Aramid- og kevlarkompositter
Aramid / Kevlar er et materiale, der har unikke egenskaber med enestående styrke og meget lav vægt.
Selv om det nogle gange sammenlignes med kulfiber, er der meget vigtige forskelle mellem aramid og kulfiber. Faktisk er det ikke kun farven, der adskiller Aramid fra kulfiber – Aramid er gul, mens kulfiber er sort. Begge disse materialer tilbyder forskellige egenskaber og er velegnede til forskellige industribehov.
Du kan få mere at vide om kulfiberkompositter og deres egenskaber i artiklen “Carbon Fiber Composites”.
Denne artikel analyserer egenskaberne ved Aramidfiberkompositter, dets fordele og ulemper samt praktiske eksempler på anvendelse i forskellige industrier og færdige produkter.
Historie
Aramid refererer til specifikke materialer, der findes under forskellige kommercielle navne.
Dupont var den første virksomhed, der introducerede og fremstillede aramid i 60’erne under det registrerede varemærke Kevlar, og det har været tilgængeligt på markedet siden 1973. Aramid blev opdaget af en kvindelig kemiker af polsk afstamning, Stefania Kwolek, som udførte forskning med fokus på et lavt og usædvanligt stærkt materiale, der kunne anvendes i stedet for nylon ved fremstilling af dæk.
I dag er Kevlar det mest kendte af alle aramidkompositter.
Med tiden lancerede andre virksomheder også produktion og begyndte at levere Aramid med lidt andre egenskaber, men med lignende hovedegenskaber.
Aramid leveres af andre leverandører også under forskellige handelsnavne, herunder: Nomex leveret af Dupont, Twaron og Technora leveret af Teijin i Japan, Arawin leveret af Toray i Korea, Kolon leveret af Heracron i Korea samt nogle andre leveret af kinesiske virksomheder.
Alle materialer med navnet Kevlar, Twaron eller Nomex henviser faktisk til Aramid og har usædvanlige egenskaber, herunder ekstraordinær modstandsdygtighed over for slag og slid, modstandsdygtighed over for høje temperaturer samt lav vægt. Takket være disse egenskaber anvendes dette materiale regelmæssigt af hæren, flyvevåbnet, vand- og motorsport samt til fremstilling af dæk, tøj og beskyttelseshandsker og mange andre anvendelser. Antallet af anvendelser vokser hvert år.
Hvad er egenskaberne ved Aramid/Kevlar?
Aramid i form af Kevlar eller Nomex henviser til et strukturelt materiale, der giver nogle fordele og ulemper. Den følgende beskrivelse dækker de væsentlige egenskaber ved aramidkompositter og aramid tørre fibre.
Fordele ved aramidkompositter
Høj modstandsdygtighed over for stød og revner
Aramid har en ekstraordinær modstandsdygtighed over for stød, og det revner ikke under tryk, da det er sejt og giver mulighed for betydelig energiabsorption. Det anvendes i vid udstrækning til fremstilling af skudsikre veste, både, kajakker samt panser af komponenter i militærkøretøjer.
Komposit fremstillet af aramid har 5 gange større modstandsdygtighed over for stød end en kulfiberkomposit (test faldvægtpåvirkning). En sådan ekstraordinær modstandsdygtighed over for stød eller kugler er et resultat af de lange kæder af atomer, der danner strukturen af Aramid.
Takket være disse egenskaber er dette materiale meget anvendt til militære formål ved fremstilling af skudsikre veste og pansermateriale til kampvogne.
Kuglesikre veste er fremstillet af materiale bestående af flere dusin lag Aramid (for eksempel Kevlar) og omfatter en keramisk plade mellem lagene. Skjolde, der anvendes i visse pansrede køretøjer som f.eks. den amerikanske M1-tank, er fremstillet af et materiale, hvis struktur omfatter stål – aramid – stål for at beskytte mod anti-tankmissiler med en diameter på op til 700 mm. Ud over at beskytte selve kampvognen beskytter stål-aramid-stål-panserskjoldene også besætningen ved at absorbere den kinetiske energi, der genereres af det gennemtrængende missil.
