Aramid / Kevlar ist ein Material, das einzigartige Eigenschaften wie außergewöhnliche Festigkeit und sehr geringes Gewicht bietet.

Obwohl es manchmal mit Kohlefaser verglichen wird, gibt es sehr wichtige Unterschiede zwischen Aramid und Kohlefaser. Tatsächlich ist es nicht nur die Farbe, die Aramid von Kohlenstofffasern unterscheidet – Aramid ist gelb, während Kohlenstofffasern schwarz sind. Beide Materialien haben unterschiedliche Eigenschaften und eignen sich für verschiedene industrielle Anforderungen.

Mehr über Kohlefaserverbundwerkstoffe und ihre Eigenschaften erfahren Sie im Artikel „Kohlefaserverbundwerkstoffe“.

In diesem Artikel werden die Eigenschaften von Aramidfaserverbundwerkstoffen, ihre Vor- und Nachteile sowie praktische Beispiele für den Einsatz in verschiedenen Industriezweigen und Fertigprodukte analysiert.

Geschichte

Aramid bezieht sich auf bestimmte Materialien, die unter verschiedenen Handelsnamen erhältlich sind.

Dupont war das erste Unternehmen, das Aramid in den 60er Jahren unter dem eingetragenen Warenzeichen Kevlar einführte und herstellte, und es ist seit 1973 auf dem Markt erhältlich. Entdeckt wurde Aramid von der polnischstämmigen Chemikerin Stefania Kwolek, die nach einem leichten und außergewöhnlich starken Material forschte, das anstelle von Nylon bei der Herstellung von Reifen verwendet werden sollte.

Heute ist Kevlar der bekannteste aller Aramid-Verbundstoffe.

Mit der Zeit nahmen auch andere Unternehmen die Produktion auf und begannen, Aramid mit leicht abweichenden Merkmalen, aber ähnlichen Haupteigenschaften zu liefern.

Aramid wird von anderen Anbietern auch unter verschiedenen Handelsnamen geliefert, darunter: Nomex von Dupont, Twaron und Technora von Teijin in Japan, Arawin von Toray in Korea, Kolon von Heracron in Korea sowie einige andere von chinesischen Unternehmen.

Alles, was Kevlar, Twaron oder Nomex genannt wird, bezieht sich eigentlich auf Aramid und zeichnet sich durch außergewöhnliche Eigenschaften aus, wie z.B. außergewöhnliche Schlag- und Abriebfestigkeit, Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und geringes Gewicht. Dank dieser Eigenschaften wird dieses Material regelmäßig von der Armee, der Luftwaffe, im Wasser- und Motorsport sowie bei der Herstellung von Reifen, Kleidung und Schutzhandschuhen und vielen anderen Anwendungen eingesetzt. Die Zahl der Anwendungen wächst jedes Jahr.

Welche Eigenschaften hat Aramid/Kevlar?

Aramid in Form von Kevlar oder Nomex ist ein Strukturmaterial, das einige Vor- und Nachteile bietet. Im Folgenden werden die wesentlichen Eigenschaften von Aramid-Verbundwerkstoffen und Aramid-Trockenfasern beschrieben.

Vorteile von Aramid-Verbundwerkstoffen

Hohe Schlag- und Rissfestigkeit

Aramid zeichnet sich durch eine außergewöhnliche Schlagfestigkeit aus und reißt unter Druck nicht, da es zäh ist und eine erhebliche Energieaufnahme ermöglicht. Es wird häufig für die Herstellung von kugelsicheren Westen, Booten, Kajaks sowie für die Panzerung von Komponenten in Militärfahrzeugen verwendet.

Verbundwerkstoffe aus Aramid haben eine 5-mal höhere Schlagfestigkeit als Kohlefaserverbundwerkstoffe (Testfallgewicht). Diese außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegen Aufprall oder Kugeln ist das Ergebnis der langen Atomketten, die die Struktur von Aramid bilden.
Dank dieser Eigenschaften wird dieses Material häufig für militärische Zwecke bei der Herstellung von kugelsicheren Westen und Panzerungsmaterial verwendet.

