Узнайте больше об арамидных волокнистых композитах, включая ударопрочность, малый вес, жесткость, износостойкость, а также ключевые области их применения в военной и промышленной сферах.
Арамидное волокно, также известное как «поли(п-фенилентерефталамид)», обладает превосходными свойствами, такими как сверхвысокая прочность, высокий модуль упругости, устойчивость к высоким температурам, стойкость к кислотам и щелочам, а также легкий вес. Арамидное волокно было успешно разработано и коммерциализировано в 1960-х годах компанией DuPont (под торговой маркой «Кевлар»), и поэтому до появления углеродного волокна арамидное волокно доминировало на рынке высокоэффективных волокон.
1. Краткая история развития арамидного волокна.
В 1960-х годах DuPont была первой компанией в мире, которая представила и начала производить арамидное волокно под зарегистрированной торговой маркой «Кевлар». Арамидное волокно продается на рынке с 1973 года. Арамид была открыта женщиной-химиком польского происхождения Стефани Кволек, которая проводила исследования в надежде найти легкий и исключительно прочный материал, который заменит нейлон в производстве шин.
Изобретательница кевларового волокна – женщина-химик польского происхождения Стефани Кволек.
Сегодня самым известным арамидным композитным материалом является кевларовое волокно компании DuPont. Со временем другие поставщики также начали поставлять арамид под разными торговыми названиями, в том числе: Nomex от DuPont, Twaron и Technora от Teijin (Япония), Arawin от Toray (Южная Корея), Kolon от Heracron (Южная Корея) и некоторые продукты китайских компаний.
Таким образом, любой материал под названием Кевлар, Тварон или Номекс на самом деле относится к арамиду, который обладает особыми свойствами, включая отличную ударопрочность и стойкость к истиранию, устойчивость к высоким температурам и малый вес. Благодаря этим характеристикам этот материал часто используется в армии, авиации, водных видах спорта и автоспорте, а также при производстве шин, одежды, защитных перчаток и во многих других областях.
Защитные перчатки из арамидного волокна.
2.1 Высокая ударопрочность и трещиностойкость
Арамидное волокно обладает превосходной ударопрочностью и не трескается под давлением благодаря своей прочности и способности поглощать большое количество энергии. Он широко используется при производстве бронежилетов, лодок, каяков, брони для компонентов военной техники. Ударопрочность композитов из арамидного волокна в пять раз выше, чем у композитов из углеродного волокна (испытано методом удара падающим грузом). Эта исключительная ударопрочность и пуленепробиваемость обусловлены длинными атомными цепочками, образующими арамидную структуру.
Благодаря своей превосходной ударопрочности арамидные волокна широко используются в военной сфере для изготовления бронежилетов и материалов для танковой брони. Бронежилеты обычно изготавливаются из материала, состоящего из десятков слоев арамида (например, кевлара) с керамической пластиной между двумя слоями. Защитные щиты, используемые в некоторых бронемашинах, изготовлены из стали-арамидно-стального материала, выдерживающего попадание противотанковых ракет диаметром до 700 мм.
Арамидные волокна широко используются в бронежилетах.
Кроме того, сталь-арамидно-стальной щит не только защищает сам танк, но и защищает экипаж, поглощая кинетическую энергию, генерируемую проникающими ракетами. Еще одним применением кевлара является Boeing AH-64, американский военный ударный вертолет, оснащенный кевларовыми лопастями несущего винта. Здесь кевлар обеспечивает защиту от пуль диаметром до 23 мм.
Арамидные волокна обеспечивают пуленепробиваемую защиту вертолетов.
Благодаря своей высокой ударопрочности кевлар широко используется при строительстве лодок и каяков, например, в корпусах яхт, предназначенных для Volvo Ocean Race, одного из самых сложных спортивных соревнований. Большинство высокопроизводительных каяков для водных видов спорта изготовлены из арамидных волокон или композитных материалов из углеродного волокна и арамидного волокна.
Арамидные волокна защищают каяки от повреждений.
2.2 Низкая плотность/малый вес
Арамидные волокна имеют чрезвычайно малый вес, что является преимуществом при производстве композиционных материалов. Хотя композиты из углеродного волокна сами по себе считаются очень легкими, композиты из арамидного волокна примерно на 20% легче композитов из углеродного волокна. Использование арамидной ткани в композиционных материалах повышает ударопрочность и износостойкость, снижает вес композиционных компонентов.
