Aramid / Kevlar jest materiałem, który oferuje unikalne właściwości wyjątkowej wytrzymałości i bardzo niskiej wagi.

Mimo, że jest on czasami porównywany do włókna węglowego, istnieją bardzo istotne różnice między Aramidem a włóknem węglowym. Właściwie to nie tylko kolor odróżnia Aramid od włókna węglowego – Aramid jest żółty, podczas gdy włókno węglowe jest czarne. Oba te materiały oferują różne właściwości i są dostosowane do różnych potrzeb przemysłu.

Więcej informacji na temat kompozytów z włókien węglowych i ich właściwości można znaleźć w artykule zatytułowanym „Kompozyty z włókien węglowych”.

W niniejszym artykule przeanalizowano właściwości kompozytów z włókien aramidowych, ich zalety i wady, a także praktyczne przykłady zastosowania w różnych gałęziach przemysłu i gotowe produkty.

Historia

Aramid odnosi się do konkretnych materiałów, które są dostępne pod różnymi nazwami handlowymi.

Dupont był pierwszą firmą, która wprowadziła i produkowała Aramid w latach 60-tych pod zastrzeżonym znakiem towarowym Kevlar, a na rynku jest on dostępny od 1973 roku. Aramid został odkryty przez chemiczkę polskiego pochodzenia, Stefanię Kwolek, która prowadziła badania nad materiałem o niskiej wadze i wyjątkowej wytrzymałości, który mógłby być stosowany zamiast nylonu w produkcji opon.

Obecnie Kevlar jest najbardziej znanym ze wszystkich kompozytów aramidowych.

W miarę upływu czasu, inne firmy również uruchomiły produkcję i zaczęły dostarczać Aramid o nieco innych cechach, ale podobnych głównych właściwościach.

Aramid jest dostarczany przez innych dostawców również pod różnymi nazwami handlowymi, w tym: Nomex dostarczany przez Dupont, Twaron i Technora dostarczane przez Teijin w Japonii, Arawin dostarczany przez Toray w Korei, Kolon dostarczany przez Heracron w Korei, a także kilka innych dostarczanych przez firmy chińskie.

Każdy materiał o nazwie Kevlar, Twaron czy Nomex w rzeczywistości odnosi się do Aramidu i charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami, w tym niezwykłą odpornością na uderzenia i ścieranie, odpornością na wysoką temperaturę, a także niską wagą. Dzięki tym właściwościom materiał ten jest regularnie wykorzystywany przez wojsko, siły powietrzne, w sportach wodnych i motorowych, a także do produkcji opon, odzieży i rękawic ochronnych oraz wielu innych zastosowań. Liczba zastosowań rośnie z każdym rokiem.

Jakie są właściwości Aramidu/Kevlaru?

Aramid w postaci Kevlaru lub Nomexu odnosi się do materiału strukturalnego, który oferuje pewne zalety i wady. Poniższy opis obejmuje istotne właściwości kompozytów aramidowych i suchych włókien aramidowych.

Wady kompozytów aramidowych

Wysoka odporność na uderzenia i pękanie

Aramid charakteryzuje się niezwykłą odpornością na uderzenia i nie pęka pod ciśnieniem, ponieważ jest twardy i pozwala na znaczną absorpcję energii. Jest szeroko stosowany do produkcji kamizelek kuloodpornych, łodzi, kajaków, a także opancerzenia podzespołów w pojazdach wojskowych.

Kompozyt wykonany z Aramidu posiada 5-krotnie większą odporność na uderzenia niż kompozyt z włókna węglowego (test drop weight impact). Tak niezwykła odporność na uderzenia lub pociski jest wynikiem długich łańcuchów atomów tworzących strukturę Aramidu.
Dzięki tym właściwościom materiał ten jest szeroko wykorzystywany do celów militarnych przy produkcji kamizelek kuloodpornych i opancerzenia czołgów.

Kamizelki kuloodporne wykonane są z materiału składającego się z kilkudziesięciu warstw Aramidu (np. Kevlaru) i zawierają między warstwami płytę ceramiczną. Osłony stosowane w niektórych pojazdach pancernych takich jak amerykański czołg M1 wykonane są z materiału, którego struktura zawiera stal -aramid – stal, co ma chronić przed pociskami przeciwpancernymi o średnicy do 700mm. Ponadto, oprócz ochrony samego czołgu, osłony pancerza stal-aramid-stal chronią również załogę poprzez pochłanianie energii kinetycznej generowanej przez pocisk penetrujący.

Innym zastosowaniem kevlaru jest Boeing AH-64 – podstawowy śmigłowiec szturmowy armii amerykańskiej wyposażony w kevlarowe wirniki. Tutaj kevlar zapewnia ochronę przed pociskami o średnicy do 23 mm.

Dzięki wysokiej odporności na uderzenia, kevlar jest szeroko stosowany do budowy łodzi i kajaków, np. kadłubów jachtów przeznaczonych do Volvo Ocean Race, jednego z najtrudniejszych wyzwań sportowych. Większość wyczynowych kajaków do sportów wodnych jest wykonana z Kevlaru lub hybryd włókna węglowego/Kevlaru.

