Что такое кевлар

Свойства арамидных волокон

Кроме высокой прочности, кевлар обладает множеством других уникальных свойств, а именно:

  • при контакте с огнем и высокими температурами это волокно не горит, не дымится и не плавится;
  • кевлар не токсичен и не взрывоопасен;
  • температура его терморазложения составляет 430-450 градусов;
  • прочность армидных волокон начинает постепенно снижаться при нагреве более 150 градусов;
  • при замерзании кевлар становится только прочнее, он способен выдерживать криогенные температуры (до -200 градусов);
  • этот материал является электроизолятором.

Что такое кевларК тому же ткань из кевлара 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 кевлар 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 (от 30 долларов за квадратный метр), его прекрасные защитные свойства вполне оправдывают такие расходы. Несколько дешевле стоят защитные материалы, армированные кевларовыми 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. Уход за изделиями из них чрезвычайно прост. Их не следует: 

  • часто стирать;
  • чистить химическими реагентами;
  • подвергать действию солнечных лучей.

Composite materials

Aramid fibers are widely used for reinforcing composite materials, often in combination with carbon fiber and glass fiber. The matrix for high performance composites is usually epoxy resin. Typical applications include monocoque bodies for F1 racing cars, helicopter rotor blades, tennis, table tennis, badminton and squash rackets, kayaks, cricket bats, and field hockey, ice hockey and lacrosse sticks.

Kevlar is an alternative in certain parts of light aircraft construction. The wing leading edge is one application, Kevlar being less prone than carbon or glass fiber to break in bird collision.

Кевлар — это… Что такое Кевлар

Кевла́р (англ. Kevlar) — торговая марка пара-арамидного (полипарафенилен-терефталамид) волокна, выпускаемого фирмой DuPont. Кевлар обладает высокой прочностью (в пять раз прочнее стали, предел прочности σ0= 3620 МПа). Впервые кевлар был получен группой Стефани Кволек в 1964, технология производства разработана в 1965 году, с начала 1970-x годов начато коммерческое производство.

Применение

Изначально материал разрабатывался для армирования автомобильных шин, в этом качестве он используется и теперь. Кроме того, кевлар используют как армирующее волокно в композитных материалах, которые получаются прочными и лёгкими.

Кевлар используется для армирования медных и волоконно-оптических кабелей (нитка по всей длине кабеля, предотвращающая растяжение и разрыв кабеля), в диффузорах акустических динамиков и в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп.

Кевларовое волокно также используется в качестве армирующего компонента в смешанных тканях, придающего изделиям из них стойкость по отношению к абразивным и режущим воздействиям, из таких тканей изготовляются, в частности, защитные перчатки и защитные вставки в спортивную одежду (для мотоспорта, сноубординга и т. п.). Также он используется в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек.

Средства индивидуальной бронезащиты

Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) — бронежилетов и бронешлемов. Исследования второй половины 1970-х годов показали, что волокно марки кевлар-29 и его последующие модификации при использовании в виде многослойных тканевых и пластиковых (тканевополимерных) преград показывает наилучшее сочетание скорости поглощения энергии и длительности взаимодействия с ударником, обеспечивая тем самым относительно высокие, при данной массе преграды, показатели противопульной и противоосколочной стойкости. Это одно из самых известных применений кевлара.

В 1970-е годы одним из наиболее значительных достижений в разработке бронежилетов стало применение армирующего волокна из кевлара. Разработка бронежилета из кевлара Национальным институтом правосудия (англ. National Institute of Justice) происходила в течение нескольких лет в четыре этапа. На первом этапе волокно тестировалось, чтобы определить, способно ли оно остановить пулю. Второй этап заключался в определении количества слоев материала, необходимого для предотвращения пробивания пулями различного калибра и летящими с разной скоростью, и разработке прототипа жилета, способного защищать сотрудников от наиболее распространенных угроз: пуль калибра .38 Special и .22 Long Rifle. К 1973 году был разработан жилет из семи слоев волокна из кевлара для полевых испытаний. Было установлено, что при намокании защитные свойства кевлара ухудшались. Способность защищать от пуль также уменьшалась после воздействия ультрафиолета, в том числе солнечного света. Химчистка и отбеливатели также негативно сказывались на защитных свойствах ткани, также как и неоднократные стирки. Чтобы обойти эти проблемы, был разработан водостойкий жилет, имеющий покрытие из ткани для предотвращения воздействия солнечных лучей и других отрицательно влияющих факторов.

