Aramidi / kevlar on materiaali, joka tarjoaa ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten poikkeuksellisen lujuuden ja erittäin alhaisen painon.

Vaikka sitä joskus verrataan hiilikuituun, on aramidin ja hiilikuidun välillä hyvin merkittäviä eroja. Itse asiassa se ei ole vain väri, joka erottaa Aramidin hiilikuidusta – Aramidi on keltainen, kun taas hiilikuitu on musta. Molemmilla näillä materiaaleilla on erilaiset ominaisuudet ja ne soveltuvat eri teollisuuden tarpeisiin.

Hiilikuitukomposiiteista ja niiden ominaisuuksista voit lukea lisää artikkelista ”Hiilikuitukomposiitit”.

Tässä artikkelissa analysoidaan aramidikuitukomposiittien ominaisuuksia, sen etuja ja haittoja sekä käytännön esimerkkejä käytöstä eri teollisuudenaloilla ja valmiissa tuotteissa.

Historia

Aramid viittaa tiettyihin materiaaleihin, joita on saatavilla eri kaupallisilla nimillä.

Dupont oli ensimmäinen yritys, joka esitteli ja valmisti Aramidia 60-luvulla rekisteröidyllä tavaramerkillä Kevlar, ja se on ollut markkinoilla vuodesta 1973 lähtien. Aramidin löysi puolalaista syntyperää oleva naispuolinen kemisti Stefania Kwolek, joka teki tutkimusta, jossa keskityttiin kevyeen ja poikkeuksellisen lujaan materiaaliin, jota voitaisiin käyttää nailonin sijasta renkaiden valmistuksessa.

Tänään Kevlar on tunnetuin kaikista aramidikomposiiteista.

Ajan myötä myös muut yritykset aloittivat tuotannon ja alkoivat toimittaa Aramidia hieman erilaisilla ominaisuuksilla, mutta samankaltaisilla pääominaisuuksilla.

Aramidia toimittavat muut toimittajat myös erilaisilla kauppanimillä, mm: Nomex, jonka toimittaa Dupont, Twaron ja Technora, jotka toimittaa Teijin Japanissa, Arawin, jonka toimittaa Toray Koreassa, Kolon, jonka toimittaa Heracron Koreassa, sekä joitakin muita, joita toimittavat kiinalaiset yritykset.

Materiaali nimeltä Kevlar, Twaron tai Nomex viittaa itse asiassa Aramidiin, ja sillä on poikkeuksellisia ominaisuuksia, kuten poikkeuksellinen iskunkestävyys ja hankauskestävyys, korkeiden lämpötilojen kestävyys sekä alhainen paino. Näiden ominaisuuksien ansiosta tätä materiaalia käytetään säännöllisesti armeijassa, ilmavoimissa, vesi- ja moottoriurheilussa sekä renkaiden, vaatteiden ja suojakäsineiden valmistuksessa ja moniin muihin tarkoituksiin. Sovellusten määrä kasvaa joka vuosi.

Mitkä ovat Aramidin/Kevlarin ominaisuudet?

Aramidi muodossa Kevlar tai Nomex viittaa rakennemateriaaliin, joka tarjoaa joitakin etuja ja haittoja. Seuraavassa kuvauksessa käsitellään aramidikomposiittien ja kuivien aramidikuitujen keskeisiä ominaisuuksia.

Aramidikomposiittien edut

Suuri iskunkestävyys ja halkeilunkestävyys

Aramidille on ominaista poikkeuksellinen iskunkestävyys, eikä se halkeile paineen alaisena, sillä se on sitkeää ja mahdollistaa merkittävän energian absorption. Sitä käytetään laajalti luodinkestävien liivien, veneiden ja kajakkien valmistukseen sekä sotilasajoneuvojen osien panssarointiin.

