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复合材料的历史(复合材料起源和历史上的应用)

复合材料在整个人类历史中发挥了重要作用,从容纳早期文明到实现未来创新。无论是哪一年,复合材料都让世界变得更美好。

远古时代

复合材料的最早用途之一是公元前 3400 年左右的古代美索不达米亚人,当时他们将木条以不同的角度粘合以制成胶合板。“复合”建筑的概念自古就有。世界各地的文明都使用周围环境的基本元素来建造住宅,包括泥/稻草和木材/粘土。“砖块”过去和现在都是由泥土和稻草制成的。

公元 12 世纪,蒙古武士使用复合材料(竹子、丝绸、牛筋和牛角、松脂)制造出比对手更快、更强大的弓箭:他们将筋置于张力(外层) ) 侧面和弓的压缩(内侧)侧面上的角片在竹芯上。他们用丝绸将结构紧紧包裹起来,并用松脂密封。一家博物馆测试了一些现存的弓,这些弓已有 900 多年的历史,发现旧弓几乎和现代弓一样坚固,可以击中远达 490 码(近五个足球场长度)的目标。

复合材料的历史(复合材料起源和历史上的应用)

高分子树脂

在 1800 年代后期,独木舟建造者开始尝试使用不同的材料来制造层压纸。他们尝试将多层牛皮纸(由木浆制成的坚固的机制纸)与虫胶粘合在一起。这是一个好主意,但最终失败了,因为可用的材料不能胜任这项任务。第一种可以从液体转化为固体(使用称为聚合的化学过程)的合成(人造)树脂是在 1870 年至 1890 年间开发的。这些聚合物树脂通过分子交联从液态转化为固态。

1930 年代预示着树脂的新时代——最终预示着整个复合材料行业的到来。不饱和聚酯树脂于 1936 年由 Carleton Ellis 获得专利。由于它们的固化(或硬化)特性,它们成为复合材料制造中树脂的主要选择。到 1930 年代后期,已经出现了其他高性能树脂系统,包括环氧树脂。

新时代

出生于比利时的美国化学家 Leo Hendrik Baekeland 于 1907 年开创了复合材料的现代时代,他创造了Bakelite,这是最早的合成树脂之一。这种树脂非常脆,但贝克兰发现他可以通过将它与纤维素结合来软化和强化它。 Bakelite的第一个商业用途是在 1917 年为劳斯莱斯汽车制造换档旋钮。1920 年代和 1930 年代生产了新的更好的树脂。1930年代初,美国氰胺和杜邦两家美国化学公司进一步开发了聚合物树脂。在实验过程中,两家公司首次独立配制聚酯树脂。

1930 年代后期,Owens-Illinois Glass Company 开发了一种将玻璃拉制成细丝或纤维的工艺,并开始将它们编织成纺织面料。这些新型玻璃纤维与新型合成(聚酯)树脂相结合,生产出坚固而轻质的复合材料。1942 年,俄亥俄州托莱多的工程师 Ray Greene(曾在 Owens-Illinois Glass Company 工作)用玻璃纤维和聚酯树脂制造了一艘小艇。划船世界将不再一样。

一个成长中的行业

Howard Hughes 在 Spruce Goose 上使用了复合翼梁(薄木层和塑料树脂)。羽翼未丰的复合材料工业在二战期间进一步发展,因为军方正在寻找材料来减轻航空和水上飞行器的重量,同时提高它们的强度、耐用性和对天气条件的抵抗力以及盐空气和水的腐蚀作用。水。到 1945 年,使用了超过 700 万磅的玻璃纤维,主要用于军事用途。很快,FRP 复合材料的好处,尤其是它的耐腐蚀性,就为公共部门所熟知。例如,玻璃纤维管于 1948 年首次推出,用于石油工业这一腐蚀市场中最广泛的使用领域之一。

复合材料在战后继续起飞,并在 1950 年代迅速增长:船、卡车、跑车、储罐、管道、管道和许多其他产品都是使用复合材料制造的。1953 年,第一辆配备玻璃纤维车身面板的雪佛兰克尔维特下线。同样在 1950 年代初期,开发了拉挤成型、真空袋成型和大规模纤维缠绕等制造方法。绕线成为 1960 年代及以后推动太空探索的大型火箭发动机的基础。

广泛使用

尽管第一种碳纤维在 1961 年获得了专利,但碳纤维复合材料的商业化还需要几年的时间。碳纤维的使用有助于推动许多行业的许多应用,包括航空航天、汽车、船舶和消费品。1966 年,杜邦化学家 Stephanie Kwolek 发明了 Kevlar,这是一种强度足以用于先进复合材料的对位芳纶纤维;Kevlar 以其在防弹和防刺防弹衣中的应用而闻名。新的和改进的树脂有助于增加对复合材料的需求,特别是在更高温度范围和腐蚀性应用中的使用。在 1970 年代,汽车市场超越船舶成为第一大复合材料市场——这一地位一直保持至今。

在 1970 年代末和 1980 年代初,复合材料首次在欧洲和亚洲的许多基础设施应用中使用,包括世界上第一座使用复合材料加固筋腱的公路桥和第一座全复合材料桥面。1990 年代,第一座全复合材料人行天桥安装在苏格兰的阿伯费尔迪;在西弗吉尼亚州麦金利维尔建造的第一座 FRP 钢筋混凝土桥面;以及堪萨斯州拉塞尔的第一个全复合材料车辆桥面。许多 FRP 复合材料人行天桥已安装在美国州和国家公园的偏远地区,重型建筑设备无法到达,或跨越公路和铁路。

现代

许多工业设计师和工程师现在为制造、建筑和运输等行业的各种组件指定复合材料。FRP 复合材料系统用于世界各地的数千个装置中,以加强或抗震升级钢筋混凝土或砖石结构,范围从建筑物和停车场到运输结构,如桥柱和桥面。2000 年代初,纳米技术开始用于商业产品。复合材料在碳纳米管中发挥着重要作用;块状碳纳米管可用作聚合物中的复合纤维,以改善块状产品的机械、热和电性能。纳米材料被纳入用于新型复合材料的改进纤维和树脂中。

2010 年代 3-D 打印的兴起将制造业带入了家庭和小型企业,使用户能够通过 CAD 程序在桌面上实现他们可以梦想的任何项目。复合材料公司正在通过增强纤维的 3D 打印产品进入该领域。不连续的碳纤维或玻璃纤维束最常用于在汽车、航空航天、工具、医药和基础设施等各个市场领域的 3D 打印工艺中增强塑料。这些增强材料可以在更短的时间内以更少的材料提供复合材料的强度,并且可以从一个桌面进行设计和原型制作。2014 年,MarkForged 宣布推出世界上第一台碳纤维 3-D 打印机。

展望未来

复合材料行业不断发展。FRP 复合材料的使用已经改变了船舶、汽车和航空航天市场。基础设施和化学加工中的许多特定应用都发生了类似的巨大转变。随着该行业利用复合材料提供的设计灵活性、耐用性、重量轻、耐腐蚀性和其他特性,在建筑和建筑和施工领域发生类似技术转变的潜力巨大。

2015 年,美国能源部宣布成立先进复合材料制造创新研究所,这是一项价值 2.59 亿美元的公私合作伙伴关系。该研究所将专注于使先进复合材料的制造成本更低、能耗更低,同时使复合材料更易于回收利用。新纤维和树脂的开发将有助于为复合材料创造更多应用。环保树脂将包含再生塑料和生物基聚合物,因为复合材料满足了对更坚固、更轻和环保产品的需求。复合材料将继续让世界变得更美好。

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