История композитных материалов: от создания до наших дней. Часть 1.

Одним из основных направлений деятельности нашей компании является дизайн и разработка технологий производства новых высокотеплопроводных композитных материалов.

В связи с этих хотим вас познакомить поближе с композитными материалами и рассказать их историю: как все начиналось и к чему пришло.

Материал будет состоять из несколько частей и разбит на период. Сегодня расскажем о первом поколении композитов.

История композитных материалов началась в 40-е года 20 века. Быстрому развитию и применению в тот период поспособствовали три фактора:

  1. Активное применение высокопрочных и легких материалов в военной технике (самолеты, вертолеты, ракеты). Использовавшиеся до этого металлические компоненты хоть и выполняли свои функции, но были тяжелые. Это весьма ограничивало их применение. Чем больше вес самолета или вертолета, тем меньший груз он способен перевозить.
  2. Отрасль полимеров в этот период показывала бурный рост и пыталась завоевать рынок пластика для различных применений. Появлялись новые облегченные полимеров из исследовательских лабораторий, которые смогли предложить улучшенные механические свойства пластика.
  3. Была обнаружена чрезвычайно высокая теоретическая прочность некоторых материалов, таких как, например, стекловолокно. Возник вопрос, как использовать такие высокопрочные материалы для запросов военных ведомств.

1 поколение композитных материалов (1940-е годы): армированные стекловолокном полимеры.

Сначала казалось очевидным производить все компоненты (крылья, роторы и т.д.) из этого высокопрочного материала. Но быстро стали понятно, что, буду очень прочными, эти материалы достаточно хрупкие и имеют свои недостатки, такие как, например, микротрещины на поверхности. При этом на каждом произведенном куске композита количество микротрещин и их размеры было не одинаковое. А поскольку количество таких изъянов, как правило, зависит от размера компонента, единственным решением стало использование коротких волокон в композитах для минимизации изъянов всей системы. Но реальной пользы от коротких стекловолокон было немного.

Добавление свойств материалов.

Вскоре инженеры поняли, при погружении волокон в матрицу из легкого, низкопрочного материала, они могут получать более прочный материал — волокна останавливают распространение трещин в матрице. Полимер с недостаточной прочностью или жесткостью мог быть усилен с помощью новых волокон, в результате чего получался прочный, жесткий и легкий продукт. Полимерная матрица обеспечивала условия для волокон, которые находились в первоначальном виде — отдельные, независимые иглы — и защищала их от царапин, которые могли приводить к разрушению. Укрепленное волокно добавляло дополнительную прочность более хрупким полимерным материалам, принимая на себя большую часть напряжения, которое передавалось от полимеров к волокнам через их прочные межфазные связи.

Усиленный пластик возник больше из инженерной сферы, чем из научных исследований. В то время как ученые были заняты взаимосвязями структуры материала и его свойств, промышленные инженеры занимались изучением связей между функциями и свойствами материала. Преобладание функциональной составляющей над структурой дало импульс развитию композитных материалов.

Промышленная кооперация.

Стекольным компаниям давно известно, как выделить волокна стекла из расплавленного метала. Начиная с 1932 года компания Owens в США начала производство стекловолокон, в 1935 года она объединилась с компанией Corning с одной целью — массовое производство волокн. Объединенная компания получила название Owens-Corning Fibers. В Европе итальянец Бальцаретти Модильяни получил права на патенты Owens и передал их компании Saint-Gobain в 1939 году.

В то же время, химические компании проводят исследования в области новых полимеров. Фенольные, мочевино и анилино-формальдегидные смолы были разработаны в начале 30-х годов, вместе с ненасыщенными полиэфирными смолами были запатентованы в 1936 году, чтобы начать доминировать в отрасли композитов. В Швейцарии П. Кастан получил первый патент на эпоксидные смолы и вскоре передал лицензию на патент одной из старейших химических компаний Ciba. Хотя эти новый термопластичные и термореактивные смолы были исследованы для самостоятельного применения (упаковка, клей и т.д.), их возможности стали использовать в качестве матрицы для упрочнения материалов. Смешивание полимеров с различными добавками было уже обычным явлением в химической промышленности.

Возрастающее значение полимеров в промышленности привело к созданию в 1937 году Общества пластмассовой промышленности, которое в 1941 стало Обществом инженеров пластмасс. Появление научных сообществ поспособствовало широкому интересу к теме. Люди из разных компаний и университетов собираются вместе, чтобы обмениваться информацией.

Становление индустрии усиленного пластика.

Как правило, стекловолкна добавлялись в расплавленный полимер, который потом заливался в форму. Перед инженерами и техниками стояла задача найти такие способы добавления волокон, чтобы они были равномерно распределены по всей матрице и не слипались между собой. На ранних смолах применялось высокое давление, но это вызывало повреждение волокон при слишком сильном давлении. Чтобы решить эту проблему компания Pittsburgh Plate Glass разработала под низким давление аллиловые смолы в 1940 году.
Самое ранее применение продуктов из усиленного стекловолокном полимера состоялось в морской промышленности. Корабли из стекловолокна стали делать в начале 40-х годов с целью заменить ими традиционные на тот момент деревянные и металлические лодки. Легкие, прочные композиты из стеклопластика не подвержены гниению и коррозии и просты в обслуживании. Высадка союзных войск в Нормандии в 1944 году состоялась на кораблях из композитного стеклопластика. Стеклопластик и сегодня продолжает оставаться одним из основных компонентов кораблей и лодок.

В 1942 году военно-морские силы США заменили все электрические щиты на своих кораблях на меламин-стеклопластиковый композит, который улучшил электроизоляционные свойства щитов.

В 1943 на военной базе ВВС США Райт-Паттерсон был запущен исследовательский проект по созданию структурных частей самолетов из композитных материалов. В результате первый такой самолет совершил полет уже в следующем году.

Первый коммерческий композит получил название армированный стекловолокном пластик. И он до сих пор широко используется.

В следующей части о втором поколении композитных материалов.

Like what you read? Give Heatlab a round of applause.

From a quick cheer to a standing ovation, clap to show how much you enjoyed this story.