề mặt của khung xe.
Tiếp đến là giai đoạn xử lý thuỷ nhiệt, một trong những quy trình phức tạp nhất mà không phải nhà sản xuất nào cũng có thể nắm toàn bộ bí quyết. Khung xe được cho vào thiết bị tạo áp suất tự sinh (autoclave) bằng hơi nước trong môi trường nhiệt độ (200-300oC) và áp suất gấp hàng trăm lần áp suất khí quyển (200-300atm). Dưới điều kiện khắc nghiệt đó, nhựa dẻo chảy thành chất lỏng, liên kết các tấm sợi carbon với nhau thành một khối thống nhất. Sau khi làm lạnh, khung xe được bọc bằng tấm nhôm đục lỗ kiểu tổ ong và gia cố bằng nhựa. Bọc nhôm xong, các kỹ sư tiếp tục cho xử lý thuỷ nhiệt một lần nữa. Sau đó, họ lại bọc thêm một lớp sợi carbon thứ ba bên ngoài lớp nhôm và xử lý lần cuối cùng.
Sản phẩm hoàn chỉnh được gửi tới phòng kiểm định chất lượng để kiểm tra các thông số kỹ thuật. Nếu thoả mãn toàn bộ những yêu cầu trong quá trình thử nghiệm, nó sẽ được đưa vào bộ phận lắp ráp để chuẩn bị cho cuộc đua.
Trọng Nghiệp