Portfolio

Люди использовали композитные материалы на протяжении всей истории. Эта временная шкала исследует композиты от их самых ранних дней в виде кирпичей из глины и соломы до будущих возможностей, которые помогут улучшить мир, в котором мы живем.

Древние времена

Одно из самых ранних применений композитных материалов было у древних жителей Месопотамии около 3400 г. до н.э., когда они склеивали деревянные полосы под разными углами для создания фанеры. Концепция “композитного” строительства зданий существует с древних времен. Цивилизации во всем мире использовали основные элементы окружающей среды при изготовлении жилищ, включая грязь / солому и дерево / глину. “Кирпичи” были и остаются сделанными из грязи и соломы.

В 12 веке нашей эры монгольские воины использовали композитные материалы (бамбук, шелк, сухожилия и рога крупного рогатого скота, а также сосновую смолу) для изготовления луков для стрельбы из лука, которые были быстрее и мощнее, чем у их соперников: они накладывали сухожилия на натяжную (внешнюю) сторону и листы рога на сжатие (внутренняя) сторона лука поверх сердцевины из бамбука. Они плотно обернули конструкцию шелком и запечатали сосновой смолой. Музей протестировал некоторые из сохранившихся луков, которым сейчас более 900 лет, и обнаружил, что старые луки были почти такими же прочными, как современные, и могли поражать цели на расстоянии до 490 ярдов (длина почти пяти футбольных полей).

Полимерные смолы

В конце 1800-х годов строители каноэ начали экспериментировать с различными материалами для изготовления бумажных ламинатов. Они попробовали склеивать слои крафт-бумаги (прочной бумаги машинного производства, изготовленной из древесной массы) вместе с шеллаком. Это была хорошая идея, но в конечном итоге провалилась, потому что доступные материалы не соответствовали задаче. Первые синтетические (искусственные) смолы, которые можно было превращать из жидких в твердые (с помощью химического процесса, называемого полимеризация) были разработаны между 1870 и 1890 годами. Эти полимерные смолы преобразуются из жидкого состояния в твердое путем сшивания молекул.

1930–е годы ознаменовали новую эру для смол – и, в конечном счете, для индустрии композитов в целом. Ненасыщенные полиэфирные смолы были запатентованы в 1936 году Карлтоном Эллисом. Из-за их свойств отверждения (или отверждения) они стали основным выбором для смол при производстве композитов. К концу 1930-х годов стали доступны другие высокоэффективные полимерные системы, в том числе эпоксидные смолы.

Новая эра

Американский химик бельгийского происхождения Лео Хендрик Бекеланд положил начало современной эре композитов в 1907 году, создав Бакелит, одна из первых синтетических смол. Смола была чрезвычайно хрупкой, но Бэкеланд обнаружил, что он может размягчаться и укрепите его, объединив с целлюлозойПервое коммерческое использование Бакелита в 1917 году – изготовлением ручек переключения передач для автомобилей Rolls Royce. Новые и более качественные смолы были произведены в 1920-х и 1930-х годах. В начале 1930-х годов две химические компании США, American Cyanamid и DuPont, продолжили разработку полимерных смол. В ходе своих экспериментов обе компании впервые независимо разработали полиэфирную смолу.

В конце 1930-х годов стекольная компания Owens-Illinois разработала процесс вытягивания стекла в тонкие нити или волокна и начал вплетать их в текстильную ткань. Эти новые стеклянные волокна в сочетании с новыми синтетическими (polyester) смолы, производимые из прочных и легких композитов. В 1942 году инженер Рэй Грин из Толедо, штат Огайо (который работал в стекольной компании Owens-Illinois) изготовил шлюпку из стекловолокна и полиэфирной смолы. Мир лодок никогда не будет прежним.

Растущая отрасль

Говард Хьюз использовал композитные лонжероны крыла (тонкие слои древесины и пластиковую смолу) на гидросамолёте Spruce Goose. Зарождающаяся индустрия композитов получила дальнейшее развитие во время Второй мировой войны, когда военные искали материалы, позволяющие снизить вес воздушных и водных судов и в то же время повысить их прочность, долговечность и устойчивость к погодным условиям и коррозионному воздействию соленого воздуха и воды. К 1945 году было использовано более семи миллионов фунтов стекловолокна, в основном для военных целей. Вскоре преимущества композитов FRP, особенно их коррозионная стойкость, стали известны общественности. Например, стекловолоконная труба была впервые представлена в 1948 году для того, что стало одной из самых широких областей ее применения на рынке коррозии, в нефтяной промышленности.