Kugelsichere Westen sind aus Material, das aus mehreren Dutzend Schichten von Aramid (z. B. Kevlar) und enthalten eine Keramikplatte zwischen den Schichten. Schilde, die in einigen gepanzerten Fahrzeugen wie dem US-Panzer M1 verwendet werden, bestehen aus einem Material, dessen Struktur aus Stahl-Aramid-Stahl besteht, um gegen Panzerabwehrraketen mit einem Durchmesser von bis zu 700 mm zu schützen. Zusätzlich zum Schutz des Panzers selbst schützen die Stahl-Aramid-Stahl-Panzerschilde auch die Besatzung, indem sie die kinetische Energie absorbieren, die von der eindringenden Rakete erzeugt wird.

Eine weitere Anwendung von Kevlar ist der Boeing AH-64 – der primäre Kampfhubschrauber der US-Armee, der mit Kevlar-Rotoren ausgestattet ist. Hier bietet Kevlar Schutz gegen Kugeln mit einem Durchmesser von bis zu 23 mm.

Dank der hohen Stoßfestigkeit wird Kevlar häufig für den Bau von Booten und Kajaks verwendet, z. B. für die Rümpfe von Yachten, die für das Volvo Ocean Race, eine der härtesten sportlichen Herausforderungen, entworfen wurden. Die meisten Hochleistungskajaks für den Wassersport werden aus Kevlar oder aus Kohlefaser/Kevlar-Hybriden hergestellt.

Niedrige Dichte/geringes Gewicht

Aramidfasern zeichnen sich durch ein extrem geringes Gewicht aus, was bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen von Vorteil ist.

Aramidverbundwerkstoffe sind etwa 20 % leichter als Kohlefaserverbundwerkstoffe, die selbst als sehr leicht gelten. Die Verwendung von Aramidgeweben in Verbundwerkstoffen erhöht die Schlag- und Abriebfestigkeit und sorgt für ein geringeres Gewicht der Verbundelemente.

Aramidfasern haben eine Dichte von ~ 1,45 g/cm3, während Aramidverbundwerkstoffe aus Aramid und Epoxidharz eine Dichte von ~ 1,3 g/cm3 haben. Diese Berechnung basierte auf der Dichte des mit Härter gemischten Epoxidharzes ~1,1 g/cm3 sowie einer fortschrittlichen Technologie, die bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs eingesetzt wird, nämlich Prepreg mit Autoklav.

Im Vergleich dazu haben Kohlenstofffasern, die als sehr leicht gelten, eine Dichte von Kohlenstoffverbundwerkstoffen – Kohlenstofffaser und Epoxidharz – von 1.55 g/cm3.

Mit anderen Worten sind Aramidfaser-Verbundwerkstoffe etwa 20 % leichter als Kohlefaser-Verbundwerkstoffe.

Wie steht es um den Vergleich des Gewichts von Aramid-Verbundwerkstoffen mit Metallen?
Aramid-Verbundwerkstoffe haben eine Dichte von 1,3 g/cm3. Bei Aluminium liegt sie bei 2,7 g/cm3, bei Titan bei 4,5 g/cm3 und bei Stahl bei 7,9 g/cm3.
Mit anderen Worten: Aramid-Verbundwerkstoffe sind 2 mal leichter als Aluminium, 3 oder 4 mal leichter als Titan und sogar 6 mal leichter als Stahl.

Mäßige Steifigkeit – füllt die Lücke zwischen Glasfaser und Kohlefaser

Aramid-Verbundwerkstoffe haben eine höhere Steifigkeit als Glasfaser-Verbundwerkstoffe und eine deutlich geringere als Kohlefaser-Verbundwerkstoffe.
Es gibt viele Arten von Fasern, einschließlich Kohlenstoff- und Aramidfasern – z.B. von Standard-, moderaten und hohen Modulen, die unterschiedliche Steifigkeit und Festigkeit bieten und zu unterschiedlichen Preisen erhältlich sind. Die folgende Tabelle gibt die Steifigkeit bestimmter Fasern an: Glasfaser, Kohlefaser und Aramidfaser. Die Messung des Elastizitätsmoduls erfolgte in Längsrichtung.

