Ιστορία και εξέλιξη σύνθετων υλικών

Όταν συνδυάζονται δύο ή περισσότερα διαφορετικά υλικά, το αποτέλεσμα είναι α σύνθετος. Οι πρώτες χρήσεις των σύνθετων υλικών χρονολογούνται από το 1500 π.Χ. όταν οι πρώτοι Αιγύπτιοι και μεσοποταμικοί έποικοι χρησιμοποίησαν ένα μείγμα λάσπης και αχύρου για να δημιουργήσουν ισχυρά και ανθεκτικά κτίρια. Η Straw συνέχισε να παρέχει ενίσχυση σε αρχαία σύνθετα προϊόντα, συμπεριλαμβανομένων κεραμικών και σκαφών.

Αργότερα, το 1200 μ.Χ., οι Μογγόλοι εφευρέθηκαν το πρώτο σύνθετο τόξο. Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό ξύλου, οστού και «κόλλας ζώων», τα τόξα συμπιέστηκαν και τυλίχθηκαν με φλοιό σημύδας. Αυτά τα τόξα ήταν ισχυρά και ακριβή. Τα σύνθετα μογγολικά τόξα συνέβαλαν στη διασφάλιση της στρατιωτικής κυριαρχίας του Τζένγκις Χαν.

Η σύγχρονη εποχή των σύνθετων υλικών ξεκίνησε όταν οι επιστήμονες ανέπτυξαν πλαστικά. Μέχρι τότε, οι φυσικές ρητίνες που προέρχονταν από φυτά και ζώα ήταν η μόνη πηγή κόλλας και συνδετικών. Στις αρχές του 1900, αναπτύχθηκαν πλαστικά όπως βινύλιο, πολυστυρόλιο, φαινολικό και πολυεστέρας. Αυτά τα νέα συνθετικά υλικά ξεπέρασαν τις μονές ρητίνες που προέρχονται από τη φύση.

Ωστόσο, μόνο τα πλαστικά δεν μπορούσαν να προσφέρουν αρκετή αντοχή σε ορισμένες δομικές εφαρμογές. Η ενίσχυση χρειάστηκε για να παρέχει επιπλέον αντοχή και ακαμψία.

Το 1935, η Owens Corning παρουσίασε την πρώτη γυάλινη ίνα, fiberglass. Fiberglass, όταν συνδυάστηκε με ένα πλαστικό πολυμερές δημιούργησε μια απίστευτα ισχυρή δομή που είναι επίσης ελαφριά. Αυτή είναι η αρχή της βιομηχανίας Fiber Reinforced Polymers (FRP).

Πολλές από τις μεγαλύτερες εξελίξεις στα σύνθετα ήταν αποτέλεσμα των αναγκών του πολέμου. Ακριβώς όπως οι Μογγόλοι ανέπτυξαν το σύνθετο τόξο, ο Β 'Παγκόσμιος Πόλεμος έφερε τη βιομηχανία FRP από το εργαστήριο στην πραγματική παραγωγή.

Χρειάστηκαν εναλλακτικά υλικά για ελαφρές εφαρμογές σε στρατιωτικά αεροσκάφη. Οι μηχανικοί συνειδητοποίησαν σύντομα άλλα οφέλη από σύνθετα υλικά πέρα ​​από το ότι είναι ελαφρύ και δυνατό. Ανακαλύφθηκε, για παράδειγμα, ότι τα σύνθετα υαλοβάμβακα ήταν διαφανή στις ραδιοσυχνότητες, και το υλικό προσαρμόστηκε σύντομα για χρήση σε προστατευτικό εξοπλισμό ηλεκτρονικών ραντάρ (Radomes).

Μέχρι το τέλος του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου, μια μικρή εξειδικευμένη βιομηχανία σύνθετων προϊόντων ήταν σε πλήρη εξέλιξη. Με τη χαμηλότερη ζήτηση για στρατιωτικά προϊόντα, οι λίγοι καινοτόμοι σύνθετων προσπαθούσαν τώρα φιλόδοξα να εισαγάγουν σύνθετα υλικά σε άλλες αγορές. Τα σκάφη ήταν ένα προφανές προϊόν που επωφελήθηκε. Το πρώτο σύνθετο σκάφος εμπορικών σκαφών κυκλοφόρησε το 1946.

Αυτή τη στιγμή ο Brandt Goldsworthy συχνά αναφέρεται ως «παππούς των σύνθετων», ανέπτυξε πολλά νέα διαδικασίες κατασκευής και προϊόντων, συμπεριλαμβανομένης της πρώτης σανίδας από υαλοβάμβακα, η οποία έφερε επανάσταση στο άθλημα.

Η Goldsworthy εφευρέθηκε επίσης μια διαδικασία κατασκευής γνωστή ως pultrusion, μια διαδικασία που επιτρέπει αξιόπιστα προϊόντα ενισχυμένα με υαλοβάμβακα. Σήμερα, τα προϊόντα που κατασκευάζονται από αυτήν τη διαδικασία περιλαμβάνουν ράγες σκάλας, λαβές εργαλείων, σωλήνες, άξονες βέλους, πανοπλία, δάπεδα τρένου και ιατρικές συσκευές.

Στη δεκαετία του 1970 το σύνθετα υλικά η βιομηχανία άρχισε να ωριμάζει. Αναπτύχθηκαν καλύτερες πλαστικές ρητίνες και βελτιωμένες ενισχυτικές ίνες. Η DuPont ανέπτυξε ένα ίνες αραμιδίου γνωστό ως Kevlar, το οποίο έχει γίνει το προϊόν επιλογής στην πανοπλία του σώματος λόγω της υψηλής αντοχής εφελκυσμού, της υψηλής πυκνότητας και του ελαφρού βάρους. Οι ίνες άνθρακα αναπτύχθηκαν επίσης περίπου αυτήν την περίοδο. όλο και περισσότερο, έχει αντικαταστήσει εξαρτήματα που ήταν παλαιότερα κατασκευασμένα από χάλυβα.

Η βιομηχανία σύνθετων υλικών εξακολουθεί να εξελίσσεται, με μεγάλο μέρος της ανάπτυξης να επικεντρώνεται τώρα στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι λεπίδες ανεμογεννητριών, ειδικά, ωθούν συνεχώς τα όρια στο μέγεθος και απαιτούν προηγμένα σύνθετα υλικά.

Συνεχίζεται η έρευνα για σύνθετα υλικά. Τομείς ιδιαίτερου ενδιαφέροντος είναι νανοϋλικά - υλικά με εξαιρετικά μικρές μοριακές δομές - και πολυμερή με βάση βιολογικά υλικά.