Время на прочтение: 7 минут(ы)


Кевлар (арамид) — материал с уникальными свойствами. Хотя его часто сравнивают с углеродным волокном, между этими двумя материалами есть много важных различий.

Арамид и углеродное волокно различаются не только по цвету — арамид желтый, а углеродное волокно черное, они различаются в основном по свойствам и назначению, дополняя потребности друг друга в промышленных секторах.

В этой статье мы обсудим свойства арамидных композитов, а также укажем преимущества и недостатки, перечислим практические примеры использования кевлара (арамида)  в различных отраслях промышленности и конечных продуктах.

История изобретения кевлара


Арамид — это группа материалов с разными торговыми наименованиями.
Первой компанией, открывшей арамидный материал, была компания Dupont, которая в середине 1960-х назвала его собственным именем — Кевлар. Этот материал поступил в продажу в 1973 году.

Арамид был изобретен химиком польского происхождения Стефанией Кволек в поисках легкого материала для усиления, используемого в шинах. Она искала материал, который должен был быть легче и прочнее, чем обычно используемый нейлон.

Со временем другие производители начали производить арамид с немного другими параметрами, но с теми же основными общими характеристиками, такими как, среди прочего, исключительно высокая устойчивость к ударам и трению.

Торговые наименования арамида, которые продаются различными производителями: Kevlar и Nomex, используемые Dupont, Twaron и Technora, используемые японским Teijin, Arawin, используемые корейским производителем Toray, Kolon, используемые корейским производителем Heracron, и некоторые менее известные названия для арамида производится в основном китайскими производителями.

В настоящее время кевлар является самым известным материалом, используемым в производстве арамидных композитов, поэтому далее в статье мы будем часто использовать чередующиеся названия Кевлар/Арамид.

Независимо от того, говорим ли мы о кевларе, твароне или номексе, каждый из этих материалов является арамидом и обладает уникальными свойствами, такими как чрезвычайно высокая устойчивость к внезапным ударам и трению, устойчивость к высоким температурам и низкий собственный вес. Эти свойства широко используются в таких отраслях, как военная, авиационная, шинная промышленность, производство защитной одежды и перчаток, автоспорт, водные виды спорта и многие другие отрасли. Палитра приложений потрясающая и постоянно расширяется.

Преимущества арамидных композитов

Высокая стойкость к ударам и разрушению

Арамид — это материал с исключительно высокой ударопрочностью, он не ломается под воздействием удара — он поглощает удары. Он обычно используется при производстве бронежилетов, корпусов лодок, байдарок и в качестве противоосколочных покрытий для военной техники.

Композит, состоящий из 100% арамида, имеет примерно в 5 раз большую ударную вязкость, чем композит из углеродного волокна (испытание на удар падающим весом). Устойчивость к ударам или огнестойкость оружейных пуль арамиды обязаны длинным цепочкам атомов, из которых они состоят.


Эти свойства используются, в частности, в военной промышленности для производства бронежилетов и баллистических танков.

Бронежилеты изготавливаются из нескольких десятков слоев арамида, обычно разделенных керамической пластиной. Баллистические кожухи, используемые в бронетехнике, такой как танк US M1, изготовлены из стальных — арамидных — стальных конструкций, стойких к противотанковым снарядам диаметром до 700 мм. Что немаловажно, как для солдата в бронежилете, так и для экипажа танка арамид значительно поглощает удары, возникающие при попадании пули.

Примером использования кевлара также является Apache Boeing AH-64 — базовый ударный вертолет в США. Главный и стабилизирующий винты изготовлены из кевлара. Задача кевлара — защитить винты вертолета от снарядов диаметром до 23 мм.

China Cargo Airlines, Boeing 777, Самолеты, Самолет

Высокая ударопрочность также широко используется в лодках и каяках. Все лодки, участвующие в ежегодных кругосветных круизах Volvo Ocean Race, имеют корпус из арамида, и почти все высокопроизводительные каяки для водных видов спорта имеют корпус из арамидных или арамидно-углеродных тканей.

Еще одно практическое применение кевлара — раллийные автомобили, в которых внутренние колесные арки и пластина под двигателем изготовлены из этого материала. Кевлар защищает ключевые механические элементы раллийного автомобиля от ударов, например, камней.

Низкая собственная плотность / небольшой вес

Арамидные волокна — одно из самых легких волокон, используемых при производстве композитов. Использование арамидных тканей в композитах позволяет не только повысить стойкость композита к ударам и трению, но и значительно снизить вес композитного элемента.

Композиты из арамида примерно на 20% легче, чем композиты из углеродного волокна, которые считаются очень легкими.

Арамидные волокна имеют плотность ~ 1,45 г / см 3, а композит из арамида и эпоксидной смолы имеет плотность ~ 1,3 г / см 3  

При расчетах использовалась плотность эпоксидной смолы с отвердителем ~ 1,1 г / см 3 и передовая технология производства композитов — метод препрега в автоклаве.