Steifigkeit der verschiedenen Verbundfasern:

• Glasfasergewebe – von 72 GPa (Standard E-Glas) bis 87 GPa (S-Glasgewebe mit erhöhter Festigkeit).
• Kohlenstofffasergewebe – von 230 GPa (Standardgewebe für die Herstellung von Verbundwerkstoffen – Toray T300 ) bis zu 590 GPa (HM-Klasse Toray M60J).
• Aramidfasergewebe – von 96 GPa (Standard-Aramidgewebe, das in Verbundwerkstoffen verwendet wird – nämlich Kevlar 129) bis zu – 186 GPa (Aramidgewebe, nämlich Kevlar 149, das in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird).

Zusammenfassend können wir feststellen, dass Aramid-Verbundwerkstoffe, die aus Standardgeweben hergestellt werden, eine Steifigkeit aufweisen, die etwa 30-40% höher ist als die von Glasfaser-Verbundwerkstoffen und deren Leistung im Vergleich zu Kohlefaser-Verbundwerkstoffen – die eine um 50% geringere Steifigkeit als Kohlefaser-Verbundwerkstoffe aufweisen – erheblich eingeschränkt ist.

geringe Wärmeausdehnung

Aramid ist sehr stabil, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird, mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von fast Null und leicht negativ, der (-2,4 x 10-6/°C) entspricht.

nicht leitend

Aramid ist ein guter Isolator und leitet keinen Strom.

Abriebfestigkeit

Aramid-Verbundwerkstoffe werden häufig für Teile und Komponenten verwendet, die dem Abrieb ausgesetzt sind, z.B. eine Gleitplatte, die den Motor eines Rennwagens schützt.
Aramid wird häufig von der Förderindustrie (z.B. Bergbau) zur Verstärkung von gummierten Förderbändern verwendet und gewährleistet eine höhere Festigkeit und Abriebfestigkeit, die nach Angaben des Kevlar-Herstellers um 50-70 % verbessert werden kann.
Dank dieser Eigenschaften wird das Material in Verbundwerkstoffen sowie in Arbeitskleidung verwendet, z. B. in schnittfesten Sicherheitshandschuhen, bei denen Aramidgewebe verwendet werden, z. B. Twaron oder Kevlar.

Schwingungsdämpfung

Eine besondere Eigenschaft von Aramid-Verbundwerkstoffen ist die Schwingungsdämpfung, weshalb Aramid für die Herstellung von Bauteilen verwendet wird, die Schwingungen ausgesetzt sind, z. B. Flugzeugbauteile.

Niedrige Dielektrizitätskonstante

Aramid-Verbundwerkstoff hat eine niedrige Dielektrizitätskonstante von ~3,85 (10 GHz), die eine gute Leistung und Stärke des Signals gewährleistet, das Aramid-Schutzhüllen/Luftradome durchdringt. Diese Art von Antenne wird häufig für militärische Zwecke verwendet, z. B. in Militärflugzeugen. Aramidgehäuse schützen Antennen vor Beschädigungen und gewährleisten eine gute Signalleistung.

Im Vergleich dazu bietet E-Glasfaser-Verbundstoff eine elektrische Permittivität, die 6,1 (10 GHz) entspricht, was zu einer um 60 % geringeren Signalstärke und Leistung der Antenne führt.
Neben Aramid werden auch Quarzgewebe verwendet, die eine Dielektrizitätskonstante von 3,78 (10 GHz) aufweisen.

Verwendung mit anderen Geweben und Herstellung von hybriden Verbundwerkstoffen

Aramidgewebe können in Kohlefaser- und Glasfaserverbundwerkstoffen verwendet werden, indem die Parameter je nach Bedarf geändert werden, was den Anbietern von Verbundwerkstoffprodukten viele Möglichkeiten bietet.
Bei Kohlefaserverbundwerkstoffen kann die Schlagfestigkeit durch Hinzufügen einiger Lagen Aramidgewebe verbessert werden.

