Aramid / kevlar je materiál, který nabízí jedinečné vlastnosti výjimečné pevnosti a velmi nízké hmotnosti.

Ačkoli je někdy srovnáván s uhlíkovými vlákny, existují mezi aramidem a uhlíkovými vlákny velmi důležité rozdíly. Ve skutečnosti to není jen barva, co odlišuje Aramid od uhlíkových vláken – Aramid je žlutý, zatímco uhlíková vlákna jsou černá. Oba tyto materiály nabízejí odlišné vlastnosti a jsou vhodné pro různé potřeby průmyslu.

V článku s názvem „Kompozity z uhlíkových vláken“ se dozvíte více o kompozitech z uhlíkových vláken a jejich vlastnostech.

Tento článek rozebírá vlastnosti kompozitů z aramidových vláken, jejich výhody a nevýhody a také praktické příklady použití v různých průmyslových odvětvích a hotových výrobcích.

Historie

Aramid označuje konkrétní materiály, které jsou k dispozici pod různými komerčními názvy.

Dupont byl první společností, která v 60. letech představila a vyráběla aramid pod registrovanou ochrannou známkou Kevlar a na trhu je dostupný od roku 1973. Aramid objevila chemička polského původu Stefania Kwolek, která prováděla výzkum zaměřený na materiál s nízkou hmotností a mimořádnou pevností, který by se používal místo nylonu při výrobě pneumatik.

V současné době je Kevlar nejznámější ze všech aramidových kompozitů.

S postupem času zahájily výrobu i další společnosti a začaly dodávat aramid s mírně odlišnými vlastnostmi, ale podobnými hlavními vlastnostmi.

Aramid dodávají i další dodavatelé pod různými obchodními názvy, mj: Nomex dodává společnost Dupont, Twaron a Technora dodává japonská společnost Teijin, Arawin dodává korejská společnost Toray, Kolon dodává korejská společnost Heracron a některé další dodávají čínské společnosti.

Každý materiál s názvem Kevlar, Twaron nebo Nomex se ve skutečnosti vztahuje k Aramidu a vyznačuje se výjimečnými vlastnostmi, včetně mimořádné odolnosti proti nárazu a oděru, odolnosti vůči vysokým teplotám a také nízké hmotnosti. Díky těmto vlastnostem je tento materiál pravidelně využíván armádou, letectvem, vodními a motorovými sporty, ale i pro výrobu pneumatik, oděvů a ochranných rukavic a mnoho dalších použití. Počet aplikací každým rokem roste.

Jaké jsou vlastnosti Aramidu/Kevlaru?

Aramid ve formě Kevlaru nebo Nomexu označuje konstrukční materiál, který nabízí některé výhody a nevýhody. Následující popis zahrnuje základní vlastnosti aramidových kompozitů a aramidových suchých vláken.

Výhody aramidových kompozitů

Vysoká odolnost proti nárazu a praskání

Aramid se vyznačuje mimořádnou odolností proti nárazu a nepraská pod tlakem, protože je houževnatý a umožňuje značnou absorpci energie. Je široce používán pro výrobu neprůstřelných vest, člunů, kajaků a také pro pancéřování součástí vojenských vozidel.

Kompozit vyrobený z aramidu má 5krát větší odolnost proti nárazu než kompozit z uhlíkových vláken (test nárazu pádovou vahou). Taková mimořádná odolnost proti nárazu nebo střelám je důsledkem dlouhých řetězců atomů, které tvoří strukturu Aramidu.
Díky těmto vlastnostem se tento materiál široce používá pro vojenské účely při výrobě neprůstřelných vest a materiálu pro pancéřování tanků.

Neprostupné vesty se vyrábějí z materiálu složeného z několika desítek vrstev aramidu (například kevlaru) a mezi vrstvami obsahují keramickou desku. Štíty používané v některých obrněných vozidlech, jako je americký tank M1, jsou vyrobeny z materiálu, jehož struktura zahrnuje ocel -aramid – ocel, aby chránily proti protitankovým střelám o průměru až 700 mm. Kromě ochrany samotného tanku navíc pancéřové štíty ocel -aramid – ocel chrání také posádku tím, že pohlcují kinetickou energii generovanou pronikající střelou.

