Lịch Sử Hình Thành Chất Liệu Composite

Chất liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong sản xuất cho đến khi nó trở nên phổ biến như hiện nay. Từ những năm Trước công nguyên (TCN) cho đến nay, đã xuất hiện nhiều loại vật liệu tổng hợp khác nhau đã được phát triển và sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Thời kì cổ đại

Thời gian TCN đánh dấu sự khởi đầu của các loại vật liệu tổng hợp được ứng dụng trong việc tạo ra các vật dụng sinh hoạt hàng ngày.

Việc sử dụng đầu tiên của vật liệu tổng hợp được ghi nhận cho người Mesopotamians, hay còn gọi là người cổ đại Lưỡng Hà. Những người cổ đại dán các dải gỗ ở các góc độ khác nhau để tạo ra ván ép vào năm 3400 TCN.

Giữa những năm 2181 và 2055 TCN, người Ai Cập sử dụng các tông (cartonage) và các lớp vải lanh (linen) hoặc giấy cói (papyrus) được ngâm trong thạch cao (plaster) để làm mặt nạ chết.

Khoảng năm 1500 TCN, những người người xây dựng và người thợ xây Ai Cập và Lưỡng Hà đã sử dụng rơm rạ để tăng phần chắc chắn cho gạch, gốm và thuyền bùn.

Khoảng năm 25 TCN, 10 cuốn sách về Kiến trúc (Ten Books on Architecture) – Một quyển sách được viết bởi Marcus Vitruvius Pollio (năm 80- 75 trước Công nguyên – năm 15 trước Công nguyên), thường được biết đến với cái tên Vitruvius, là một kiến ​​trúc sư, kỹ sư công binh người Ý, phục vụ cho quân đội La Mã – đã mô tả cụ thể và phân biệt các loại vôi và vữa khác nhau. Và cũng thật thú vị khi nghiên cứu cho thấy xi măng được mô tả theo một cách tương tự, và theo một số cách, vượt trội hơn so với xi măng Ba Lan (Porland) được sử dụng phổ biến ngày nay.

Từ thời xa xưa, các nhà xây dựng, nghệ nhân, kỹ sư và nhà sản xuất vật liệu đã cùng nhau tiếp tục phát triển các dạng vật liệu tổng hợp của một mảng vật liệu rộng hơn cho các ứng dụng phức tạp hơn.

Năm 1200

Vào những năm 1200 sau Công Nguyên, người Mông Cổ đã phát minh ra Cung tên – vũ khí chiến đấu chính vào thời ấy – được làm bằng vật liệu từ sự kết hợp giữa gỗ, tre, xương – gân gia súc, sừng, tre và sợi lụa với nhựa thông tự nhiên. Những chiến cung nhỏ nhưng mạnh mẽ và cực kỳ chính xác này là vũ khí đáng sợ nhất trên trái đất cho đến khi phát minh ra vũ khí hiệu quả từ thế kỷ 14.

Năm 1800

Từ thập niên 1870 đến thập niên 1890, một cuộc cách mạng hóa học đã thay đổi sự phát triển của vật liệu tổng hợp. Các loại nhựa tổng hợp mới được chuyển từ chất lỏng sang trạng thái rắn trong cấu trúc phân tử liên kết chéo, diễn ra qua quá trình polymerization (tạm gọi là quá trình trùng hợp). Nhựa tổng hợp sớm bao gồm Celluloid, Melamine và Bakelite.

Năm 1900

Vào đầu những năm 1900, những tiến bộ hóa học đã thúc đẩy sự phát triển của nhựa. Các vật liệu như vinyl, polystyrene, phenolic và polyester được tạo ra và cải tiến nhằm cung cấp các vật liệu có đủ sức mạnh và độ cứng nhằm mục đích phục vụ cho nhu cầu của nhân loại

Polyoxy-benzyl-methylen-glycol-anhydride, được biết đén với tên gọi Bakelite, được phát triển bởi nhà hóa học người Bỉ – sinh sống tại New York, Leo Baekeland năm 1907. Bakelite là một loại nhựa phenol formaldehyde nhiệt rắn, được hình thành từ phản ứng loại bỏ phenol với formaldehyde. Bakelite là một trong những loại nhựa đầu tiên được làm từ thành phần sợi tổng hợp. Với tính chất không dẫn điện và chịu nhiệt của, Blakelite được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và hàng tiêu dùng , bao gồm các chất cách điện, vỏ đài và điện thoại, đồ dùng nhà bếp, đồ trang sức, thân ống và đồ chơi trẻ em. Ngay này, người ta vẫn thường sưu tầm và yêu thích sự hấp dẫn “cổ điển” của các sản phẩm làm bằng chất liệu Bakelite.

Năm 1993, Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ đã công nhận và chỉ định Bakelite là Di tích hoá học Lịch sử của Quốc gia.

Những năm 1930

Được công nhận là thập kỷ quan trọng nhất trong ngành công nghiệp vật liệu tổng hợp, những năm 1930 chứng kiến ​​sự phát triển của nhựa tổng hợp, vật liệu vẫn được sử dụng ngày nay. Năm 1935, Owens Corning giới thiệu sợi thủy tinh đầu tiên và công bố Ngành công nghiệp chất liệu polyme gia cường sợi (FRP). Năm 1936, nhựa polyester chưa bão hòa được cấp bằng sáng chế. Do đặc tính đóng rắn của chúng, nhựa polyester là sự lựa chọn hàng đầu cho các loại nhựa trong sản xuất hiện nay. Năm 1938, các vật liệu nhựa hiệu suất cao khác như epoxies cũng trở nên phổ biến và dễ tìm.