Aramidista valmistetulla komposiitilla on 5 kertaa suurempi iskunkestävyys kuin hiilikuitukomposiitilla (testi pudotuspainon vaikutus). Tällainen poikkeuksellinen iskunkestävyys tai luodinkestävyys johtuu pitkistä atomiketjuista, jotka muodostavat Aramidin rakenteen.
Tämän ominaisuuden ansiosta tätä materiaalia käytetään laajalti sotilaallisiin tarkoituksiin luodinkestävien liivien ja panssarivaunujen panssarimateriaalin valmistuksessa.

Luodinkestävät liivit valmistetaan materiaalista, joka koostuu useista kymmenistä aramidikerroksista (esimerkiksi kevlarista), ja siihen kuuluu keraaminen levy kerrosten välissä. Joissakin panssariajoneuvoissa, kuten yhdysvaltalaisessa M1-panssarivaunussa, käytetyt suojat on valmistettu materiaalista, jonka rakenne koostuu teräs – aramidi – teräs, jotta ne suojaavat halkaisijaltaan jopa 700 mm:n panssarintorjuntaohjuksia vastaan. Lisäksi itse panssarivaunun suojaamisen lisäksi teräs-aramidi-teräs-panssarikilvet suojaavat myös miehistöä absorboimalla tunkeutuvan ohjuksen tuottamaa kineettistä energiaa.

Toinen Kevlarin käyttökohde on Boeing AH-64 – Yhdysvaltojen armeijan ensisijainen hyökkäyshelikopteri, joka on varustettu Kevlar-roottoreilla. Tässä Kevlar takaa suojan halkaisijaltaan jopa 23 mm:n luoteja vastaan.

Korkean iskunkestävyytensä ansiosta Kevlaria käytetään laajalti vene- ja kajakkirakentamisessa, esimerkiksi Volvo Ocean Race -kilpailuun suunniteltujen jahdin rungossa, joka on eräs kovimmista urheilullisista haasteista. Useimmat vesiurheiluun tarkoitetut korkean suorituskyvyn kajakit on valmistettu Kevlarista tai hiilikuitu/Kevlar-hybrideistä.

Matalatiheys/pieni paino

Aramidikuiduilla on erittäin pieni paino, mikä on etu komposiitteja valmistettaessa.

Aramidikomposiitit ovat noin 20 % kevyempiä kuin hiilikuitukomposiitit, joita itsessään pidetään erittäin kevyinä. Aramidikuitujen käyttö komposiiteissa lisää iskunkestävyyttä ja kulutuskestävyyttä sekä vähentää komposiittielementtien painoa.

Aramidikuitujen tiheys on ~ 1,45 g/cm3 , kun taas aramidista ja epoksihartsista koostuvien aramidikomposiittien tiheys on ~ 1,3 g/cm3 . Tämä laskelma perustui epoksihartsin tiheyteen sekoitettuna kovetteen kanssa ~1,1 g/cm3 sekä komposiitin valmistuksessa käytettyyn kehittyneeseen tekniikkaan, nimittäin prepregiin autoklaavilla.

Vertaillaksemme hiilikuituja, joita pidetään hyvin kevyinä, niiden hiilikomposiittien – hiilikuitu ja epoksihartsi – tiheys vastaa 1.55 g/cm3.

Muilla sanoilla Aramidikuitukomposiitit ovat noin 20 % kevyempiä kuin hiilikuitukomposiitit.

Mitenpä jos verrataan Aramid-komposiittien painoa metalleihin?
Aramid-komposiittien tiheys on 1,3 g/cm3. Alumiinilla se on 2,7 g/cm3, titaanilla 4,5 g/cm3 ja teräksellä 7,9 g/cm3.
Muilla sanoilla Aramid-komposiitit ovat 2 kertaa kevyempiä kuin alumiini ja 3 tai 4 kertaa kevyempiä kuin titaani ja jopa 6 kertaa kevyempiä kuin teräs.

