Кевлар или арамид что лучше

Кевлар арамид — что такое и для чего применяется?

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.

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.

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

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?

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:

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

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

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.

Источник

Статьи

Арамид (Kevlar) и Dyneema

Важными и достаточно примечательными вехами в развитии цивилизации считается освоение человечеством новых энергий, технологий, материалов. Сегодня на смену знакомой десятками столетий стали приходят синтетические материалы, по прочности, весу и коррозионной неуязвимости превосходящие металл. Образцом таких сверхпрочных материалов можно назвать Кевлар (арамид) и Дайнима, успешно применяемые сегодня при изготовлении сверхпрочных тканых изделий (тканей, шнуров, канатов, лент, ниток и т.д.). Дата рождения обеих материалов приблизительно одинакова – шестидесятые годы прошлого столетия. Однако если пара-амидное волокно, выпускаемое под торговой маркой Kevlar®, было закономерным результатом труда химиков американской компании DuPont (1964 г.), то волокно, получившее в последствии торговую марку Dyneema®, появилось на свет случайно. В ходе исследований полиэтилена химиками голландской компании DSM в 1968 году возникла случайная цепочка химических реакций, породившая волокно, которое не возможно было разорвать. Промышленное производство Кевлара было освоено в начале 70-х, Дайнима – десятилетием позже.

Кевлар – остановит даже пулю

Арамид или выражаясь языком химиков полипарафенилен-терефталамид, представляет собой сверхпрочный материал в пять раз превышающий прочность стали. При этом относительно малый вес (плотность составляет 1.44 г/см³) открывает широкие возможности применения кевлара. Предназначенный изначально для армирования автомобильных шин, он и сегодня считается безальтернативным материалом для этих целей. Тем не менее, он успешно применяется при производстве композитных материалов, придавая им уникальные прочностные характеристики.
Материал способен работать в широком диапазоне температур, начиная от криогенных значений (-196°C) и заканчивая температурами в несколько сотен градусов со знаком «+». Разрушение арамида происходит при температуре +450°C, что открывает дорогу при производстве тканей для пожарных, средств индивидуальной защиты. Высокая прочность и способность превращать кинетическую энергию в тепло (за счет высокого внутреннего трения), обеспечили материалу применение при изготовлении бронежилетов.
Из недостатков можно назвать:

Аналогами Kevlar являются Twaron® (Япония), Heracron® (Корея), СВМ (Россия)

Dyneema – достоинства и недостатки

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен, получивший название Dyneema превосходит прочность стали в 15 (!) раз, сохраняя при этом меньшую, чем у воды плотность (0.97 г/см³). Легкий и весьма износоустойчивый материал обладает:

Эти преимущества открывают широкие перспективы для применения Дайнимы в различных отраслях человеческой деятельности, начиная от рыболовства/рыбоводства и заканчивая авиа-космической техникой и ВПК. Не обходится без сверхпрочного материала экстремальный спорт и туризм, спецодежда для производственных целей и охрана труда.
К недостаткам можно отнести низкую рабочую температуру (плавление наступает при +136°C) и особые условия стирки и сушки при температуре менее 40 градусов.

Кевлар и Дайнима: что лучше?

Однозначно ответить на этот вопрос сложно, поскольку каждый из материалов имеет свое назначение и, следовательно, характеристики их сравнивать необходимо с учетом этого. Пытаясь обобщить особенности каждого материала можно с уверенностью сказать, что по прочности при растяжении, растяжимости и поглощению вибраций арамид и Dyneema находятся приблизительно на одном уровне.
По другим характеристикам чаши весов склоняются в ту, либо иную сторону. Например, Dyneema превосходит Кевлар по ряду характеристик, к которым следует отнести:

Одновременно уступая арамиду по термостойкости, предельной скручиваемости и вязкости полотна.В последнее время наблюдаются тенденции, позволяющие использовать достоинства обоих волокон. Практическим примером такого «союза» могут служить мотоджинсы, использующие в составе ткани оба типа волокна.

Источник

История кевлара

В настоящее время кевлар стал привычным компонентом одежды и экипировки людей, чья жизнь постоянно подвергается опасности: военных и силовиков, космонавтов и исследователей, спортсменов и пожарных. Кевларовые волокна используют везде, где требуется повышенная прочность, начиная от автомобильных шин и заканчивая корпусами яхт, область их применения постоянно расширяется, а технология получения – усовершенствуется.

Многие называют все высокопрочные синтетические тросы кевларовыми, независимо от того, из какого материала они сделаны. Почему это происходит понятно, по той же причине, по которой все подгузники называют памперсами, копировальные аппараты ксероксами, а автомобили повышенной проходимости – джипами. Просто наиболее распространенное название одной из торговых марок постепенно становилось нарицательным.