En anden anvendelse af Kevlar er i Boeing AH-64 – den amerikanske hærs primære angrebshelikopter, der er forsynet med rotorer af Kevlar. Her sikrer Kevlar beskyttelse mod kugler med en diameter på op til 23 mm.
Takket være den høje modstandsdygtighed over for stød anvendes Kevlar i vid udstrækning til at bygge både og kajakker, f.eks. skrog på yachter, der er designet til Volvo Ocean Race, en af de hårdeste sportslige udfordringer. De fleste højtydende kajakker til vandsport er fremstillet af Kevlar eller kulfiber/Kevlar-hybrider.
Lav vægtfylde/lav vægt
Aramidfibre har en ekstremt lav vægt, hvilket er en fordel ved fremstilling af kompositter.
Aramidkompositter er ca. 20 % lettere end kulfiberkompositter, som i sig selv anses for at være meget lette. Anvendelse af aramidstoffer i kompositter øger modstandsdygtigheden over for slag og slid samt giver en reduceret vægt af kompositelementer.
Aramidfibre har en massefylde på ~ 1,45 g/cm3, mens aramidkompositter af aramid og epoxyharpiks har en massefylde på ~ 1,3 g/cm3. Denne beregning var baseret på densiteten af epoxyharpiks blandet med hærder ~ 1,1 g/cm3 samt en avanceret teknologi anvendt under produktionen af komposit, nemlig prepreg med autoklave.
For at sammenligne kulfibre, der anses for at være meget lette, har de densitet af kulstofkompositter – kulfiber og epoxyharpiks svarende til 1.55 g/cm3.
Med andre ord er Aramidfiberkompositter ca. 20 % lettere end kulfiberkompositter.
Hvad med at sammenligne vægten af Aramidkompositter med metaller?
Aramidkompositter har en massefylde på 1,3 g/cm3. For aluminium er den 2,7 g/cm3, for titanium 4,5 g/cm3 og for stål 7,9 g/cm3.
Med andre ord er aramidkompositter 2 gange lettere end aluminium, og 3 eller 4 gange lettere end titanium og helt op til 6 gange lettere end stål.
Moderat stivhed – udfylder hullet mellem glasfiber og kulfiber
Aramidkompositter har højere stivhed højere end glasfiberkompositter og betydeligt lavere end kulfiberkompositter.
Der findes mange typer fibre, herunder kulfiber- og aramidfibre – f.eks. af standard, moderat og høje moduler, der giver forskellig stivhed, styrke og fås til forskellige priser. Nedenstående tabel angiver stivheden af bestemte fibre: glasfiber, kulfiber og aramidfiber. Måling af Young-modulet er fulgt i længderetningen.
Stivhed af forskellige kompositfibre:
- Glasfibervæv – fra 72 GPa (standard E-glas) til 87 GPa (S-glasvæv med øget styrke).
- Kulfiberstoffer – fra 230 GPa (standardstoffer anvendt til fremstilling af kompositter – Toray T300 ) op til 590 GPa (HM-klasse Toray M60J).
- Aramidfiberstoffer – fra 96 GPa (standard aramidstoffer anvendt i kompositter – nemlig Kevlar 129) op til – 186 GPa (aramidstoffer, nemlig Kevlar 149 anvendt i fly-/luftfartsindustrien).
Sammenfattende kan vi konkludere, at aramidkompositter fremstillet af standardvæv har en stivhed, der er ca. 30-40 % højere end glasfiberkompositter, og en betydeligt begrænset ydeevne sammenlignet med kulfiberkompositter – som har en stivhed, der er 50 % lavere end kulfiberkompositter.
Lav termisk ekspansion
Aramid er meget stabilt, når det udsættes for høje temperaturer med en næsten nul og let negativ termisk ekspansionskoefficient, der svarer til (-2,4 x 10-6/°C).
Nej ledende
Aramid er en god isolator og leder ikke elektricitet.
Bestandighed over for slid
Aramidkompositter anvendes i vid udstrækning til dele og komponenter, der udsættes for slid, f.eks. en skidplade, der beskytter motoren i en racerbil.