Композиты продолжали набирать обороты после войны и быстро развивались в 1950-х годах: из композитов были изготовлены лодки, грузовики, спортивные автомобили, резервуары для хранения, трубы, воздуховоды и многие другие изделия. В 1953 году с конвейера сошел первый серийный Chevrolet Corvette со стеклопластиковыми панелями кузова. Также в начале 1950-х годов были разработаны такие методы производства, как пултрузия, формование в вакуумных мешках и крупномасштабная намотка нити. Намотка нити накала стала основой для крупномасштабных ракетных двигателей, которые способствовали освоению космоса в 1960-х годах и далее.

Широкое применение

Хотя первое углеродное волокно было запатентовано в 1961 году, потребовалось еще несколько лет, чтобы композиты из углеродного волокна стали коммерчески доступными. Использование углеродного волокна помогло продвинуть многие отрасли, включая аэрокосмическую, автомобильную, морскую и сферу потребительских товаров. В 1966 году Стефани Кволек, химик компании DuPont, изобрела кевлар, параарамидное волокно. Кевлар наиболее известен своим применением в баллистических и стойких к колотым ударам бронежилетах. Новые и улучшенные смолы способствовали росту спроса на композиты, особенно для использования в более высоких температурных диапазонах и в агрессивных средах. В 1970-х годах автомобильный рынок превзошел морской, и занял первую позицию рынка композитных материалов – эту позицию он сохраняет и сегодня.

В конце 1970-х и начале 1980-х годов композиты впервые были использованы в ряде инфраструктурных решений в Европе и Азии, включая первый в мире автомобильный мост с использованием композитных армирующих жил и первый полностью композитный мостовой настил. В 1990-х годах в Аберфелди, Шотландия, был установлен первый пешеходный мост из композитных материалов; в Маккинливилле, Западная Вирджиния, был построен первый железобетонный мостовой настил из стеклопластика; и первый автомобильный мостовой настил из композитных материалов в Расселле, штат Канзас. Многочисленные пешеходные мосты из композитных материалов FRP были установлены в штатах и национальных парках США. 

Наши дни

Многие промышленные дизайнеры и инженеры в настоящее время применяют композиты в таких отраслях, как производство, строительство и транспорт. FRP композиты используются в тысячах сооружений по всему миру, для укрепления железобетонных или каменных конструкций, начиная от зданий и гаражей, и заканчивая транспортными сооружениями, такими как колонны и настилы мостов. В начале 2000-х годов в коммерческих продуктах начали использоваться нанотехнологии. Композиты играют важную роль в создании углеродных нанотрубок; объемные углеродные нанотрубки могут использоваться в качестве композитных волокон в полимерах для улучшения механических, тепловых и электрических свойств объемного продукта. Наноматериалы входят в состав улучшенных волокон и смол, используемых в новых композитах.

Рост 3D-печати в 2010-х годах сделал доступным производство дома и на малых предприятиях, что позволило многим людям воплотить в жизнь любой элемент, который они могут придумать с помощью САПР. Компании, производящие композиты, выходят на новый уровень, производя материалы для 3D-печати с содержанием армированных волокон. Прерывистые нити из углеродного волокна или стекловолокна используются для упрочнения пластмасс в процессах 3D-печати во всех секторах рынка, включая автомобилестроение, аэрокосмическую промышленность, инструментальную промышленность, медицину и инфраструктуру. Эти усилители обеспечивают прочность композитов с меньшим количеством материала за меньшее время и могут быть спроектированы и созданы одним человеком. В 2014 году MarkForged анонсировала первый в мире пластик для 3D-печати с использованием углеродного волокна.

Взгляд в будущее

Индустрия композитов продолжает развиваться. Использование композитов из стеклопластика уже изменило рынки судостроения, автомобилестроения и аэрокосмической промышленности. В таких отраслях как, инфраструктура городов и химическая промышленность, также произошли кардинальные преобразования. Существует огромный потенциал для технологического прорыва в сегментах архитектуры и строительства, поскольку промышленность использует преимущества гибкости конструкции, долговечности, малого веса, коррозионной стойкости и других свойств, которые предлагают композиты.

В 2011 году был создан Научно-образовательный центр «Композиты России» – это структурное подразделение МГТУ им. Н.Э. Баумана. Центр сосредоточился на том, чтобы сделать современные композиты менее дорогостоящими и менее энергоемкими в производстве, а также упростить их переработку. Разработка новых волокон и смол поможет создать еще больше применений для композитов. Экологически чистые смолы будут включать переработанные пластмассы и полимеры на биополимерной основе в качестве композитов, удовлетворяющих спрос на более прочные, легкие и экологически чистые продукты. Композиты будут продолжать делать мир лучше.