Mittainen jäykkyys – täyttää lasikuidun ja hiilikuidun välisen kuilun

Aramidi-komposiiteilla on suurempi jäykkyys suurempi kuin lasikuitukomposiiteilla ja huomattavasti pienempi kuin hiilikuitukomposiiteilla.
On olemassa monia kuitutyyppejä, mukaan lukien hiilikuitu- ja aramidi-kuituja – esim. vakio-, kohtalainen- ja korkea moduulit, jotka tarjoavat erilaista jäykkyyttä ja lujuutta, ja niitä on saatavana eri hintaan. Alla olevassa taulukossa on eritelty tiettyjen kuitujen jäykkyys: lasikuitu, hiilikuitu ja aramidikuitu. Youngin moduulin mittausta seurataan pituussuunnassa.

Erilaisten komposiittikuitujen jäykkyys:

• Lasikuitukankaat – 72 GPa:sta (vakio-E-lasikuitu) 87 GPa:iin (S-lasikuitukankaat, joiden lujuutta on lisätty).
• Hiilikuitukankaat – 230 GPa:sta (komposiittien valmistuksessa käytettävät vakiokankaat – Toray T300 ) aina 590 GPa:iin (HM-luokka Toray M60J).
• Aramidikuitukankaat – 96 GPa:sta (komposiittien valmistuksessa käytettävät vakio-aramidikankaat – nimittäin Kevlar 129) aina -186 GPa:iin asti (lentokoneissa / ilmailu- ja avaruusteollisuudessa käytettävät aramidikankaat – nimittäin Kevlar 149).

Yhteenvetona voidaan todeta, että vakiokankaista valmistettujen aramidikomposiittien jäykkyys on noin 30-40 % suurempi kuin lasikuitukomposiittien jäykkyys ja että niiden suorituskyky on huomattavasti rajoitetumpi kuin hiilikuitukomposiittien, joiden jäykkyys on 50 % pienempi kuin hiilikuitukomposiittien.

Vähäinen lämpölaajeneminen

Aramidi on erittäin stabiili, kun se altistuu korkeille lämpötiloille, sillä sen lämpölaajenemiskerroin on lähes nolla ja lievästi negatiivinen, mikä vastaa (-2,4 x 10-6/°C).

Ei johtava

Aramidi on hyvä eriste eikä johda sähköä.

Hiertymiskestävyys

Aramidikomposiitteja käytetään laajalti osissa ja komponenteissa, jotka altistuvat hankaukselle, esim. kilpa-auton moottoria suojaava liukulevy.
Aramidia käytetään yleisesti louhintateollisuudessa (esim. kaivosteollisuudessa) kuljettimien kumihihnojen vahvistamiseen, ja se takaa suuremman lujuuden ja kulutuskestävyyden, joka Kevlarin valmistajan mukaan voi parantua jopa 50-70 %.
Tämän ominaisuuden ansiosta materiaalia käytetään komposiiteissa sekä työvaatteissa, esim. viiltosuojattomissa suojakäsineissä, joissa käytetään Aramid-kankaita, esim. Twaronia tai Kevlaria.

Tärinänvaimennus

Yksi aramidikomposiittien erityisominaisuuksista liittyy tärinänvaimennukseen, minkä vuoksi aramidia käytetään tärinälle alttiiden komponenttien, kuten lentokoneiden rakenneosien, valmistuksessa.

Alhainen dielektrinen vakio

Aramid-komposiitilla on matala sähköinen permittiivisyys, joka on ~3,85 (10 GHz), mikä takaa hyvän suorituskyvyn ja voimakkuuden signaalin tunkeutumiselle aramidista valmistetuissa suoja- /ilmatutkavaipoissa. Tämäntyyppisiä antenneja käytetään laajalti sotilaallisiin tarkoituksiin esim. sotilaslentokoneissa. Aramidikotelot/radomit suojaavat antenneja vaurioilta ja takaavat hyvän signaalisuorituskyvyn.

Vertauksena E-lasikuitukomposiitilla on sähköinen permittiivisyys, joka vastaa 6,1:tä (10 GHz), mikä johtaa 60 % pienempään antennisignaalin voimakkuuteen ja tehoon.
Aramidin lisäksi käytetään myös kvartsikankaita, joiden sähköinen permittiivisyys on 3,78 (10 GHz).