Для сравнения, углеродные волокна, считающиеся одними из самых легких материалов , имеют плотность 1,55 г / см 3 для углеродного композита и эпоксидной смолы.

Другими словами, арамидный композит примерно на 20% легче, чем композит из углеродного волокна.

Как соотносится вес арамидного композита с металлами?


Плотность арамидного композита составляет 1,3 г / см 3, плотность алюминия — 2,7 г / см 3 , титана — 4,5 г / см 3 и стали — 7,9 г / см 3 .
Другими словами, арамидный композит примерно в 2 раза легче алюминия, в 3,4 раза легче титана и в 6 раз легче стали.

Умеренная жесткость — устраняет разрыв между стекловолокном и углеродным волокном.

Арамидный композит — это жесткий материал, он превосходит по жесткости стекловолоконный композит, но значительно уступает в этом отношении композитам из углеродного волокна.

Существует много типов углеродных и арамидных волокон — например, стандартный модуль, средний модуль или высокий модуль, которые значительно различаются по жесткости, цене и устойчивости к повреждению композита.

Приведенные ниже данные показывают жесткость различных волокон для стекла, углерода и арамида. Модуль Юнга измеряется вдоль волокна.

Жесткость различных композитных волокон:

  • Стеклоткани — от 72 ГПа (стандартные ткани из Е-стекла) до 87 ГПа (ткани с повышенной прочностью S-стекла).
  • Ткани из углеродного волокна — от 230 ГПа (стандартные волокна, используемые при производстве композитов, например Toray T300) до 590 ГПа (сверхвысокомодульные волокна HM — например, Toray M60J).
  • Арамид — от 96 ГПа (стандартные арамидные ткани, используемые в композитах — например, кевлар 129) до — 186 ГПа (арамидные ткани, используемые в аэрокосмической промышленности — например, кевлар 149).

Для простоты можно предположить, что арамидные композиты, изготовленные из стандартных тканей, примерно на 30-40% жестче, чем композиты из стекла, но значительно уступают углеродным композитам и имеют примерно половину жесткости, чем углеродные композиты.

Низкое тепловое расширение

Арамиды очень устойчивы к воздействию температуры, с практически нулевым, слегка отрицательным коэффициентом теплового расширения. Тепловое расширение арамида составляет (-2,4 x 10-6 / ° C).

Не проводит электричество

Арамид является изолятором и не проводит электричество.

Хорошая стойкость к истиранию и порезам

Композиты Кевлар (арамид) обычно используются в элементах, подверженных трению, таких как крышки двигателей раллийных автомобилей.

В горнодобывающей промышленности, например, в угольной, арамид используется для усиления резиновых конвейерных лент путем добавления рыхлых арамидных волокон. По заявлению производителя кевлара, это увеличивает прочность на трение транспортных ремней примерно на 50-70%. Эти свойства используются не только в композитных материалах, но и в рабочей одежде, такой как перчатки, которые обладают повышенной устойчивостью к порезам благодаря использованию арамидных тканей, таких как Twaron или Kevlar.

Гашение вибрации

Ценным свойством арамидных композитов является высокая демпфирующая сила и устойчивость к вибрациям, которые используются в компонентах, подверженных вибрации, таких как, например, компоненты самолетов.

Низкая относительная электрическая проницаемость

Арамидный композит имеет низкую относительную электрическую проницаемость — ~ 3,85 (10 ГГц). Это обеспечивает хорошую передачу сигнала антенн через защитные крышки / купола из Кевлар (арамид). Обычно такие экраны используются для защиты военных антенн, установленных на самолетах. Они обеспечивают как хорошее пропускание антенного сигнала, так и защищают антенны от повреждений.

Для сравнения: защитные купола из стеклоткани E имеют относительную электрическую проницаемость 6,1 (10 ГГц), то есть примерно на 60% хуже пропускание антенного сигнала по сравнению с арамидными экранами.

Помимо арамида, кварцевые волокна также используются для производства антенных экранов, которые также имеют низкую относительную электрическую проницаемость 3,78 (10 ГГц).

Может использоваться одновременно с другими типами тканей.

Арамидные волокна могут использоваться в углеродных и стеклянных композитах, изменяя их параметры по своему усмотрению, что дает большие возможности производителям композитных изделий.

В случае композитов из углеродного волокна для увеличения их ударной вязкости добавляют несколько слоев арамида или используют гибридные ткани, в которых 50% волокон составляют арамид, а 50% — углерод.

Недостатки арамидных композитов

Поглощение влаги — гигроскопичность

Арамидные волокна гигроскопичны и впитывают относительно много влаги ( даже до 6% от их веса), поэтому арамидные композиты должны быть должным образом защищены — чаще всего лаком, чтобы ограничить поглощение влаги.