Плотность арамидного волокна составляет примерно 1,45 г/см³, а плотность композиционного материала арамидно-эпоксидной смолы - примерно 1,3 г/см³. Этот расчет основан на смешанной плотности эпоксидной смолы и отвердителя (~1,1 г/см³) и передовой технологии, используемой в производстве композиционных материалов, а именно автоклавном препреге. В то время как композиты из углеродного волокна, которые обычно считаются очень легкими, имеют плотность около 1,55 г/см³, композиты из арамидного волокна на 20% легче.
Насколько вес композитов из арамидного волокна соотносится с весом металлов? Алюминий – 2,7 г/см³, титан – 4,5 г/см³, сталь – 7,9 г/см³. Таким образом, композиты из арамидного волокна в два раза легче алюминия, в три-четыре раза легче титана и в шесть раз легче стали.
2.3 Умеренная жесткость между стекловолокном и углеродным волокном
Композиты из арамидного волокна имеют более высокую жесткость, чем композиты из стекловолокна, но значительно ниже, чем композиты из углеродного волокна. Подобно углеродным волокнам, арамидные волокна бывают разных типов, включая стандартные, средне- и высокомодульные волокна, которые обладают различной жесткостью и прочностью.
Ниже представлена жесткость различных типов волокон:
Стеклоткань – от 72 ГПа (стандартное Е-стекло) до 87 ГПа (S-стеклоткань повышенной прочности);
Ткань из углеродного волокна – от 230 ГПа (Toray T300) до 588 ГПа (Toray HM марки M60J);
Ткань из арамидного волокна – от 96 ГПа (стандартный арамид, т.е. кевлар 129) до 186 ГПа (арамид, используемый в авиационной/аэрокосмической промышленности, т.е. кевлар 149).
Таким образом, арамидные композиты, изготовленные из стандартных тканей, имеют на 30-40% более высокую жесткость, чем композиты из стекловолокна, но на 50% ниже по сравнению с композитами из углеродного волокна.
2.4 Устойчивость к истиранию
Композиты из арамидного волокна широко используются в подверженных износу компонентах, таких как защитные пластины, защищающие двигатели гоночных автомобилей. Арамид обычно используется в добывающих отраслях (например, в горнодобывающей) для армирования резиновых конвейерных лент, обеспечивая более высокую прочность и стойкость к истиранию. По словам производителя кевлара, такое армирование позволяет повысить стойкость к истиранию на 50-70%. Благодаря этим свойствам материал можно использовать в композитах, а также в спецодежде, например, в устойчивых к порезам защитных перчатках из арамидных тканей, таких как тварон или кевлар. 2.5 Низкая диэлектрическая проницаемость
Композиты из арамидного волокна имеют низкую диэлектрическую постоянную, составляющую примерно 3,85 (на частоте 10 ГГц), что обеспечивает хорошее проникновение и прочность сигнала через арамидный защитный кожух/обтекатель. Антенны этого типа широко используются в военных целях, например, на военных самолетах.
Арамидные волокна, используемые в военных обтекателях
Композитные корпуса/обтекатели из арамидного волокна защищают антенны от повреждений и обеспечивают хорошую передачу сигнала. Напротив, композиты из стекловолокна E имеют диэлектрическую проницаемость 6,1 (на частоте 10 ГГц), что приводит к снижению мощности и производительности сигнала антенны на 60%. Помимо арамида, также используется кварцевое волокно с диэлектрической проницаемостью 3,78 (на частоте 10 ГГц).
2.6 Другие характеристики
Арамидные волокна имеют низкие характеристики теплового расширения, очень стабильны при высоких температурах, практически с нулевым тепловым расширением и слегка отрицательным коэффициентом теплового расширения, эквивалентным (-2,4 x 10⁻⁶ /°C). Арамидные волокна являются отличными изоляторами и не проводят электричество.
Особое свойство композитов из арамидного волокна связано с поглощением вибрации, что делает их пригодными для изготовления компонентов, выдерживающих вибрацию, например, компонентов конструкции самолетов.
2.7 Смешанные композиты с другими тканями
Ткани из арамидного волокна можно параметрически регулировать по мере необходимости для использования в композитах из углеродного волокна и стекловолокна, что предоставляет поставщикам композитных изделий широкий спектр возможностей.
Ударопрочность композитов из углеродного волокна можно улучшить, добавив несколько слоев ткани из арамидного волокна. Гибридные композиты, состоящие из 50% углеродного волокна и 50% арамидного волокна, демонстрируют улучшение ударопрочности до 25% по сравнению с композитами, изготовленными исключительно из углеродного волокна.
Гибридная ткань из арамидного и углеродного волокна.
