一文了解复合材料的发展史

以下文章来源于碳纤维及其复合材料技术 ,作者钱 鑫 博士

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。

 

远古时代

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)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。

 

新时代

 

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,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。

(来源:碳纤维及其复合材料技术)