Další využití kevlaru je u Boeingu AH-64 – primárního útočného vrtulníku americké armády opatřeného kevlarovými rotory. Zde kevlar zajišťuje ochranu proti střelám o průměru až 23 mm.

Díky vysoké odolnosti proti nárazu se kevlar hojně využívá při stavbě lodí a kajaků, např. trupů jachet určených pro závod Volvo Ocean Race, jednu z nejtěžších sportovních výzev. Většina vysoce výkonných kajaků pro vodní sporty je vyrobena z kevlaru nebo hybridů uhlíkových vláken a kevlaru.

Nízká hustota / nízká hmotnost

Aramidová vlákna se vyznačují extrémně nízkou hmotností, což je výhodou při výrobě kompozitů.

Aramidové kompozity jsou přibližně o 20 % lehčí než kompozity z uhlíkových vláken, které jsou samy o sobě považovány za velmi lehké. Použití aramidových vláken v kompozitech zvyšuje odolnost proti nárazu a oděru a také zajišťuje snížení hmotnosti kompozitních prvků.

Aramidová vlákna mají hustotu ~ 1,45 g/cm3, zatímco aramidové kompozity z aramidu a epoxidové pryskyřice mají hustotu ~ 1,3 g/cm3. Tento výpočet byl založen na hustotě epoxidové pryskyřice smíchané s tvrdidlem ~ 1,1 g/cm3 a také na pokročilé technologii použité při výrobě kompozitu, a to prepregu s autoklávem.

Pro srovnání uhlíková vlákna, která jsou považována za velmi lehká, mají hustotu uhlíkových kompozitů – uhlíková vlákna a epoxidová pryskyřice ekvivalentní 1 g/cm3.55 g/cm3.

Jinými slovy kompozity z aramidových vláken jsou přibližně o 20 % lehčí než kompozity z uhlíkových vláken.

Jak je to s porovnáním hmotnosti aramidových kompozitů s kovy?
Aramidové kompozity mají hustotu 1,3 g/cm3. V případě hliníku je to 2,7 g/cm3, titanu 4,5 g/cm3 a oceli 7,9 g/cm3.
Jinými slovy aramidové kompozity jsou 2krát lehčí než hliník a 3 nebo 4krát lehčí než titan a až 6krát lehčí než ocel.

Střední tuhost – vyplňují mezeru mezi skleněnými a uhlíkovými vlákny

Aramidové kompozity mají vyšší tuhost vyšší než kompozity ze skleněných vláken a výrazně nižší než kompozity z uhlíkových vláken.
Existuje mnoho typů vláken včetně uhlíkových a aramidových – např. standardních, středních a vysokých modulů, které nabízejí různou tuhost, pevnost a jsou dostupné za různé ceny. V následující tabulce je uvedena tuhost jednotlivých vláken: skleněných, uhlíkových a aramidových. Měření Youngova modulu sledujeme v podélném směru.

Tuhost různých kompozitních vláken:

• Tkaniny se skleněnými vlákny – od 72 GPa (standardní E-sklo) do 87 GPa (tkaniny se zvýšenou pevností S-sklo).
• Tkaniny z uhlíkových vláken – od 230 GPa (standardní tkaniny používané pro výrobu kompozitů – Toray T300 ) do 590 GPa (HM třída Toray M60J).
• Tkaniny z aramidových vláken – od 96 GPa (standardní aramidové tkaniny používané v kompozitech – konkrétně Kevlar 129) do – 186 GPa (aramidové tkaniny konkrétně Kevlar 149 používané v leteckém/kosmickém průmyslu).

Shrnem lze konstatovat, že aramidové kompozity vyrobené ze standardních tkanin se vyznačují tuhostí o 30-40 % vyšší než kompozity ze skleněných vláken a výrazně omezenou výkonností ve srovnání s kompozitem z uhlíkových vláken – který nabízí tuhost o 50 % nižší než kompozity z uhlíkových vláken.

Nízká tepelná roztažnost

Aramid je velmi stabilní při vystavení vysokým teplotám s téměř nulovým a mírně záporným koeficientem tepelné roztažnosti, který odpovídá (-2,4 x 10-6/°C).

Nevodivý

Aramid je dobrý izolant a nevede elektrický proud.