Käyttö muiden kankaiden kanssa ja hybridikomposiittien luominen

Aramidikankaita voidaan käyttää hiilikuitukomposiiteissa ja lasikuitukomposiiteissa muokkaamalla parametreja vaatimusten mukaan, mikä tarjoaa monia mahdollisuuksia komposiittituotteiden toimittajille.
Hiilikuitukomposiittien iskunkestävyyttä voidaan parantaa lisäämällä niihin muutama kerros aramidikankaita.

Hybridikomposiitti, joka on valmistettu kankaiden yhdistelmästä eli 50 %:n osuudella hiilikuiduista ja 50 %:n osuudella aramidikuiduista, tarjoaa 100-125 % paremman iskunkestävyyden kuin pelkkiä hiilikuitukuituja sisältävillä komposiiteilla.
Muita esimerkkejä käyttökohteista ovat muutama aramidikerros, jotka on sijoitettu paikkoihin, joissa porausta seuraa, jotta varmistetaan lujitus ja vähennetään komposiitin vaurioitumis-/halkeamisriskiä reikien ympärillä käytön aikana tai tärinän seurauksena.

Aramidikomposiittien haitat

Veden/kosteuden imukyky

Aramidikuiduilla on suhteellisen suuri kosteuden imukyky (jopa 6 % painostaan), joten aramidikomposiitit on suojattava asianmukaisesti – yleensä pintamaalilla kosteuden imukyvyn vähentämiseksi. Lisäksi veden kanssa kosketuksiin joutuvissa komposiiteissa käytetään joitakin aramidityyppejä, joiden vedenimeytymiskyky on heikentynyt, esim. Kevlar 149 tai Armos.

On mielenkiintoista huomata, että tavallisilla aramidikankailla on niin korkea imeytymiskyky, ja nämä ominaisuudet suojaavat palamiselta ja kiehumiselta. Tätä materiaalia käytetään hyvin usein pyroteknisissä esityksissä, kun se liotetaan parafiinilla. Ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ansiosta Aramidi varmistaa parafiinin imeytymisen, mutta ei hajoa palamisen aikana ja kestää korkeita lämpötiloja.

Aramidikomposiitin yläpinnan kosteudenkestävyyden ja mikrosäröilyn parantamiseksi siihen lisätään hyvin usein kerros lasikangasta parantamaan pintakerrosten tartuntasitoutumista ja helpottamaan pintakerrosten mahdollisia korjauksia tulevaisuudessa.

Vaikea käsittely ja työstö

Aramidikuitujen leikkaaminen on vaikeaa. Siksi aramidikankaita sisältävien komposiittien tuotantoprosessi voi osoittautua hyvin vaativaksi. Näin ollen on vaikeaa leikata sekä kuivia aramidikankaita että valmiita aramidikomposiitteja, jotka on valmistettu aramidikankaista ja esim. epoksihartseista.

Kuivien kankaiden leikkaaminen on mahdollista laserilla tai tähän tarkoitukseen suunnitelluilla erikoisleikkureilla. Valmiiden aramidikomposiittien leikkaaminen on mahdollista vesisuihkuleikkauksella tai leikkureilla, joissa on erityisesti suunnitellut karbidikärkiset tai timanttityökalut. Huomaa, että leikkureiden käyttö aiheuttaa komposiitin reunojen lievää haurastumista.

Aramidikomposiittien valmistuksen aikana jo suunnitteluvaiheessa tehdään joitakin muutoksia ja modifikaatioita, jotta muotteja voidaan mukauttaa tarkoituksenmukaisella tavalla ja jotta voidaan pienentää purunpoiston jälkeen tarvittavan leikkaamisen määrää. Joskus paikoissa, joissa leikkaamista tarvitaan, käytetään hybridikankaita sisältävää kerrosta, eli kerrosta, joka sisältää hiilikuituja (50 %) ja aramidikuituja (50 %).

Aramidikuiduilla on vaatimaton sidos verrattuna lasi- tai hiilikuituihin ja vaatimaton hartsin tunkeutuminen. Siksi aramidikomposiittien valmistuksessa suositellaan käytettäväksi epoksihartseja, jotka tarjoavat paremman suorituskyvyn aramidikangaskerrosten liimaamiseen.