Судостроение

В последнее десятилетие кевлар получил распространение в судостроении. Из-за технологических сложностей и цены на кевлар, его применяют выборочно. Например, только в килевой части или по швам. Многие производители (такие, как верфи BAIA Yachts, Blue water, Danish yacht, Zeelander Yachts), делая в год не очень большое количество яхт, планомерно переходят на использование кевлара.

Температурные свойства

Кевлар сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (−196 °C), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее.

При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430—480 °C). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры. При повышенных температурах (более 150 °C) прочность кевлара уменьшается с течением времени. Например, при температуре 160 °C прочность на разрыв уменьшается на 10—20 % после 500 часов. При 250 °C кевлар теряет 50 % своей прочности за 70 часов.

Литература и источники

О. Лисов. Кевлар — перспективный материал военного назначения // «Зарубежное военное обозрение», № 2, 1986. стр.89-90.

Применение

Изначально материал разрабатывался для армирования , для чего он используется и по сей день. Кроме того, кевлар используют как армирующее волокно в , которые получаются прочными и лёгкими.

Кевлар используется для армирования медных и волоконно-оптических кабелей (нитка по всей длине кабеля, предотвращающая растяжение и разрыв кабеля), в акустических и в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп.

Кевларовое волокно также используется в качестве армирующего компонента в , придающего изделиям из них стойкость по отношению к абразивным и режущим воздействиям, из таких тканей изготовляются, в частности, защитные перчатки и защитные вставки в спортивную одежду (для , и т. п.). Также он используется в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек.

Средства индивидуальной бронезащиты

Что такое кевлар

Органотекстолит на основе ткани кевлара для защитных элементов бронежилета ()

Что такое кевлар

Фрагменты тканевополимерного шлема из кевлара, использованного в бою для поглощения энергии взрыва ручной гранаты, северо-восточный Ирак, 2004. Личный состав отделения спасен, капрал Данэм, закрывший шлемом гранату, погиб.

Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) — и . Исследования второй половины 1970-х годов показали, что волокно марки кевлар-29 и его последующие модификации при использовании в виде многослойных тканевых и пластиковых (тканевополимерных) преград дают наилучшее сочетание скорости поглощения энергии и длительности взаимодействия с ударником, обеспечивая тем самым относительно высокие, при данной массе преграды, показатели противопульной и противоосколочной стойкости. Это одно из самых известных применений кевлара.

Кевлар обладает сравнительно небольшим весом, при этом значительной силой внутреннего трения, которая позволяет быстро рассеивать кинетическую энергию при столкновении, превращая её в тепловую. При этом он из-за своей тонкости не способен остановить острые и тяжёлые предметы, обладающие большим импульсом, к примеру, винтовочную пулю или лезвие штыка. По этой причине в современных армейских бронежилетах его комбинируют с дополнительными защитными пластинами из стали, титана или керамики, которые недолговечны, но способны спасти жизнь солдату в бою, а также с амортизирующими элементами для уменьшения заброневых действий снарядов.

В 1970-е годы одним из наиболее значительных достижений в разработке бронежилетов стало применение армирующего волокна из кевлара. Разработка бронежилета из кевлара Национальным институтом правосудия США ( National Institute of Justice) происходила в течение нескольких лет в четыре этапа. На первом этапе волокно тестировалось, чтобы определить, способно ли оно остановить пулю. Второй этап заключался в определении количества слоев материала, необходимого для предотвращения пробивания пулями различного калибра и летящими с разной скоростью, и разработке прототипа жилета, способного защищать сотрудников от наиболее распространенных угроз: пуль калибра и . К 1973 году был разработан жилет из семи слоев волокна из кевлара для полевых испытаний. Было установлено, что при намокании защитные свойства кевлара ухудшались. Способность защищать от пуль также уменьшалась после воздействия ультрафиолета, в том числе солнечного света. Химчистка и отбеливатели также негативно сказывались на защитных свойствах ткани, так же, как и неоднократные стирки. Чтобы обойти эти проблемы, был разработан водостойкий жилет, имеющий покрытие из ткани для предотвращения воздействия солнечных лучей и других отрицательно влияющих факторов.