Hybrid-Verbundwerkstoffe, die aus einer Kombination von Geweben, nämlich 50 % Kohlenstofffasern und 50 % Aramidfasern, hergestellt werden, bieten eine um 100-125 % verbesserte Schlagfestigkeit im Vergleich zu Verbundwerkstoffen, die nur aus Kohlenstofffasern bestehen.
Andere Anwendungsbeispiele sind einige Lagen Aramid an Stellen, an denen gebohrt wird, um eine Verstärkung zu gewährleisten und das Risiko einer Beschädigung/Rissbildung des Verbundstoffs um Löcher herum während des Betriebs oder infolge von Vibrationen zu verringern.

Nachteile von Aramid-Verbundwerkstoffen

Wasser-/Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit

Aramidfasern haben eine relativ hohe Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit (bis zu 6 % ihres Gewichts), daher müssen Aramid-Verbundwerkstoffe entsprechend geschützt werden – in der Regel mit einer Deckschicht, um die Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit zu verringern. Bei Verbundwerkstoffen, die mit Wasser in Berührung kommen, werden außerdem einige Aramidarten verwendet, die eine geringere Wasseraufnahmefähigkeit haben, z. B. Kevlar 149 oder Armos.

Interessant ist, dass Standard-Aramidgewebe eine so hohe Saugfähigkeit haben und diese Eigenschaften Schutz vor Verbrennungen und Verbrühungen bieten. Dieses Material wird sehr häufig bei pyrotechnischen Vorführungen verwendet, wenn es mit Paraffin getränkt wird. Dank seiner einzigartigen Eigenschaften sorgt Aramid für die Absorption von Paraffin, zersetzt sich aber nicht während der Verbrennung und ist beständig gegen hohe Temperaturen.

Um die Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Mikrorisse in der Oberfläche von Aramid-Verbundstoffen zu verbessern, wird sehr oft eine Lage Glasgewebe hinzugefügt, um die Haftung der Deckschichten zu verbessern und spätere Reparaturen der Deckschichten zu erleichtern.

Schwierige Behandlung und Verarbeitung

Aramidfasern sind schwer zu schneiden. Daher kann sich der Herstellungsprozess von Verbundwerkstoffen, die Aramidgewebe enthalten, als sehr anspruchsvoller Prozess erweisen. Folglich ist es schwierig, sowohl trockene Aramidgewebe als auch fertige Aramidverbundwerkstoffe aus Aramidgeweben und z. B. Epoxidharzen zu schneiden.

Das Schneiden von trockenen Geweben ist mit Hilfe von Lasern oder speziellen, für diesen Zweck entwickelten Schneidgeräten möglich. Das Schneiden von fertigen Aramid-Verbundstoffen ist mit Wasserstrahlschneiden oder Schneidegeräten mit speziell entwickelten Hartmetall- oder Diamantwerkzeugen möglich. Beachten Sie, dass die Verwendung von Schneidwerkzeugen zu leicht ausgefransten Verbundstoffkanten führt.

Bei der Herstellung von Aramid-Verbundstoffen werden bereits in der Entwurfsphase einige Änderungen und Modifikationen vorgenommen, um die Formen entsprechend anzupassen und den nach der Entformung erforderlichen Schneidaufwand zu verringern. Manchmal wird an Stellen, an denen ein Schneiden erforderlich ist, eine Schicht mit Hybridgeweben vorgesehen, d. h. eine Schicht mit Kohlenstofffasern (50 %) und Aramidfasern (50 %).

Aramidfasern haben im Vergleich zu Glas- oder Kohlenstofffasern eine bescheidene Bindung und eine bescheidene Harzpenetration. Daher wird für die Herstellung von Aramid-Verbundwerkstoffen die Verwendung von Epoxidharzen empfohlen, die eine bessere Leistung für die Bindung von Aramidgewebeschichten bieten.