UV:n aiheuttama hajoaminen

Aramidikuidut kestävät huonosti UV-säteilyä.
UV-säteily (auringonvalo) aiheuttaa aramidikuitujen hajoamista. Siksi tarvitaan suojausta, joka voi olla pintakerros tai materiaalikerros esim. aramidilinjat suljetaan yleensä suojapeitteeseen.

Korkeat kustannukset

Aramidi on kallis materiaali, jonka hinta vastaa hiilikuitua. Siksi sitä käytetään erityistarkoituksiin, joissa vaaditaan poikkeuksellista iskunkestävyyttä/kulutuskestävyyttä sekä lopputuotteen pientä painoa. Itse asiassa 1 neliömetri valmista prepregiä, jonka paino on 200 g/m2 ja joka on tarkoitettu komposiitin valmistukseen, maksaa noin 30-40 euroa neliömetriltä.

Alhainen puristuslujuus

Aramidikuitujen puristuslujuus on pienempi kuin lasikuitujen tai hiilikuitujen, minkä vuoksi hybridikankaita käytetään laajalti komponenteissa, jotka ovat alttiina suurelle puristukselle, kuten rakenteissa, joissa on yhdistelmä aramidia ja hiilikuitua.

Aramidin käyttö

Käytännössä aramidilla on monia sovelluksia. Tässä muutamia esimerkkejä:

Aramidin käyttö komposiiteissa – Aramidikomposiitit:

• luodinkestävät liivit.
• Moottoriurheilu ja kulumiselle/iskuille alttiiden osien suojaus – esim. pyöräkotelot, luistilevyt.
• Lentokoneiden runko (usein hiili-Kevlar-hybridi), roottorit, pinnoitteet.
• Lentokoneiden tavaratilat.
• Sotilaslentokoneiden tutkakupolit, joilla on erityiset dielektriset ominaisuudet.
• Surffauslaudat.
• Kajakit.
• Laivojen rungot.
• Liikennekaasusylinterit – painavat 70 % vähemmän kuin teräksiset kaasupullot, ja ne kestävät paremmin iskuja hiilikuitukuituun verrattuna – esim.esim. Low8.

Aramidin käyttö kuivissa kankaissa:

• Suojavaatteet – mukaan lukien palonkestävät vaatteet, kuten sotilasvaatteet (esim. a2cu ), palokuntavaatteet tai F1- ja NASCAR-ajoihin suunnitellut vaatteet (useimmiten Nomex).

  

• Leikkauskestävät suojakäsineet.
• Kumipintaisten osien vahvistaminen esim.esim. hammashihnat.
• Renkaiden vahvistaminen.
• Köydet.
• Optiset kaapelit, jotka on varustettu aramidikuituvuorella, joka estää halkeilun ja suojaa hetkittäiseltä kosketukselta tulen kanssa.
• Purjekangas.
• Rumpukannet.
• Hunajakennoissa käytettävä aramidipaperi.

Yhteenveto
Aramidilla on poikkeukselliset ominaisuudet ja suorituskyky iskunkestävyyden, kulutuksen ja leikkauskestävyyden osalta sekä erittäin alhainen paino, joka on 20 % pienempi kuin hiilikuidulla.
Samanaikaisesti tällä materiaalilla on joitakin haittoja, kuten vaikea käsittely ja jalostus tai kosteuden imeytyminen.

Toivomme, että tämän asiakirjan lukeminen antaa kaikille mahdollisuuden oppia lisää eduista ja haitoista sekä edistää sen optimaalista käyttöä insinöörien ja suunnittelijoiden keskuudessa.

ARAMIDIKOMPOSIITTIEN VALMISTUS

Dexcraft toimittaa aramidikomposiittituotteita, kuten luodinkestäviä liivejä, kilpa-autojen korin osia, aramidilevyjä ja muita komposiitteja.

Lisää osoitteessa: Kevlar & Aramidiosien valmistus.