Aramid er almindeligt anvendt af udvindingsindustrien (f.eks. minedriftsindustrien) til forstærkning af gummibånd til transportbånd og sikrer højere styrke og modstandsdygtighed over for slid, som ifølge Kevlar-producenten kan forbedres med op til 50-70 %.
Takket være disse egenskaber anvendes materialet i kompositter samt i arbejdstøj, f.eks. skærefaste sikkerhedshandsker, hvor der anvendes aramidstof, f.eks. Twaron eller Kevlar.
Vibrationsabsorption
En specifik egenskab ved aramidkompositter vedrører vibrationsabsorption, og derfor anvendes aramid til fremstilling af komponenter, der udsættes for vibrationer, f.eks. strukturelle komponenter til fly.
Lav dielektrisk konstant
Aramidkomposit har en lav elektrisk permittivitet på ~3,85 (10 GHz), hvilket sikrer god ydeevne og styrke af signalet, der trænger igennem aramidbeskyttelseshuse/luftradomer. Denne type antenne anvendes i vid udstrækning til militære formål, f.eks. på militærfly. Aramidkapper/radomer beskytter antenner mod skader og sikrer god signalydelse.
Til sammenligning har E-glasfiberkomposit en elektrisk permittivitet svarende til 6,1 (10 GHz), hvilket resulterer i en 60 % lavere antennesignalkraft og ydeevne.
Ud over aramid anvendes også kvartsstoffer, som giver en elektrisk permittivitet på 3,78 (10 GHz).
Anvendelse sammen med andre stoffer og skabelse af hybridkompositter
Aramidstoffer kan anvendes i kulfiberkompositter og glaskompositter ved at ændre parametrene i henhold til kravene, hvilket giver mange muligheder for leverandører af kompositprodukter.
For kulfiberkompositter kan man forbedre slagfastheden ved at tilføje nogle få lag aramidstoffer.
Hybridkomposit fremstillet af en kombination af stoffer, nemlig 50 % kulfibre og 50 % aramidfibre, giver 100-125 % forbedret slagfasthed sammenlignet med kompositter fremstillet udelukkende af kulfibre.
Andre eksempler på anvendelser er nogle få lag aramid, der er forsynet på steder, hvor boringer følger, for at sikre forstærkning og reducere risikoen for beskadigelse/revner af kompositmaterialet omkring huller under drift eller som følge af vibrationer.
Ulemper ved aramidkompositter
Vand/fugtabsorberingsevne
Aramidfibre har en relativt høj fugtabsorberingsevne (op til 6 % af dens vægt), hvorfor aramidkompositter skal beskyttes på passende vis – normalt med en topcoat for at reducere fugtabsorberingsevnen. I tilfælde af kompositter, der udsættes for kontakt med vand, anvendes desuden nogle typer aramid, der har en reduceret vandabsorberingsevne, f.eks. Kevlar 149 eller Armos.
Det er interessant at bemærke, at standard aramidstoffer har en så høj absorptionskapacitet, og at disse egenskaber giver beskyttelse mod forbrænding og skoldning. Dette materiale anvendes meget ofte under pyrotekniske forestillinger, når det er gennemvædet med paraffin. Takket være sine unikke egenskaber sikrer aramid absorption af paraffin, men nedbrydes ikke under afbrænding og er modstandsdygtig over for høje temperaturer.
For at forbedre modstandsdygtigheden over for fugt og mikrorevner i aramidkompositoverfladen tilføjes der meget ofte et lag glasvæv for at forbedre vedhæftningsbindingen af topcoats og lette eventuelle topcoatreparationer i fremtiden.
Vanskelig behandling og forarbejdning
Aramidfibre er vanskelige at skære. Derfor kan produktionsprocessen af kompositter, der omfatter aramidstoffer, vise sig at være en meget krævende proces. Det er derfor vanskeligt at skære både tørre aramidstoffer og færdige aramidkompositter fremstillet af aramidstoffer og f.eks. epoxyharpikser.
Skæring af tørre stoffer er mulig ved hjælp af laser eller specielle skæremaskiner, der er beregnet til dette formål. Skæring af færdige aramidkompositter er mulig med vandstråleskæring eller skæremaskiner med specielt konstruerede værktøjer med hårdmetalspidser eller diamanter. Bemærk, at brugen af skærere medfører let flossede kompositkanter.
