История создания композитных материалов
Композитные материалы - это неоднородные сплошные материалы, которые включают в себя 2 или более компонентов. Они призваны создать новый материал или улучшить характеристики одного из них. Сегодня многие исследователи уверены, что за этими материалами будущее и называют XXI столетие веком композитов.
Люди использовали композитные материалы на протяжении всей истории. Начнем наверное с истории развития композитов в мире.
Древние времена
Следы уходят своими корнями в Древний Египет и Месопотамию где применяли первые композитные материалы - смесь глины и соломы для строительства зданий. Композитами, по сути, можно назвать даже саманные кирпичи, которые использовались в Древнем Египте. Главными компонентами такого древнего композита выступали глина и солома. Солома так же использовалась как армирующий элемент в создании лодок и керамических изделий.
Еще один пример античного композитного материала - бетон, который придумали древние римляне. Такой композит из смеси вяжущего вещества и дробленых камней использовался при строительстве масштабных зданий той эпохи.
Следующими в этой истории стали монголы, они создали лук из дерева, кости и животного клея. В XII веке н.э. монгольские воины использовали дерево, клей (смолу сосны), сухожилия и рога крупного рогатого скота для изготовления лука для стрельбы. Лук представлял собой деревянное основния ( из нескольких слоев древесины, с наружной стороны оклеенных смолой сосны), к внешней стороне которой приклеены сухожилия, а к внутренней - роговые пластины.
За 5 тыс. лет до н.э. добавляли песок, измельченные камни, солому, камыш и т.п. для предотвращения растрескивания, повышения прочности. В Библии упоминается, что за 4000-2000 лет до н.э. строили речные суда из тростника, пропитанного битумом. В Азии более чем за 1000 лет до н.э. использовали лак на основе природной смолы - шеллака (сложная смесь полиэфирных смол).
XIX-XX века
Первым же «официальным» композитным материалом стал железобетон, который появился в конце XIX века. На его примере легко объяснить принцип строения композитов. Железобетон включает в себя два компонента: металлическую сетку и бетон. Главное, что граница между ними хорошо различима. Это и есть основная характеристика любого композита - он состоит из нескольких материалов, но с четкой границей между ними.
Современные композиты основаны на стекловолокне, которое на смену пластику пришло из-за не достаточной прочности для армирования. Первопроходцем в области разработок стекловолокна стала в 1935 году фирма Owens-Corning, стекловолокном которой на данный день пользуются ведущие компании по выпуску композитов в России и в мире.
Широкое применение композитные материалы получили в годы второй мировой войны и применяли в военно-промышленных целях: возводились мосты с применением композитов, строились дороги, радиопроницаемость композитов позволила делать из них обтекатели, защищающие радиомодули от внешних факторов, в том числе неблагоприятных погодных условий. На этой же основе пытались разработать самолёт невидимку ещё за долго до появления технологий стелс.
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. 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.
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.
Современные композитные материалы
Композитные материалы в современном оборонном производстве применяются практически повсеместно: композиты применяются везде, начиная от стволов ружей и заканчивая межконтинентальными ракетами, позволяющими нести в себе ядерные боеголовки, «Тополь-М» и ракеты нового поколения «Ярс».
Композитные материалы используются и в медицине: производятся протезы из композитных материалов, даже пломбы производятся с применением композитов, поэтому можно с уверенностью сказать, что композиты прочно вошли в нашу жизнь.
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.
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.
Будущее композитных материалов
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.
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.
В заключение, можно сказать, что композитные материалы прошли долгий путь развития от простых смесей глины и соломы до современных высокотехнологичных материалов. Они продолжают совершенствоваться и находить все новые применения в различных отраслях, обещая еще больше инноваций в будущем.
| Отрасль | Примеры применения |
|---|---|
| Авиастроение | Обшивка корпусов, детали крыльев, элементы двигателей |
| Автомобилестроение | Кузовные панели, детали интерьера, элементы подвески |
| Судостроение | Корпуса лодок и яхт, палубы, элементы внутренней отделки |
| Строительство | Армирование бетона, фасадные панели, кровельные материалы |
| Медицина | Протезы, ортезы, пломбировочные материалы |
| Оборонная промышленность | Бронежилеты, элементы военной техники, ракетные корпуса |