Odolnost proti otěru

Aramidové kompozity se hojně používají pro díly a součásti vystavené otěru, např. kluzná deska chránící motor v závodním automobilu.
Aramid se běžně používá v těžebním průmyslu (např. při těžbě dřeva, při výrobě dřeva, při výrobě dřevěných konstrukcí apod. těžební průmysl) pro vyztužení pogumovaných pásů dopravníků a zajišťuje vyšší pevnost a odolnost proti oděru, která může být podle výrobce kevlaru zvýšena až o 50-70 %.
Díky těmto vlastnostem se materiál používá v kompozitech i v pracovních oděvech, např. v bezpečnostních rukavicích odolných proti proříznutí, kde se používají aramidové tkaniny, např. twaron nebo kevlar.

Absorpce vibrací

Jedna specifická vlastnost aramidových kompozitů se týká absorpce vibrací, a proto se aramid používá pro výrobu součástí vystavených vibracím, např. konstrukčních součástí letadel.

Nízká dielektrická konstanta

Aramidový kompozit má nízkou elektrickou permitivitu ~3,85 (10 GHz), což zajišťuje dobrý výkon a sílu signálu pronikajícího aramidovými ochrannými obaly /leteckými radary. Tento typ antény se široce používá pro vojenské účely, např. na vojenských letadlech. Aramidové pláště/radomy chrání antény před poškozením a zajišťují dobrý výkon signálu.

Pro srovnání, kompozit ze skelných vláken E- nabízí elektrickou permitivitu odpovídající 6,1 (10 GHz), což má za následek sílu a výkon signálu antény o 60 % nižší.
Kromě aramidových se používají také křemenné tkaniny, které nabízejí elektrickou permitivitu 3,78 (10 GHz).

Použití s jinými tkaninami a vytváření hybridních kompozitů

Aramidové tkaniny lze použít v uhlíkových i skleněných kompozitech úpravou parametrů podle požadavků, což poskytuje dodavatelům kompozitních výrobků mnoho možností.
V případě uhlíkových kompozitů lze přidáním několika vrstev aramidových tkanin zvýšit odolnost proti nárazu.

Hybridní kompozit vyrobený z kombinace tkanin, konkrétně 50 % uhlíkových vláken a 50 % aramidových, nabízí o 100-125 % lepší odolnost proti nárazu ve srovnání s kompozity vyrobenými pouze z uhlíkových vláken.
Dalším příkladem použití je několik vrstev aramidu opatřených v místech, kde následuje vrtání, aby se zajistilo vyztužení a snížilo riziko poškození/prasknutí kompozitu kolem otvorů během provozu nebo v důsledku vibrací.

Nevýhody aramidových kompozitů

Nasákavost vodou/vlhkostí

Aramidová vlákna mají poměrně vysokou nasákavost (až 6 % své hmotnosti), proto je třeba aramidové kompozity vhodně chránit – obvykle vrchním nátěrem pro snížení nasákavosti. V případě kompozitů vystavených kontaktu s vodou se navíc používají některé typy Aramidu, které mají sníženou nasákavost, např. kevlar 149 nebo Armos.

Zajímavé je, že standardní aramidové tkaniny mají tak vysokou nasákavost a tyto vlastnosti zajišťují ochranu proti popálení a opaření. Tento materiál se velmi často používá při pyrotechnických vystoupeních, kdy je napuštěn parafínem. Aramid díky svým jedinečným vlastnostem zajišťuje absorpci parafínu, ale při hoření nedegraduje a je odolný vůči vysokým teplotám.

Pro zvýšení odolnosti proti vlhkosti a mikrotrhlinám vrchního povrchu aramidového kompozitu se velmi často přidává vrstva skelné tkaniny, která zlepšuje adhezní vazbu vrchních vrstev a usnadňuje případné opravy vrchních vrstev v budoucnu.

Složitá úprava a zpracování

Aramidová vlákna se obtížně řežou. Proto se výrobní proces kompozitů včetně aramidových tkanin může ukázat jako velmi náročný. V důsledku toho je obtížné řezat jak suché aramidové tkaniny, tak hotový aramidový kompozit vyrobený z aramidových tkanin a např. epoxidových pryskyřic.

Řezání suchých tkanin je možné pomocí laseru nebo speciálních řezaček určených pro tento účel. Řezání hotových aramidových kompozitů je možné pomocí řezání vodním paprskem nebo frézami se speciálně navrženými karbidovými nebo diamantovými hroty. Upozorňujeme, že použití řezáků způsobuje mírné roztřepení okrajů kompozitu.

