从人类早期的文明建设到未来的创新,复合材料在整个人类历史上都发挥了重要作∮用。无论何时,复合材料都能使世界变得更美好。
复合材▲料最早的用途起源于公元前3400年左右的古代美索不达米亚人,他们以不同角度胶合木条以制造胶合板。自古以来就存在“复合材料”建筑的概念。全世界的文明都在制造包括泥土/稻草和木材/粘土的房屋时使用了周围环境的基本材料。“砖头”过去是,现在仍然是由泥和稻草制成。
在公元12世纪,蒙古勇士使用复合材料(竹子、丝绸、牛腱和牛角以及松树树脂)来制作ㄨ射箭弓,其↑弓箭比竞争对手的弓箭更快速、更有力,弓的压缩(内侧)侧的一角和片状的角覆盖在竹芯上。他们用丝绸将结构紧密包裹,并用松脂将其密封。一家博物馆测试了一些〒尚存的弓箭,这些弓箭已有900多年的历史了♂,发现旧弓箭的强度几乎与现代弓箭一样强,并且可以击中远至490码(近五个足球场的长度ぷ)的目标。
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纸层压板。他们尝试将牛皮纸(由木浆制◆成的坚固的机械纸)与紫胶粘合在一起。这是一↙个好主意,但最终失败了,因为可用的材料无法完成任务。1870年至1890年间,人们开发出了第一批可以从液态〓转化为固态(使用称为聚合的化学方法)的合成(人造)树脂。这些聚合物树脂通过分子交联而从液态转化为固态。
1930年代开创了树脂的新纪元,并最终推动了整个复合材料产业㊣ 的发展。不饱和聚酯树脂ω于1936年获得Carleton Ellis的专利。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,包括环氧树脂在内的其他高性↓能树脂体系也已问世。
出生于比利时的美国化学家Leo Hendrik Baekeland于1907年创立了最早的合成树脂之一□ 的电木,开创了复合材々料的现代时代。这种树脂极易碎,但是贝克兰发现他可∞以通过将其与纤维素结合来软化和增强它。胶木的第一个商业用途是在1917年为劳斯莱斯汽车制造变速●旋钮。在1920年代和1930年代生☉产了更好的新型树脂。在1930年代初,两家美国化工公司American Cyanamid和DuPont进一步开发了聚合物树脂。在试验】过程中,两家公◥司都是首次独立配制聚酯树脂。
在1930年代后期,欧文斯-伊利诺伊州玻璃公司开发了一种将玻璃拉※伸制成细条或纤维的工艺,并开始将它们编织成织物。这些新的玻璃纤维与更新的合成(聚酯)树脂◥相结合,可生产出坚固而轻巧的复合▓材料。1942年,俄亥俄州托莱多的工程师Ray Greene(曾在▓伊利诺伊州欧文斯玻璃公司工作)用玻璃纤维和聚酯树脂制∩成了橡皮艇。
成长中的产业
霍华德·休斯(Howard Hughes)在云杉鹅身上使用了复合▼材料的翼梁(薄木层和塑料树脂)。在第二次世界大战≡期间,因为军方寻求减★轻航空器和水上飞机重量的材料,同时提高其强度、耐久性和耐候性以及对盐∮空气和海水ζ的腐蚀作用,新兴的复合材料行业进一步发展。到1945年,已超过700万磅的玻璃纤维用于军事用途。很快,FRP复合材◣料的好处,特别是其耐腐蚀性已为公共部门所熟知。例如,玻璃纤◢维管于1948年ζ 首次推出,在腐蚀市场(石油工业)中已成为其最广泛的应用领域之一。
战后复合材料继』续腾飞,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用复合材料制造的。1953年,第一条带有玻璃纤维车身板的雪佛∩兰科尔维特正式下线。同样在1950年代初期,开发了拉挤成型、真空袋成型和大规模长【丝缠绕等制造方法。细丝缠绕成为推动1960年代及以后太空探索的★大型火箭发动机「的基础。
广泛应用
尽管第一条碳纤维在1961年获得了专利,但碳纤维复合材料花▽了数年的时间才能商业化。碳纤维的使用帮助推动了许多行业的许▆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发明了芳纶芳纶纤╲维Kevlar,其强度足以用于高级复合材料。凯夫拉尔以其防弹和防刺防弹衣而闻名。新型和改良的树脂帮助增加了对△复合材料的需求,特别是在较高温度范围和腐蚀性应用中。在1970年代,汽车市场超过海运市№场,成为第一大复合材料市场-直到今天,它仍然保持这一地位。
在1970年代末和1980年代初,复合材料首先在欧◆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增强筋的复合材料的公路桥梁和第一座全复合材料桥面。1990年代,苏格兰第一座全复合材料人行天桥建成。在西弗吉︾尼亚州的麦金莱维尔建造的第一座FRP钢筋混凝土桥梁桥面;堪萨斯州罗素市的第一个全复合材料汽车桥面。许多FRP复合材卐料人行天桥已经安装在美国州和国家公园的偏远地区。
现 代
现在,许多工业设计师和工程师都为制造、建筑和◥运输等行业中的各种组件指定采用复合材Ψ 料。FRP复合材料系统在全球成千上万的装置中用于加固或抗震加固钢筋◤混凝土或砖石结构,从建筑物和停车场到运输结构(如桥↘柱和甲板)。在2000年代初期,纳米技术开始用于商△业产品。碳纳米管在复合材料中起着重要的作用。碳纳米管可用作聚合物中的复合纤维,以改善本体产品的》机械、热和电〖性能。
3D打印在2010年代的兴起将制造业带入了家庭和小型企业,使用户可以将←任何可以通过CAD程序实现梦想的物品带到桌面上。复合材料公司正在通过使用增强纤维进行3D打印项目进入这一▃领域。碳纤维【或玻璃纤维的不连续纤维最常用于在每个市场领域的3D打印过程中增强塑料,包括汽车、航空航天、工具、医药和ξ基础设施。这○些增强材料可在更短的时间内用更少↓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制作原型。2014年,Mark Forged宣布开发出世界上第一台碳纤维3D打印机。
展望未来
复合材料行业继续〖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经历※了类似的巨大转变。随着行业充分利用复合材料提供的设计灵活◥性、耐用性、低重量、耐腐蚀和其他〓性能,在建筑领域也存在着类似技术转变的巨大潜力。
2015年,美国能源部宣布建立先进复合材料制造创新研究所,该研究所致力于使高级「复合材料更便宜、制造能耗更低①,同时使复合材料更易于回收。新纤维和树≡脂的开发将有助于为复合材料←创造更多的应用。当复合材料满足对更强,更轻和环保产品的需求时,环保树脂将结合再生塑料和生物♂基聚合物。复合材料将继续使世界变得更美好。