一文了解復合材料的發展史

以下文章來源于碳纖維及其復合材料技術 ,作者錢 鑫 博士

從人類早期的文明建設到未來的創新,復合材料在整個人類歷史上都發揮了重要作用。無論何時,復合材料都能使世界變得更美好。

 

遠古時代

復合材料最早的用途起源于公元前3400年左右的古代美索不達米亞人,他們以不同角度膠合木條以制造膠合板。自古以來就存在“復合材料”建筑的概念。全世界的文明都在制造包括泥土/稻草和木材/粘土的房屋時使用了周圍環境的基本材料。“磚頭”過去是,現在仍然是由泥和稻草制成。

 

 

在公元12世紀,蒙古勇士使用復合材料(竹子、絲綢、牛腱和牛角以及松樹樹脂)來制作射箭弓,其弓箭比競爭對手的弓箭更快速、更有力,弓的壓縮(內側)側的一角和片狀的角覆蓋在竹芯上。他們用絲綢將結構緊密包裹,并用松脂將其密封。一家博物館測試了一些尚存的弓箭,這些弓箭已有900多年的歷史了,發現舊弓箭的強度幾乎與現代弓箭一樣強,并且可以擊中遠至490碼(近五個足球場的長度)的目標。

 

高分子樹脂

 

在1800年代后期,獨木舟建造者開始嘗試使用不同的材料來制造紙層壓板。他們嘗試將牛皮紙(由木漿制成的堅固的機械紙)與紫膠粘合在一起。這是一個好主意,但最終失敗了,因為可用的材料無法完成任務。1870年至1890年間,人們開發出了第一批可以從液態轉化為固態(使用稱為聚合的化學方法)的合成(人造)樹脂。這些聚合物樹脂通過分子交聯而從液態轉化為固態。

 

 

1930年代開創了樹脂的新紀元,并最終推動了整個復合材料產業的發展。不飽和聚酯樹脂于1936年獲得Carleton Ellis的專利。由于它們的固化(或硬化)特性,它們成為復合材料制造中樹脂的主要選擇。到1930年代后期,包括環氧樹脂在內的其他高性能樹脂體系也已問世。

 

新時代

 

出生于比利時的美國化學家Leo Hendrik Baekeland于1907年創立了最早的合成樹脂之一的電木,開創了復合材料的現代時代。這種樹脂極易碎,但是貝克蘭發現他可以通過將其與纖維素結合來軟化和增強它。膠木的第一個商業用途是在1917年為勞斯萊斯汽車制造變速旋鈕。在1920年代和1930年代生產了更好的新型樹脂。在1930年代初,兩家美國化工公司American Cyanamid和DuPont進一步開發了聚合物樹脂。在試驗過程中,兩家公司都是首次獨立配制聚酯樹脂。

 

在1930年代后期,歐文斯-伊利諾伊州玻璃公司開發了一種將玻璃拉伸制成細條或纖維的工藝,并開始將它們編織成織物。這些新的玻璃纖維與更新的合成(聚酯)樹脂相結合,可生產出堅固而輕巧的復合材料。1942年,俄亥俄州托萊多的工程師Ray Greene(曾在伊利諾伊州歐文斯玻璃公司工作)用玻璃纖維和聚酯樹脂制成了橡皮艇。

 

 

 

成長中的產業

 

霍華德·休斯(Howard Hughes)在云杉鵝身上使用了復合材料的翼梁(薄木層和塑料樹脂)。在第二次世界大戰期間,因為軍方尋求減輕航空器和水上飛機重量的材料,同時提高其強度、耐久性和耐候性以及對鹽空氣和海水的腐蝕作用,新興的復合材料行業進一步發展。到1945年,已超過700萬磅的玻璃纖維用于軍事用途。很快,FRP復合材料的好處,特別是其耐腐蝕性已為公共部門所熟知。例如,玻璃纖維管于1948年首次推出,在腐蝕市場(石油工業)中已成為其最廣泛的應用領域之一。

 

 

戰后復合材料繼續騰飛,并在1950年代迅速增長:船、卡車、跑車、儲罐、管道、管道和許多其他產品都是用復合材料制造的。1953年,第一條帶有玻璃纖維車身板的雪佛蘭科爾維特正式下線。同樣在1950年代初期,開發了拉擠成型、真空袋成型和大規模長絲纏繞等制造方法。細絲纏繞成為推動1960年代及以后太空探索的大型火箭發動機的基礎。

 

廣泛應用

 

盡管第一條碳纖維在1961年獲得了專利,但碳纖維復合材料花了數年的時間才能商業化。碳纖維的使用幫助推動了許多行業的許多應用,包括航空航天、汽車、船舶和消費品。1966年,杜邦化學家Stephanie Kwolek發明了芳綸芳綸纖維Kevlar,其強度足以用于高級復合材料。凱夫拉爾以其防彈和防刺防彈衣而聞名。新型和改良的樹脂幫助增加了對復合材料的需求,特別是在較高溫度范圍和腐蝕性應用中。在1970年代,汽車市場超過海運市場,成為第一大復合材料市場-直到今天,它仍然保持這一地位。

 

 

在1970年代末和1980年代初,復合材料首先在歐洲和亞洲的許多基礎設施應用中使用,包括世界上第一座使用增強筋的復合材料的公路橋梁和第一座全復合材料橋面。1990年代,蘇格蘭第一座全復合材料人行天橋建成。在西弗吉尼亞州的麥金萊維爾建造的第一座FRP鋼筋混凝土橋梁橋面;堪薩斯州羅素市的第一個全復合材料汽車橋面。許多FRP復合材料人行天橋已經安裝在美國州和國家公園的偏遠地區。

 

現  代

 

現在,許多工業設計師和工程師都為制造、建筑和運輸等行業中的各種組件指定采用復合材料。FRP復合材料系統在全球成千上萬的裝置中用于加固或抗震加固鋼筋混凝土或磚石結構,從建筑物和停車場到運輸結構(如橋柱和甲板)。在2000年代初期,納米技術開始用于商業產品。碳納米管復合材料中起著重要的作用。碳納米管可用作聚合物中的復合纖維,以改善本體產品的機械、熱和電性能。

 

3D打印在2010年代的興起將制造業帶入了家庭和小型企業,使用戶可以將任何可以通過CAD程序實現夢想的物品帶到桌面上。復合材料公司正在通過使用增強纖維進行3D打印項目進入這一領域。碳纖維或玻璃纖維的不連續纖維最常用于在每個市場領域的3D打印過程中增強塑料,包括汽車、航空航天、工具、醫藥和基礎設施。這些增強材料可在更短的時間內用更少的材料提供復合材料的強度,并且可以從一個桌面進行設計和制作原型。2014年,Mark Forged宣布開發出世界上第一臺碳纖維3D打印機。

 

 

展望未來

 

復合材料行業繼續發展。FRP復合材料的使用已經改變了船舶、汽車和航空航天市場?;A設施和化學加工中的許多特定應用都經歷了類似的巨大轉變。隨著行業充分利用復合材料提供的設計靈活性、耐用性、低重量、耐腐蝕和其他性能,在建筑領域也存在著類似技術轉變的巨大潛力。

 

 

2015年,美國能源部宣布建立先進復合材料制造創新研究所,該研究所致力于使高級復合材料更便宜、制造能耗更低,同時使復合材料更易于回收。新纖維和樹脂的開發將有助于為復合材料創造更多的應用。當復合材料滿足對更強,更輕和環保產品的需求時,環保樹脂將結合再生塑料和生物基聚合物。復合材料將繼續使世界變得更美好。

(來源:碳纖維及其復合材料技術)
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