Při výrobě aramidových kompozitů se již ve fázi návrhu provádějí některé změny a úpravy, aby se vhodně přizpůsobily formy a snížilo se množství řezů nutných po odformování. Někdy se v místech, kde je nutné řezání, dodává vrstva zahrnující hybridní tkaniny, konkrétně vrstva zahrnující uhlíková vlákna (50 %) a aramidová vlákna (50 %).

Aramidová vlákna mají ve srovnání se skleněnými nebo uhlíkovými vlákny skromnou vazbu a skromnou penetraci pryskyřice. Proto se pro výrobu aramidových kompozitů doporučuje používat epoxidové pryskyřice, které mají lepší vlastnosti pro spojování vrstev aramidových tkanin.

Degradace související s UV zářením

Aramidová vlákna mají nízkou odolnost vůči UV záření.
UV záření (sluneční světlo) způsobuje degradaci aramidových vláken. Proto je nutná ochrana, kterou může být vrchní vrstva nebo vrstva materiálu, např. aramidová vedení jsou obvykle uzavřena v ochranném obalu.

Vysoké náklady

Aramid je nákladný materiál s cenou podobnou uhlíkovým vláknům. Proto se používá pro specifické účely, kde se vyžaduje mimořádná odolnost proti nárazu/oděru a zároveň nízká hmotnost hotového výrobku. Ve skutečnosti stojí 1 m2 hotového prepregu o hmotnosti 200 g/m2 určeného pro výrobu kompozitu asi 30-40 EUR za m2.

Nízká pevnost v tlaku

Aramidová vlákna nabízejí nižší pevnost v tlaku než vlákna skleněná nebo uhlíková, proto se hybridní tkaniny hojně používají u součástí vystavených vysokému tlaku, jako je například konstrukce obsahující kombinaci aramidu a uhlíkových vláken.

Použití aramidu

V praxi nachází aramid mnoho aplikací. Zde je několik příkladů:

Použití aramidu v kompozitech – Aramidové kompozity:

• Bullet-proof vesty.
• Motorový sport a ochrana součástí vystavených oděru / nárazu – např. podběhy kol, kluzné desky.
• Tělo letadla (často hybrid uhlíku a kevlaru), rotory, pokovení.
• Zavazadlový prostor letadla.
• Radomy vojenských letadel, které mají specifické dielektrické vlastnosti.
• Surfovací prkna.
• Kajaky.
• Trupy lodí.
• LPG lahve – hmotnost je o 70 % nižší než ocelové a nabízejí lepší odolnost proti nárazům ve srovnání s uhlíkovými vlákny – např.Low8.

Použití aramidu v suchých tkaninách:

• Ochranné oděvy – včetně nehořlavých oděvů, jako jsou vojenské oděvy (např. a2cu ), oděvy pro hasiče nebo oděvy určené pro F1 a NASCAR (většinou Nomex).

  

• Ochranné rukavice odolné proti pořezání.
• Zesílení pogumovaných součástí, např.Např. rozvodové řemeny.
• Vyztužení pneumatik.
• Lana.
• Optické kabely opatřené obložením z aramidových vláken, které zabraňuje praskání a chrání před momentálním kontaktem s ohněm.
• Pláště.
• Buben.
• Aramidový papír používaný ve voštinách.

Shrnutí
Aramid nabízí mimořádné vlastnosti a výkon s ohledem na odolnost proti nárazu, oděru, řezání a ultra nízkou hmotnost, která je o 20 % nižší než u uhlíkových vláken.
Současně tento materiál vykazuje některé nevýhody, jako je obtížná úprava a zpracování nebo absorpce vlhkosti.

Doufáme, že přečtení tohoto článku umožní každému dozvědět se více o výhodách a nevýhodách a také přispěje k jeho optimálnímu využití konstruktéry a designéry.

VÝROBA ARAMIDOVÝCH KOMPOZITŮ

Dexcraft dodává výrobky z aramidových kompozitů, jako jsou neprůstřelné vesty, součásti karoserií závodních automobilů, aramidové desky a další kompozity.

Pro více informací navštivte stránku: Kevlar & Výroba aramidových dílů.

.