Кевлар – это торговое название материала арамид, который представляет собой синтетическое волокно, обладающее высокой механической и термической стойкостью.

Кевла́р (англ. Kevlar) — пара-арамидное волокно (полипарафенилен-терефталамид), выпускаемое фирмой DuPont.

Этот материал был получен полвека тому назад, и многим покажется странным, что его автором стала женщина.

Символично, что изобретательница этого уникального волокна Стефани Кволек в детстве любила шить одежду для кукол. После школы она получила специальность химика в университете Карнегги, но мечтала о медицине. Чтобы заработать средства для обучения в университете, в 1946 году девушка стала работать в знаменитом концерне DuPont, и вскоре поняла, что ее призвание – все-таки химия.

История изобретения

Как часто бывает, открытие произошло случайно. В 1964 году Кволек решала вполне конкретную задачу – пыталась создать прочное волокно, которое заменит тяжелый стальной корд в шинах.

Кевлар – полимер, существующий только и исключительно в форме волокна, – результат почти случайного открытия, сделанного в одной из лабораторий фирмы DuPont. Ведущий исследователь Стефани Кволек почему-то решила вытянуть волокно из раствора, который по всем внешним признакам для этого не подходил. Но женская интуиция победила 25-летний опыт исследователя, потому что выяснилось, что в процессе вытягивания полимер полностью реорганизовался, цепочки молекул вытянулись вдоль направления волокон и намертво сцепились между собой.

При производстве полимеров, волокна полимера обычно производят путем прядения при выдавливании жидкого расплава через мелкие отверстия – фильеры. Но полиарамид тяжело плавится, отчего было решено применить прядение из раствора. В конце концов Кволек удалось подобрать необходимый растворитель, однако раствор был мутным и жидким, а не прозрачным и густым, и на первый взгляд напоминал самогон.

Инженер-прядильщик решительно отказался заливать непонятный раствор в машину боясь засорить тонкие фильеры. Кволек с большим трудом убедила его попробовать вытянуть прядь из такого раствора. К общему удивлению, нить легко вытягивалась и была необыкновенно прочной. Полученную нить отправили на тестирование.

„Я была не уверена в результатах тестов, поэтому не сказала о них никому, чтобы не смущаться за допущенную ошибку”, – вспоминает Стефани Кволек.

Изобретательница несколько раз возвращала волокна на тестирование, чтобы убедиться в достоверности результатов. Но первоначальные цифры не изменились, тесты оказались верными. Тогда она объявила о своем открытии, а в компании DuPont поняли, что речь идет о волокнах с большим потенциалом применения.

Его плотность (1,44 г/см3) меньше, чем у стали (7,80 г/см3), но при равном весе образцов, кевлар прочнее на разрыв в пять раз. Дополнительное взаимодействие между ароматическими кольцами в разных штабелях еще больше упрочняет полимер. Вот почему он разлагается лишь при очень высокой температуре 427-482°С.

Так как название „кевлар” – это торговое название, далее будем оперировать термином „арамид”.

Свойства арамидных волокон:

К тому же ткань из арамида отличается мягкостью, гигроскопичностью и способностью к воздухообмену, и вполне комфортна при использовании. Правда, это не относится к одежде, предназначенной для работы в условиях открытого огня и высоких температур. Для повышения термостойкости арамид покрывают алюминием. Материал из такого волокна надежно защищает от мощного теплового излучения, контакта с раскаленными до 500 градусов поверхностями, а также от брызг раскаленного металла.

Следует также добавить, что этот материал довольно легок – один метр ткани весит 30-60 г, и хотя он не дешев, его прекрасные защитные свойства вполне оправдывают такие расходы. Несколько дешевле стоят защитные материалы, армированные арамидными нитями, что придает им стойкость к разрыву и абразивному истиранию. Такие ткани используют для защитных вставок в рабочей и спортивной одежде, перчаток, а также в качестве износостойких стелек.

Конечно, у арамида есть и слабое место – он хуже сопротивляется сжатию. Прочность его на сжатие в десять раз меньше, чем на разрыв. Поэтому арамид не годится на роль строительного материала. Но у него много работы в других отраслях: бронежилеты, корд для шин, панели и крылья в истребителях, бензиновые цистерны для болидов „Формулы-1”, суда и яхты. На прочных канатах и тросах из арамида, которые к тому же не ржавеют, подвешивают мосты. Из него делают огнестойкие и прочные одежду и перчатки для пожарных. И это далеко не полный перечень.

Сферы применения

Свое применение арамид находит в тех отраслях, где крайне важны стойкость к износу и термическая стабильность, низкая структурная жесткость и максимальная легкость, а также отличная прочность при низком весе. Поэтому неудивительно, что этот материал пришелся „ко двору” при изготовлении средств индивидуальной защиты, в частности бронежилетов, шлемов.