Часто для повышения стойкости верхних слоев арамидных композитов к влаге и микротрещинам в качестве верхних слоев используют 1 слой стеклоткани, что дополнительно обеспечивает адгезию лаков, что облегчает ремонт лакового покрытия.

Кроме того, для композитов, контактирующих с водой, используются разновидности арамида с пониженной впитывающей способностью, такие как, например, Kevlar 149 или Armos.

Любопытно — впитывающая способность стандартных арамидных тканей настолько высока, что в сочетании со свойствами, защищающими от огня/ожогов, этот материал используется в огненных шоу, где он пропитан парафином. С одной стороны, впитывающая способность арамида приводит к тому, что парафин должным образом пропитывается, что обеспечивает длительное время горения пламени, с другой стороны, этот материал не разлагается во время горения и устойчив к высоким температурам.

Сложная обработка и обработка

Волокна кевлара трудно разрезать, поэтому производство композитов с использованием арамидных тканей требует больших усилий. Трудно разрезать как сухие ткани, так и готовый композит.

Для раскроя сухих тканей часто используют лазерную резку или мелкую раскройку специальных ножниц, приспособленных для раскроя арамида. Для резки готовых арамидных композитов используют гидрорезку или специальные фрезы с твердосплавным или алмазным покрытием. Резка резцами обычно оставляет немного неровные края композита.

Арамидные волокна прилипают хуже, чем стеклянные или углеродные волокна, и смолу сложнее фильтровать, поэтому рекомендуется использовать эпоксидные смолы для производства арамидных композитов, которые обладают более прочными связующими свойствами для последующих слоев арамидных тканей.

Разложение под воздействием УФ-лучей

Арамидные волокна не очень устойчивы к УФ-излучению.
УФ-излучение (солнце) разрушает арамидные волокна, поэтому арамидные композиты следует защищать лаком или слоем защитного материала, например, полиэфирным покрытием на арамидных веревках.

Высокая стоимость материала

Арамид — дорогой материал, его цена аналогична цене углеродного волокна, поэтому этот материал используется только в определенных областях, где требуется сопротивление трению/ударам выше среднего и, в то же время, малый вес конечный продукт важен. 

Низкая прочность на сжатие

Арамидные волокна имеют меньшую прочность на сжатие, чем стекловолокна и углеродные волокна, поэтому для элементов, подвергающихся высокому давлению, используются гибридные ткани — комбинация углеродного волокна и арамида.

Практическое применение арамида

Практические возможности использования арамида огромны. Вот список практических примеров изделий из Кевлар (арамид).

Использование кевлар-арамида  в композитах

  • Бронежилеты
  • Аэродинамические детали для автоспорта, подверженные трению, ударам — например, колесные арки, пластина под двигателем
  • Фюзеляжи самолетов (часто гибриды углерод-кевлар), пропеллеры, обшивка
  • Багажные люки для чемоданов в самолетах
  • Крышки спутниковых антенн, устанавливаемых на военные самолеты
  • Доски для серфинга
  • Каноэ
  • Корпуса кораблей
  • Баллоны для сжиженного нефтяного газа — на 70% легче стали и диаметрально более безопасны для ударов, чем баллоны из стекловолокна — например, баллоны производства компании Low8

Пожалуй, самый красивый пример использования кевлара — это проект пилота RDS Никиты Шикова, его Supra A90 Groza. Журнал Low daily опубликовал статью об этом потрясающем истребителе шин. Почитать можно тут.

Использование арамида в виде сухой ткани

  • Защитная одежда — огнестойкая, включая военную одежду (например, a2cu), противопожарную одежду, используемую в гонках F1 и NASCAR (чаще всего Nomex)
  • Устойчивые к порезам перчатки
  • Усиление резиновых элементов, например, зубчатых ремней
  • Усиление шин
  • Веревки
  • Оптические кабели, в которых арамидные волокна предотвращают разрыв кабелей и защищают их от временного контакта с огнем
  • Парусные подкрепления
  • Барабаны
  • В сотах используется арамидная бумага — легкий разделительный материал

Резюме

Кевлар (арамид) занимает первое место среди композитных материалов по сопротивлению удару, трению и порезам — ни один другой композитный материал не имеет лучших показателей в этом отношении.

Арамид также является одним из самых легких доступных композитных волокон — арамидные композиты примерно на 20% легче углеродных композитов.

В то же время у него есть свои недостатки, такие как сложность обработки и обработки материала или влагопоглощение.

Надеемся, что знание преимуществ и недостатков, представленных в этой статье, позволит инженерам и дизайнерам лучше понять этот материал и правильно его использовать — таким образом, чтобы воспользоваться его достоинствами и устранить недостатки еще на этапе проектирования производства.

Поделиться:
Share on VK
VK
Share on Facebook
Facebook
Email this to someone
email

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *