Aramid / kevlár egy olyan anyag, amely egyedülálló tulajdonságokkal rendelkezik: kivételes szilárdság és nagyon alacsony súly.

Noha néha a szénszálhoz hasonlítják, nagyon fontos különbségek vannak az aramid és a szénszál között. Valójában nem csak a szín különbözteti meg az Aramidot a szénszálaktól – az Aramid sárga, míg a szénszál fekete. Mindkét anyag eltérő tulajdonságokkal rendelkezik, és különböző ipari igényekre alkalmas.

A szénszálas kompozitokról és azok tulajdonságairól többet megtudhat a “Szénszálas kompozitok” című cikkben.

Ez a cikk az Aramid szálas kompozitok tulajdonságait, előnyeit és hátrányait, valamint a különböző iparágakban való felhasználás gyakorlati példáit és késztermékeit elemzi.

Történet

Aramid konkrét anyagokra utal, amelyek különböző kereskedelmi nevek alatt kaphatók.

A Dupont volt az első cég, amely a 60-as években bevezette és gyártotta az Aramidot Kevlar bejegyzett márkanév alatt, és 1973 óta van forgalomban. Az Aramidot egy lengyel származású vegyésznő, Stefania Kwolek fedezte fel, aki egy olyan kis súlyú és rendkívül erős anyagra összpontosító kutatásokat végzett, amelyet a gumiabroncsok gyártásánál a nejlon helyett lehetne használni.

Mára a Kevlar a legismertebb az összes Aramid kompozit közül.

Az idő múlásával más vállalatok is beindították a gyártást, és elkezdték szállítani az Aramidot kissé eltérő jellemzőkkel, de hasonló fő tulajdonságokkal.

Aramidot más beszállítók is szállítják különböző kereskedelmi nevek alatt, többek között: Az Aramid egy rendkívül magas vágásállóságú anyag, amelyet gyakran használnak a védőruházat gyártásához.

Minden Kevlar, Twaron vagy Nomex nevű anyag valójában az Aramidra utal, és kivételes tulajdonságokkal rendelkezik, beleértve a rendkívüli ütés- és kopásállóságot, a magas hőmérséklettel szembeni ellenállást, valamint az alacsony súlyt. Ezeknek a tulajdonságoknak köszönhetően ezt az anyagot rendszeresen használják a hadsereg, a légierő, a vízi- és motorsportok, valamint gumiabroncsok, ruházat és védőkesztyűk gyártásához és sok más felhasználási területre. Az alkalmazások száma évről évre nő.

Milyen tulajdonságokkal rendelkezik az Aramid/Kevlar?

Az Aramid Kevlar vagy Nomex formájában egy olyan szerkezeti anyagra utal, amely bizonyos előnyökkel és hátrányokkal rendelkezik. Az alábbi leírás az aramid kompozitok és az aramid száraz szálak alapvető tulajdonságait tartalmazza.

Az aramid kompozitok előnyei

Nagyfokú ütés- és repedésállóság

Aramid rendkívüli ütésállósággal rendelkezik, és nem reped meg nyomás alatt, mivel szívós és jelentős energiaelnyelést tesz lehetővé. Széles körben használják golyóálló mellények, hajók, kajakok, valamint katonai járművek alkatrészeinek páncélozására.

Az Aramidból készült kompozit ötször nagyobb ütésállósággal rendelkezik, mint egy szénszálas kompozit (cseppsúlyos ütésvizsgálat). Az ilyen rendkívüli ütés- vagy golyóállóság az Aramid szerkezetét alkotó hosszú atomláncoknak köszönhető.
Egy ilyen tulajdonságoknak köszönhetően ezt az anyagot széles körben használják katonai célokra golyóálló mellények és tankpáncélzat anyagának gyártásánál.

A golyóálló mellényeket több tucat aramid (például kevlár) rétegből álló anyagból készítik, és a rétegek között kerámialemezt tartalmaznak. Az egyes páncélozott járművekben, például az amerikai M1 harckocsiban használt pajzsok olyan anyagból készülnek, amelynek szerkezete acél – aramid – acél, hogy védelmet nyújtson az akár 700 mm átmérőjű páncéltörő rakéták ellen. Továbbá magának a harckocsinak a védelme mellett az acél-aramid-acél páncélpajzsok a személyzetet is védik azáltal, hogy elnyelik a behatoló rakéta által generált mozgási energiát.

A kevlár egy másik alkalmazása a Boeing AH-64 – az amerikai hadsereg elsődleges támadó helikoptere, amelyet kevlár rotorokkal láttak el. Itt a kevlár biztosítja a védelmet a 23 mm átmérőjű lövedékekkel szemben.

A nagy ütésállóságnak köszönhetően a kevlárt széles körben használják hajók és kajakok építéséhez, pl. a Volvo Ocean Race-re, az egyik legkeményebb sportos kihívásra tervezett jachtok burkolatához. A vízi sportokhoz használt nagy teljesítményű kajakok többsége kevlárból vagy szénszálas/kevlár hibridekből készül.

alacsony sűrűség/alacsony súly

Aramid szálak rendkívül alacsony sűrűséggel rendelkeznek, ami előnyös a kompozitok gyártása során.

Aramid kompozitok körülbelül 20%-kal könnyebbek, mint a szénszálas kompozitok, amelyek maguk is nagyon könnyűnek számítanak. Az aramidszövetek használata a kompozitokban növeli az ütés- és kopásállóságot, valamint biztosítja a kompozit elemek csökkentett tömegét.

Aramidszálak sűrűsége ~ 1,45 g/cm3 , míg az aramidból és epoxigyantából álló aramid kompozitok sűrűsége ~ 1,3 g/cm3 . Ez a számítás a keményítővel kevert epoxigyanta ~1,1 g/cm3 sűrűségén, valamint a kompozit gyártása során alkalmazott fejlett technológián, nevezetesen az autoklávos prepreg-en alapult.

A nagyon könnyűnek tekintett szénszálak összehasonlításához a szénkompozitok – szénszál és epoxigyanta – sűrűsége megegyezik az 1.55 g/cm3.

Más szóval az aramidszálas kompozitok körülbelül 20%-kal könnyebbek, mint a szénszálas kompozitok.

Hogyan lehet összehasonlítani az aramidkompozitok súlyát a fémekkel?
Aramidkompozitok sűrűsége 1,3 g/cm3. Az alumínium esetében ez 2,7 g/cm3, a titán 4,5 g/cm3 és az acél 7,9 g/cm3.
Más szóval az Aramid kompozitok 2-szer könnyebbek az alumíniumnál, 3-4-szer könnyebbek a titánnál és akár 6-szer könnyebbek az acélnál.

Mérsékelt merevség – kitölti az üvegszál és a szénszál közötti rést

Aramid kompozitok merevsége nagyobb, mint az üvegszálas kompozitoké, és lényegesen kisebb, mint a szénszálas kompozitoké.
Egyaránt sokféle szál létezik, köztük szén- és aramidszálak – pl. standard, mérsékelt és magas modulokból, amelyek különböző merevséget, szilárdságot kínálnak, és különböző áron kaphatók. Az alábbi táblázat az egyes szálak merevségét adja meg: üvegszál, szénszál és aramidszál. A Young-modulus mérése hosszirányban követett.

A különböző kompozit szálak merevsége:

• Olaszszálas szövetek – 72 GPa-tól (standard E-üveg) 87 GPa-ig (fokozott szilárdságú S-üvegszövetek).
• Szénszálas szövetek – 230 GPa-tól (kompozitok gyártásához használt szabványos szövetek – Toray T300 ) egészen 590 GPa-ig (HM osztályú Toray M60J).
• Aramidszálas szövetek – 96 GPa-tól (kompozitokban alkalmazott szabványos Aramidszövetek – nevezetesen Kevlar 129) egészen – 186 GPa-ig (a repülőgépiparban/űrhajózásban használt Aramidszövetek, nevezetesen Kevlar 149).

Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a szabványos szövetekből készült Aramid kompozitok merevsége körülbelül 30-40%-kal nagyobb, mint az üvegszálas kompozitoké, és jelentősen korlátozott teljesítményt nyújtanak a szénszálas kompozitokhoz képest – amelyek merevsége 50%-kal kisebb, mint a szénszálas kompozitoké.

alacsony hőtágulás

Aramid nagyon stabil, ha magas hőmérsékletnek van kitéve, szinte nulla és enyhén negatív hőtágulási együtthatóval, amely (-2,4 x 10-6/°C).

Nem vezet

Aramid jó szigetelő és nem vezeti az elektromosságot.

Kopásállóság

Aramid kompozitokat széles körben használják kopásnak kitett alkatrészekhez és komponensekhez, pl. egy versenyautó motorját védő csúszótalpakhoz.
Aramidot gyakran használják a kitermelőiparban (pl. bányaipar) a szállítószalagok gumírozott szalagjainak megerősítésére, és nagyobb szilárdságot és kopásállóságot biztosít, ami a Kevlar gyártója szerint akár 50-70%-kal is javulhat.
Egy ilyen tulajdonságainak köszönhetően az anyagot kompozitokban, valamint munkaruházatban is használják, pl. vágásálló védőkesztyűkben, ahol Aramid-szöveteket használnak, pl. Twaron vagy Kevlar.

Vibrációelnyelés

Az Aramid kompozitok egyik különleges tulajdonsága a rezgéselnyeléssel kapcsolatos, ezért az Aramidot rezgésnek kitett alkatrészek, pl. repülőgépszerkezeti elemek gyártására használják.

alacsony dielektromos állandó

Aramid kompozit alacsony, ~3,85 (10 GHz) elektromos permittivitással rendelkezik, ami biztosítja az aramid védőburkolatokon / légi radomokon áthatoló jelek jó teljesítményét és erősségét. Ezt az antennatípust széles körben használják katonai célokra, pl. katonai repülőgépeken. Az aramid burkolatok/radómok védik az antennákat a sérülésektől és jó jelteljesítményt biztosítanak.

Az E-üvegszálas kompozit ehhez képest 6,1 (10 GHz) értéknek megfelelő elektromos áteresztőképességet kínál, ami az antenna jelteljesítményét és teljesítményét 60%-kal kisebbnek eredményezi.
Az aramid mellett kvarcszöveteket is használnak, amelyek 3,78 (10 GHz) elektromos áteresztőképességet kínálnak.

Más szövetekkel való felhasználás és hibrid kompozitok létrehozása

Az aramidszövetek felhasználhatók szénszálas és üvegszálas kompozitokban a paraméterek igény szerinti módosításával, ami számos lehetőséget biztosít a kompozit termékek beszállítói számára.
A szénszálas kompozitok esetében néhány réteg aramidszövet hozzáadásával javítható az ütésállóság.

A szövetek kombinációjából, azaz 50% szénszálból és 50% aramidszálból készült hibrid kompozit 100-125%-kal jobb ütésállóságot biztosít a csak szénszálból készült kompozitokhoz képest.
Egy másik alkalmazási példa a fúrás utáni helyeken biztosított néhány réteg aramid, hogy biztosítsa a megerősítést és csökkentse a kompozit sérülésének/repedésének kockázatát a lyukak körül működés közben vagy a rezgés következtében.

Az aramid kompozitok hátrányai

Víz/nedvességfelvevő képesség

Az aramidszálak viszonylag nagy nedvességfelvevő képességgel rendelkeznek (akár a tömegük 6%-a), ezért az aramid kompozitokat megfelelően védeni kell – általában fedőréteggel a nedvességfelvevő képesség csökkentése érdekében. Továbbá a vízzel érintkezésnek kitett kompozitok esetében olyan Aramid-típusokat használnak, amelyeknek csökkentett a vízfelvevő képessége, pl. Kevlar 149 vagy Armos.

Érdekes megjegyezni, hogy a szabványos Aramid-szövetek ilyen magas nedvszívó képességgel rendelkeznek, és ezek a tulajdonságok védelmet nyújtanak az égés és a leforrázás ellen. Ezt az anyagot nagyon gyakran használják pirotechnikai előadások során, amikor paraffinnal áztatják. Egyedülálló tulajdonságainak köszönhetően az Aramid biztosítja a paraffin felszívódását, de nem bomlik le égés közben, és ellenáll a magas hőmérsékletnek.

Az aramid kompozit felső felület nedvességgel és mikrorepedéssel szembeni ellenállásának javítása érdekében nagyon gyakran egy réteg üvegszövetet adnak hozzá, hogy javítsák a felső rétegek tapadási kötését, és megkönnyítsék az esetleges későbbi felső rétegjavításokat.

Nehéz kezelés és feldolgozás

Az aramidszálakat nehéz vágni. Ezért az aramidszálakat is tartalmazó kompozitok gyártási folyamata nagyon igényes folyamatnak bizonyulhat. Következésképpen mind a száraz aramidszövetek, mind az aramidszövetekből és pl. epoxigyantákból készült kész aramidkompozitok vágása nehézkes.

A száraz szövetek vágása lézerrel vagy erre a célra tervezett speciális vágógépekkel lehetséges. A kész aramidkompozitok vágása vízsugaras vágással vagy speciálisan kialakított karbid- vagy gyémánthegyű vágószerszámokkal lehetséges. Vegyük figyelembe, hogy a vágóeszközök használata a kompozit széleinek enyhe kopását okozza.

Az aramid kompozitok gyártása során, már a tervezési fázisban bizonyos változtatásokat és módosításokat végeznek a formák megfelelő kiigazítása és a formázás után szükséges vágás mennyiségének csökkentése érdekében. Néha azokon a helyeken, ahol vágásra van szükség, hibrid szöveteket tartalmazó réteggel látják el, nevezetesen olyan réteggel, amely szénszálakat (50%) és aramidszálakat (50%) tartalmaz.

Az aramidszálaknak az üvegszálakhoz vagy szénszálakhoz képest szerény a kötésük és szerény a gyantapenetrációjuk. Ezért az aramid kompozitok előállításához ajánlott olyan epoxigyantákat használni, amelyek jobb teljesítményt nyújtanak az aramidszövet rétegek kötéséhez.

UV okozta degradáció

Aramidszálak rosszul ellenállnak az UV sugárzásnak.
Az UV sugárzás (napfény) az aramidszálak degradációját okozza. Ezért védelemre van szükség, ami lehet fedőréteg vagy anyagréteg pl. az aramidsorokat általában védőburkolatba foglalják.

magas költségek

Aramid költséges anyag, ára a szénszálakéhoz hasonló. Ezért speciális célokra használják, ahol rendkívüli ütés- és kopásállóságra, valamint a késztermék kis súlyára van szükség. Valójában 1 négyzetméter 200 g/m2 tömegű kész prepreg, amelyet kompozit előállítására szánnak, kb. 30-40 EUR/négyzetméter.

alacsony nyomószilárdság

Aramidszálak nyomószilárdsága alacsonyabb, mint az üvegszálaké vagy a szénszálaké, ezért a hibridszöveteket széles körben használják a nagy nyomóerőnek kitett alkatrészeknél, például az aramid és szénszálak kombinációját tartalmazó szerkezeteknél.

Aramid felhasználása

A gyakorlatban az aramid számos alkalmazást talál. Íme néhány példa:

Az aramid felhasználása kompozitokban – Aramid kompozitok:

• Golyóálló mellények.
• Motorsportok és a kopásnak/ütközésnek kitett alkatrészek védelme – pl. kerékjárati ívek, csúszótalpak.
• Légijárművek teste (gyakran szén-Kevlar hibrid), rotorok, bevonatok.
• Légijárművek csomagtartói.
• Katonai repülőgépek radomjai, amelyek különleges dielektromos tulajdonságokkal rendelkeznek.
• Szörfdeszkák.
• Kajakok.
• Hajótestek.
• LPG palackok – súlyuk 70%-kal kisebb, mint az acél palackoké, és a szénszálakhoz képest jobb ütésállóságot nyújtanak – e.pl. Low8.

Az Aramid felhasználása száraz szövetekben:

• Védőruházat – beleértve a lángálló ruházatot, mint például a katonai ruházat (pl. a2cu ), tűzoltó ruházat, vagy az F1 és NASCAR számára tervezett ruházat (többnyire Nomex).

  

• Vágásálló védőkesztyűk.
• Gumírozott alkatrészek megerősítése e.pl. vezérműszíjak.
• A gumiabroncsok megerősítése.
• Kötelek.
• Az aramidszálas béléssel ellátott optikai kábelek, amelyek megakadályozzák a repedést és védelmet nyújtanak a tűzzel való pillanatnyi érintkezés ellen.
• Vitorlavászon.
• Dobfejek.
• Aramidpapír, amelyet méhsejtekben használnak.

Összefoglaló
Aramid rendkívüli tulajdonságokkal és teljesítménnyel rendelkezik az ütésállóság, kopásállóság, vágásállóság és a szénszálaknál 20%-kal kisebb ultraalacsony súly tekintetében.
Ez az anyag ugyanakkor néhány hátrányt is mutat, mint például a nehézkes kezelés és feldolgozás vagy a nedvesség felszívódása.

Reméljük, hogy e cikk elolvasásával mindenki többet tudhat meg az előnyökről és hátrányokról, valamint hozzájárul ahhoz, hogy a mérnökök és a tervezők optimálisan használhassák.

Az ARAMID KOMPOSITOK KÉSZÍTÉSE

Dexcraft olyan aramid kompozit termékeket szállít, mint például golyóálló mellények, versenyautó karosszériaelemek, aramid lemezek és egyéb kompozitok.

Ha többet szeretne megtudni, kérjük, látogasson el a következő weboldalra: Kevlar & Aramid alkatrészek gyártása.