Những năm 1940

Sự kiện Chiến tranh Thế giới II đã đưa ngành công nghiệp FRP phát triển một cách chóng mặt  từ nghiên cứu đến sản xuất. Ngoài các tính chất có độ bền cao đến trọng lượng nhẹ, các nhà hóa học đã khám phá được rằng vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh trong suốt, có tần số vô tuyến. Điều này dẫn đến sự thích nghi của composite khi được áp dụng trong sản xuất các mái vòm radar (radar domes) và các thiết bị điện tử khác.

Mặc dù không được thương mại hóa cho đến sau Thế chiến II, những chiếc thuyền hạng thương mại đầu tiên được phát triển trong thập kỷ này.

Đến năm 1947, một chiếc ô tô được làm hoàn toàn bằng chất liệu composite được chế tạo hoàn chỉnh và được thử nghiệm, dẫn đến sự phát triển của chiếc Chevrolet Corvette năm 1953. Sợi thủy tinh tổng hợp được ngâm tẩm với nhựa và đúc trong kim loại phù hợp đã được sử dụng để chế tạo chiếc xe cổ điển này. Sự ra đời của ngành công nghiệp chế tạo ô tô đã dẫn đến một số phương pháp mới trong việc tạo hình. Hai phương pháp, nén ép của hợp chất đúc tấm (SMC) và hợp chất đúc khối lớn (BMC), nổi lên như các hình thức đúc tạo hình cho ngành công nghiệp ô tô và các ngành khác.

Những năm 1950

Đầu những năm 1950, sản xuất tiếp tục được đổi mới với sự phát triển của Công nghệ pultrusion, túi chân không và các cuộn dây tóc quy mô lớn. Những vật liệu tổng hợp này vẫn được sử dụng trong các ứng dụng ngày nay. Pultrusion được sử dụng trong sản xuất các thành phần tuyến tính như thang và khuôn. Cuộn dây tóc là một ví dụ về vật liệu composite trong ngành hàng không vũ trụ. Nó đã trở thành nguyên liệu chế tạo cho các động cơ tên lửa quy mô lớn, thúc đẩy thăm dò không gian trong những năm 1960 cho đến nay.

Năm 1960

Năm 1961, sợi carbon đầu tiên được cấp bằng sáng chế và được thương mai hoá chỉ sau một vài năm. Sợi carbon cải thiện sự nhiệt rắn từ độ cứng đến tỷ lệ trọng lượng, để sử dụng trong nhiều ứng dụng hơn như hàng không vũ trụ, ô tô, hàng thể thao và hàng tiêu dùng. Vào những năm 1960, Hàng hải là thị trường tiêu thụ vật liệu composite lớn nhất.

Thập niên 70 và 80

Trong hai mươi năm tiếp, thị trường vật liệu composite phát triển một cách mạnh mẽ. Chất liệu polyethylene có trọng lượng phân tử cao tham gia các sợi tiên tiến khác được sử dụng trong bước đột phá trong các thành phần cấu tạo của các sản phẩm thuộc lĩnh vực hàng không vũ trụ, áo giáp chiến đấu, thiết bị thể thao, thiết bị y tế và nhiều lĩnh vực khác.

Vào những năm 1970, thị trường ô tô đã vượt qua thị trường hàng hải để trở thành thị trường số một cho đến tận ngày nay.

Năm 1970, Mar-Bal bắt đầu chế tạo các bộ phận đúc tùy chỉnh cho một số ứng dụng bao gồm:

• Bộ ngắt điện
• Thiết bị lắp ráp động cơ
• Các thiết bị cỡ nhỏ

Từ sự khởi đầu có phần khiêm tốn này, Mar-Bal đã trở thành nhà cung cấp giải pháp tổng hợp vật liệu tổng hợp tích hợp nhất hiện nay.

Trong tương lai

Ngày nay, nghiên cứu vật liệu tổng hợp thu hút các khoản tài trợ từ chính phủ, nhà sản xuất và trường đại học. Những khoản đầu tư này cho phép đổi mới và cải tiến để tăng tốc. Các công ty chuyên ngành, chẳng hạn như các công ty hỗn hợp hàng không vũ trụ, sẽ tìm thấy một phòng nghiên cứu về vật liệu tổng hợp trong ngành. Hai ứng dụng tiếp tục phát triển, sáng tạo chính là vật liệu composite sử dụng cho máy bay và composite ứng dụng vào lĩnh vực hàng hải.

Các vật liệu khác như nhựa thân thiện môi trường kết hợp với nhựa tái chế và polyme sinh học đáp ứng nhu cầu thị trường, làm cho các sản phẩm trở nên mạnh mẽ hơn, nhẹ hơn và thân thiện với môi trường hơn. Nhìn về phía trước,sợi sinh học vẫn còn để được phát triển và nhựa sẽ tạo ra nhiều ứng dụng hơn cho nhu cầu vật dụng hàng ngày trong cuộc sống và các lĩnh vực chuyên ngành khác.