UV-bedingter Abbau

Aramidfasern haben eine schlechte Beständigkeit gegen UV-Strahlung.
UV-Strahlung (Sonnenlicht) verursacht den Abbau von Aramidfasern. Daher ist ein Schutz erforderlich, der aus einer Deckschicht oder einer Materialschicht bestehen kann, z. B. sind Aramidfasern in der Regel von einer Schutzhülle umgeben.

Hohe Kosten

Aramid ist ein kostspieliges Material mit einem ähnlichen Preis wie Kohlefaser. Daher wird es für spezielle Zwecke verwendet, bei denen eine außergewöhnliche Schlag- und Abriebfestigkeit sowie ein geringes Gewicht des Endprodukts erforderlich sind. Ein Quadratmeter fertiges Prepreg mit einem Gewicht von 200 g/m2, das für die Herstellung von Verbundwerkstoffen bestimmt ist, kostet etwa 30-40 EUR pro Quadratmeter.

Niedrige Druckfestigkeit

Aramidfasern bieten eine geringere Druckfestigkeit als Glasfasern oder Kohlenstofffasern, daher werden Hybridgewebe häufig in Bauteilen verwendet, die einer hohen Druckbelastung ausgesetzt sind, wie z. B. eine Struktur, die eine Kombination aus Aramid- und Kohlenstofffasern enthält.

Aramidverwendung

In der Praxis findet Aramid viele Anwendungen. Hier sind einige Beispiele:

Verwendung von Aramid in Verbundwerkstoffen – Aramid-Verbundwerkstoffe:

• Kugelsichere Westen.
• Motorsport und Schutz von Komponenten, die Abrieb/Aufprall ausgesetzt sind – z.B. Radkästen, Gleitplatten.
• Flugzeugkörper (oft Carbon-Kevlar-Hybrid), Rotoren, Panzerung.
• Gepäckfächer von Flugzeugen.
• Militärische Flugzeugradome, die spezifische dielektrische Eigenschaften haben.
• Surfbretter.
• Kajaks.
• Schiffsrümpfe.
• LPG-Zylinder – das Gewicht ist 70 % niedriger als bei Stahl und bieten eine bessere Stoßfestigkeit als Kohlefaser – z.z.B. Low8.

Verwendung von Aramid in trockenen Geweben:

• Schutzkleidung – einschließlich schwer entflammbarer Kleidung, wie z.B. Militärkleidung (z.B. a2cu ), Feuerwehrkleidung oder für die Formel 1 und NASCAR entwickelte Kleidung (meist Nomex).

  

• Schneidfeste Sicherheitshandschuhe.
• Verstärkung gummierter Komponenten z.z. B. Zahnriemen.
• Reifenverstärkung.
• Seile.
• Optische Kabel, die mit einer Aramidfaserauskleidung versehen sind, die Risse verhindert und vor kurzzeitigem Kontakt mit Feuer schützt.
• Segeltuch.
• Trommelfelle.
• Aramidpapier, das in Waben verwendet wird.

Zusammenfassung
Aramid bietet außergewöhnliche Eigenschaften und Leistungen in Bezug auf Schlag-, Abrieb- und Schnittfestigkeit sowie ein extrem geringes Gewicht, das 20 % niedriger ist als das von Kohlefaser.
Gleichzeitig weist dieses Material einige Nachteile auf, wie z.B. die schwierige Be- und Verarbeitung oder die Feuchtigkeitsaufnahme.

Wir hoffen, dass die Lektüre dieses Papiers es jedem ermöglicht, mehr über die Vor- und Nachteile zu erfahren, und dazu beiträgt, dass es von Ingenieuren und Designern optimal genutzt wird.

Herstellung von Aramid-Verbundwerkstoffen

Dexcraft liefert Aramid-Verbundwerkstoffprodukte wie kugelsichere Westen, Karosserieteile für Rennwagen, Aramidplatten und andere Verbundwerkstoffe.

Weitere Informationen finden Sie unter: Kevlar & Herstellung von Aramidteilen.