Судостроение

С начала кевлар получил распространение в судостроении. Из-за технологических сложностей и цены на кевлар его применяют выборочно. Например, только в килевой части или по швам. Многие производители (такие, как верфи BAIA Yachts, Blue water, Dolphin, Danish yacht, Zeelander Yachts), делая в год не очень большое количество яхт, планомерно переходят на использование кевлара. Одним из лидеров в производстве яхт из кевлара считается[кем?] итальянская верфь Cranchi, которая производит яхты из кевлара размером от 11 до 21 метра.

References

  1. ^
  2. Tatsuya Hongū, Glyn O. Phillips, New Fibers, Ellis Horwood, 1990, p. 22
  3. J. K. Fink, Handbook of Engineering and Specialty Thermoplastics: Polyolefins and Styrenics, Scrivener Publishing, 2010, p. 35
  4. ^
  5. Quintanilla, J. (1990). «Microstructure and properties of random heterogeneous materials : a review of theoretical results». Polymer Engineering and Science. 39: 559–585.
  6. Michael C. Petty, Molecular electronics: from principles to practice, John Wiley & Sons, 2007, p. 310
  7. ^
  8. Pagen, Dennis (1990), Paragliding Flight: Walking on Air, Pagen Books, p. 9, ISBN 978-0-936310-09-1
  9. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tom_Ritchey
  10. M.Rubinstein, R.H.Colby, Polymer Physics, Oxford University Press, p337
  11. Kadolph, Sara J. Anna L. Langford. Textiles, Ninth Edition. Pearson Education, Inc 2002. Upper Saddle River, NJ
  12. Ronald V. Joven. Manufacturing Kevlar panels by thermo-curing process. Los Andes University, 2007. Bogotá, Colombia.

Production

Kevlar is synthesized in solution from the monomers 1,4-phenylene-diamine (para-phenylenediamine) and terephthaloyl chloride in a condensation reaction yielding hydrochloric acid as a byproduct. The result has liquid-crystalline behavior, and mechanical drawing orients the polymer chains in the fiber’s direction. Hexamethylphosphoramide (HMPA) was the solvent initially used for the polymerization, but for safety reasons, DuPont replaced it by a solution of N-methyl-pyrrolidone and calcium chloride. As this process had been patented by Akzo (see above) in the production of Twaron, a patent war ensued.

The reaction of 1,4-phenylene-diamine (para-phenylenediamine) with terephthaloyl chloride yielding Kevlar

Kevlar (poly paraphenylene terephthalamide) production is expensive because of the difficulties arising from using concentrated sulfuric acid, needed to keep the water-insoluble polymer in solution during its synthesis and spinning.[citation needed]

Several grades of Kevlar are available:

Kevlar K-29 – in industrial applications, such as cables, asbestos replacement, brake linings, and body/vehicle armor.
Kevlar K49 – high modulus used in cable and rope products.
Kevlar K100 – colored version of Kevlar
Kevlar K119 – higher-elongation, flexible and more fatigue resistant
Kevlar K129 – higher tenacity for ballistic applications
Kevlar AP – 15% higher tensile strength than K-29
Kevlar XP – lighter weight resin and KM2 plus fiber combination
Kevlar KM2 – enhanced ballistic resistance for armor applications

The ultraviolet component of sunlight degrades and decomposes Kevlar, a problem known as UV degradation, and so it is rarely used outdoors without protection against sunlight.

Structure and properties

Molecular structure of Kevlar: bold represents a monomer unit, dashed lines indicate hydrogen bonds.

When Kevlar is spun, the resulting fiber has a tensile strength of about 3,620 MPa, and a relative density of 1.44. The polymer owes its high strength to the many inter-chain bonds. These inter-molecular hydrogen bonds form between the carbonyl groups and NH centers. Additional strength is derived from aromatic stacking interactions between adjacent strands. These interactions have a greater influence on Kevlar than the van der Waals interactions and chain length that typically influence the properties of other synthetic polymers and fibers such as Dyneema. The presence of salts and certain other impurities, especially calcium, could interfere with the strand interactions and care is taken to avoid inclusion in its production. Kevlar’s structure consists of relatively rigid molecules which tend to form mostly planar sheet-like structures rather like silk protein.

