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复合材料简史

…从成吉思汗一直到火星

描绘场景。这是 1211 年,你是晋军的一名步兵,面对强大的战争领袖成吉思汗和他的蒙古部落的猛攻。随着可汗的骑兵在远处逼近,箭雨落在你和你的战友身上。那些箭怎么能飞这么远,从小到可以由马背上的弓箭手携带的弓?几乎没有时间感到困惑……

答案是复合材料——虽然成吉思汗不能声称发明复合弓(古典希腊人和罗马人都使用复合弓),但他的蒙古弓更小、更轻且在马背上更方便。由竹芯制成,腹部有动物角,背面有一层筋,可提供柔韧性和抗拉强度,在战斗中提供更大的力量和范围。

复合材料简史
 
 
大自然的复合材料
 

让我们回到过去,从基础开始。当两种或多种单独的材料组合在一起以创建具有比原始组件更先进的性能的新材料时,就会产生复合材料。认为 2+2=5。与人类一些最重要的制造业进步一样,大自然首先到达那里。从树木和竹子到不起眼的玉米杆,自然界的许多关键结构元素都是复合材料,纤维并排结合在一起。快进数十亿年,早期的建造者发现,被称为“玉米棒”的干泥砖可以承受更重的负荷——并且如果用干草或稻草加固,它们可以保持更长时间,就像现代钢筋混凝土(另一种复合材料) ) 它的强度和刚度依赖于钢棒。今天,混凝土是地球上生产量最大的商品之一。

胶合板原理
 

工业复合材料的故事部分是工业革命的故事。英国工程师塞缪尔·边沁(Samuel Bentham)在 1797 年的木层压板专利——用胶水将单板层层压成更厚的一块——生产了早期版本的工业胶合板,该工艺由阿尔弗雷德·诺贝尔之父伊曼纽尔·诺贝尔进一步发展。到 1928 年,标准化胶合板被用作一般建筑材料。复合材料已成为商品。

进入电木
 

从 Bentham 快进一个世纪,到 20 世纪初,对合成树脂以及使它们成为可能的聚合物的兴趣在实验化学家中牢牢扎根。Bakelite 是第一种纤维增强塑料 (FRP),由比利时裔美国化学家 Leo Baekeland 于 1907 年发明,并在两年后推出,使制造商梦寐以求的坚硬、可模塑材料栩栩如生。电木的耐用性、绝缘性和耐热性使其成为新兴电气行业的宠儿,早期消费时代的收音机和电话都应运而生。塑料时代已经诞生。

 
复合材料简史
 

电木证明了惊人的多才多艺。它最有趣的应用之一是生产酚醛板——通过对浸渍有树脂的纸或玻璃布层施加热量和压力制成的硬层压塑料。尽管从那时起材料有了显着改进,但这个过程是我们今天所知道的大部分复合材料生产的基础,并增加了机器人。

由玻璃制成的纤维

仅仅几十年后,在 1930 年代初期,美国工程师 Games Slayter 完善了在俄亥俄州欧文斯科宁大规模生产他所谓的“玻璃棉”的工艺。以 Fiberglas 的商品名销售,它将通过提供一种理想的方式来加强和塑造即将上市的新一代合成聚合物,从而有助于加速工业复合材料的发展。玻璃纤维和聚合物被证明是完美的搭配——多功能 FRP 中的基本元素,如今构成了从摩天大楼包层到皮划艇和风力涡轮机叶片的一切。在为抗击第二次世界大战而开创的技术中进行了一些有限的应用之后,复合材料在 1950 年代和 60 年代蓬勃发展的消费领域呈现出新的、更具创新性的形状。随着时间的推移,船体、赛车、自行车和运动器材(从头盔和滑翔机到冲浪板)都将老式的木材和金属换成了新型的复合结构。

复合材料简史
 
无限可能

今天的太空时代复合材料提供了仅受想象力限制的可能性。坚固、轻便、防火、抗菌的材料非常适合在轨道和更远的地方使用,也许是在未来的火星载人任务中——或者在科学研究前沿的实验室中。随着建筑环境在我们周围的演变和建筑设计变得更加流动,内外,灵活的模制形状将彻底改变建筑和施工。与此同时,先进的复合材料将形成新一代高速列车的外壳,由磁悬浮技术推动的时尚新设计使时速 300 英里的旅程成为现实。复合材料工程已经在改变航空业,以提供更轻、更坚固的机身和机翼,从而在更长的距离上提供更高的燃油经济性——并将金属疲劳的挑战交给航空历史。事实上,对于复合材料来说,故事才刚刚开始。明天他们会带我们去哪里?

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2022-11-1 13:13:29

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2022-11-2 8:00:38

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