Under produktionen af aramidkompositter foretages der allerede i designfasen nogle ændringer og modifikationer for at tilpasse formene hensigtsmæssigt og reducere den nødvendige skæring efter afstøbning. Nogle gange, på steder, hvor det er nødvendigt at skære, leveres et lag med hybridstoffer, nemlig et lag med kulfibre (50 %) og aramidfibre (50 %).
Aramidfibre har en beskeden binding sammenlignet med glasfibre eller kulfibre og en beskeden harpikspenetration. Derfor anbefales det til fremstilling af aramidkompositter at anvende epoxyharpikser, der giver bedre ydeevne til limning af aramidstoflagene.
UV-relateret nedbrydning
Aramidfibre har dårlig modstandsdygtighed over for UV.
UV-stråling (sollys) forårsager nedbrydning af aramidfibre. Derfor er der behov for beskyttelse, som kan være en topcoat eller et materialelag, f.eks. er aramidledninger normalt omsluttet af en beskyttende belægning.
Høje omkostninger
Aramid er et dyrt materiale med en pris, der svarer til prisen på kulfiber. Derfor anvendes det til særlige formål, hvor der kræves ekstraordinær modstandsdygtighed over for slag/slidstyrke samt lav vægt på det færdige produkt. Faktisk koster 1 kvm færdig prepreg med en vægt på 200 g/m2 beregnet til fremstilling af komposit ca. 30-40 EUR pr. kvm.
Lav kompressionsstyrke
Aramidfibre har en lavere kompressionsstyrke end glasfibre eller kulfibre, og derfor anvendes hybridstoffer i vid udstrækning i komponenter, der udsættes for høj kompression, f.eks. en struktur, der omfatter en kombination af aramid og kulfiber.
Aramidanvendelse
I praksis finder aramid mange anvendelsesmuligheder. Her er nogle eksempler:
Anvendelse af aramid i kompositter – Aramidkompositter:
- Kuglesikre veste.
- Motorsport og beskyttelse af komponenter, der udsættes for slid/påvirkning – f.eks. hjulkasser, skidplader.
- Flykroppe (ofte carbon-Kevlar hybrid), rotorer, plating.
- Flyvemaskiners bagagerum.
- Militære flyradomer, der har særlige dielektriske egenskaber.
- Surfbrætter.
- Kayaks.
- Skibsskrog.
- LPG-cylindre – vægten er 70 % lavere end stålcylindre og giver bedre modstandsdygtighed over for stød sammenlignet med kulfiber – e.f.eks. Low8.
Anvendelse af aramid i tørt stof:
- Beskyttelsesbeklædning – herunder flammebestandigt tøj, f.eks. militært tøj (f.eks. a2cu ), brandvæsenets tøj eller tøj beregnet til F1 og NASCAR (for det meste Nomex).
Kevlarforstærkning af tandremme øger deres holdbarhed og mindsker risikoen for brud. - Snitsikre sikkerhedshandsker.
- Gummibelagte komponenter forstærkning e.f.eks. tandremme.
- Dækforstærkning.
- Tove.
- Optiske kabler forsynet med aramidfiberforing, der forhindrer revner og beskytter mod momentan kontakt med ild.
- Sejldug.
- Trommehoveder.
- Aramidpapir, der anvendes i honeycomb.
Summarum
Aramid tilbyder ekstraordinære egenskaber og ydeevne med hensyn til modstandsdygtighed over for slag, slid, skæring og ultra-lav vægt, der er 20 % lavere end kulfiber.
Samtidig udviser dette materiale nogle ulemper såsom vanskelig behandling og forarbejdning eller fugtabsorption.
Vi håber, at læsning af denne artikel vil gøre det muligt for alle at lære mere om fordele og ulemper samt bidrage til, at ingeniører og designere kan anvende det optimalt.
FORMNING AF ARAMIDKOMPOSITTER
Dexcraft leverer aramidkompositprodukter såsom skudsikre veste, karosserikomponenter til racerbiler, aramidplader og andre kompositter.
For at få mere at vide kan du besøge: For yderligere oplysninger: Kevlar & Fremstilling af aramiddele.