Где применяется кевлар

Данное высокопрочное волокно находит самое разнообразное применение – от авиационной и космической промышленности до спортивной и туристической одежды. На рынок кевлар поступает в виде нитей, корда, ткани, а также как составляющая композитных и смесовых материалов. Основными способами его применения являются:

Что такое кевлар

  • производство армированных шин;
  • изготовление медных и оптоволоконных кабелей;
  • гидротехнические и газотехнические системы высокого давления;
  • авиационная и космическая техника;
  • кораблестроение;
  • протезирование и ортопедические изделия;
  • средства индивидуальной защиты для армии, силовых структур, лиц, работающих в экстремальных условиях;
  • спортивная одежда и оборудование.

Без сомнения, в ближайшем будущем можно ожидать как совершенствования этого замечательного материала, так и новых возможностей его применения.

History

Stephanie Kwolek, an American chemist of Polish origin, inventor of kevlar

Poly-paraphenylene terephthalamide – branded Kevlar – was invented by Polish-American chemist Stephanie Kwolek while working for DuPont, in anticipation of a gasoline shortage. In 1964, her group began searching for a new lightweight strong fiber to use for light but strong tires. The polymers she had been working with at the time, poly-p-phenylene-terephthalate and polybenzamide, formed liquid crystal while in solution, something unique to those polymers at the time.

The solution was «cloudy, opalescent upon being stirred, and of low viscosity» and usually was thrown away. However, Kwolek persuaded the technician, Charles Smullen, who ran the spinneret, to test her solution, and was amazed to find that the fiber did not break, unlike nylon. Her supervisor and her laboratory director understood the significance of her discovery and a new field of polymer chemistry quickly arose. By 1971, modern Kevlar was introduced. However, Kwolek was not very involved in developing the applications of Kevlar.

Температурные свойства

Кевлар сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (−196 °C), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее.

При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430—480 °C). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры. При повышенных температурах (более 150 °C) прочность кевлара уменьшается с течением времени. Например, при температуре 160 °C прочность на разрыв уменьшается на 10—20 % после 500 часов. При 250 °C кевлар теряет 50 % своей прочности за 70 часов.

Кевлар и углеродное волокно Сходства и различия

Подробности
Просмотров: 2458

Кевлар и углеродное волокно: Сходства и различия

Кевлар и углеродное волокно – это прочные и легкие композитные материалы, широко известные и повсеместно применяемые в наши дни. Их часто используют в сферах, где важна высокая эффективность и прочность, например, в авиации, спортивных автомобилях высокого класса, а также при изготовлении высокопрочных бронежилетов. Хотя оба эти материала часто используются вместе, они обладают отличными друг от друга качествами.

Конструкция

Углеродное волокно – это, по сути, ткань, сплетенная из тонких нитей графита. Нити выкладываются на форму и прикрепляются друг к другу при помощи эпоксидной смолы. Перекрестное размещение нитей обеспечивает максимальную прочность материала и создает визуальный «клетчатый» вид готового изделия. Кевлар же создается на микроскопическом уровне, в процессе сцепления искусственных молекул в жесткий полимерный кристалл; в результате можно сплести нити либо получить жидкость.

Прочность

Как углеродное волокно, так и кевлар – особо прочные материалы с небольшим отличием друг от друга. Кевлар – чрезвычайно жесткий материал, до такой степени, что под давлением начинает деформироваться, причем довольно быстро. Углеродное волокно, из-за своего плетеного строения, можно легко проткнуть, но зато оно практически невосприимчиво к высокой температуре (в отличие от кевлара).

Вес

Компоненты углеродного волокна очень легкие: плетеная конструкция подразумевает, что материалы из углеродного волокна могут быть очень тонкими, если в результате не требуется высокая прочность. Поэтому углеродное волокно часто применяется при создании легких летательных аппаратов или гоночных машин. Если же необходима особая прочность, то на слой углеродного волокна накладывают кевлар, укрепляя его; в пример можно привести создание защитного снаряжения типа шлемов для мотоциклов.

Гибкость

Как правило, кевлар – это негибкий материал. Т.к. при давлении извне и изменении формы вещи, изготовленной из кевлара, нарушается его структура и прочность, то обычно эти вещи делают весьма жесткими. Касается это, как правило, бронежилетов, которые предназначены для торможения летящих предметов (пуль) при максимально возможном ослаблении воздействия удара на тело человека. В зависимости от толщины ткани углеродного волокна, предметы из него могут быть весьма гибкими. Именно его гибкость часто помогает ослабить силу удара; применимо это при производстве легко отрывающихся предметов, например панелей автомобилей.

  • Назад

  • Вперёд

Ссылка на основную публикацию