Niska gęstość / niska waga

Włókna aramidowe charakteryzują się wyjątkowo niską wagą, co jest zaletą podczas produkcji kompozytów.

Kompozyty aramidowe są o około 20% lżejsze od kompozytów z włókien węglowych, które same w sobie uważane są za bardzo lekkie. Zastosowanie tkanin aramidowych w kompozytach zwiększa odporność na uderzenia i ścieranie, a także zapewnia zmniejszenie masy elementów kompozytowych.

Włókna aramidowe mają gęstość ~ 1,45 g/cm3, natomiast kompozyty aramidu i żywicy epoksydowej mają gęstość ~ 1,3 g/cm3. Obliczenia te oparto na gęstości żywicy epoksydowej zmieszanej z utwardzaczem ~1,1 g/cm3 oraz na zaawansowanej technologii stosowanej przy produkcji kompozytów, a mianowicie prepregów z autoklawem.

Dla porównania włókna węglowe, które uważane są za bardzo lekkie, mają gęstość kompozytów węglowych – włókna węglowego i żywicy epoksydowej równą 1.55 g/cm3.

Innymi słowy kompozyty z włóknami aramidowymi są o około 20% lżejsze od kompozytów z włóknami węglowymi.

A jak wygląda porównanie wagi kompozytów aramidowych z metalami?
Kompozyty aramidowe mają gęstość 1,3 g/cm3. W przypadku aluminium jest to 2,7g/cm3, tytanu 4,5 g/cm3, a stali 7,9 g/cm3.
Innymi słowy kompozyty aramidowe są 2 razy lżejsze od aluminium, 3 lub 4 razy lżejsze od tytanu i aż 6 razy lżejsze od stali.

Umiarkowana sztywność – wypełnia lukę pomiędzy włóknem szklanym a węglowym

Kompozyty aramidowe mają sztywność wyższą niż kompozyty z włóknem szklanym i znacznie niższą niż kompozyty z włóknem węglowym.
Istnieje wiele rodzajów włókien, w tym węglowe i aramidowe – np. o standardowych, umiarkowanych i wysokich modułach, które oferują różną sztywność, wytrzymałość i są dostępne w różnych cenach. W tabeli poniżej podano sztywność poszczególnych włókien: szklanych, węglowych i aramidowych. Pomiar modułu Younga przeprowadzono w kierunku wzdłużnym.

Sztywność różnych włókien kompozytowych:

• Tkaniny z włókien szklanych – od 72 GPa (standardowe E-glass) do 87 GPa (tkaniny S-Glass o zwiększonej wytrzymałości).
• Tkaniny z włókien węglowych – od 230 GPa (standardowe tkaniny stosowane do produkcji kompozytów – Toray T300 ) do 590 GPa (klasa HM Toray M60J).
• Tkaniny z włókien aramidowych – od 96 GPa (standardowe tkaniny aramidowe stosowane w kompozytach – Kevlar 129) do 186 GPa (tkaniny aramidowe – Kevlar 149 stosowane w przemyśle lotniczym).

Podsumowując można stwierdzić, że kompozyty aramidowe wykonane z tkanin standardowych charakteryzują się sztywnością około 30-40% większą niż kompozyty z włóknem szklanym i znacznie ograniczoną wydajnością w porównaniu z kompozytami z włóknem węglowym – które oferują sztywność o 50% mniejszą niż kompozyty z włóknem węglowym.

Niska rozszerzalność cieplna

Aramid jest bardzo stabilny w wysokich temperaturach z prawie zerowym i lekko ujemnym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, który jest równoważny (-2.4 x 10-6/°C).

Nieprzewodzący

Aramid jest dobrym izolatorem i nie przewodzi prądu.

Odporność na ścieranie

Kompozyty aramidowe są szeroko stosowane do części i komponentów narażonych na ścieranie np. płyta poślizgowa chroniąca silnik w samochodzie wyścigowym.
Aramid jest powszechnie stosowany przez przemysł wydobywczy (np. górnictwo) do wzmacniania gumowanych taśm przenośnikowych i zapewnia większą wytrzymałość i odporność na ścieranie, która według producenta Kevlaru może być zwiększona nawet o 50-70%.
Dzięki tym właściwościom materiał ten stosowany jest w kompozytach, a także w odzieży roboczej np. w rękawicach ochronnych odpornych na przecięcia, gdzie stosuje się tkaniny aramidowe np. Twaron lub Kevlar.

Pochłanianie wibracji

Jedna szczególna właściwość kompozytów aramidowych odnosi się do pochłaniania wibracji i w konsekwencji Aramid jest stosowany do produkcji elementów narażonych na wibracje, np. elementów konstrukcyjnych samolotów.

Niska stała dielektryczna

Kompozyt aramidowy ma niską przenikalność elektryczną ~3,85 (10 GHz), co zapewnia dobrą wydajność i siłę sygnału przenikającego przez aramidowe osłony ochronne / anteny lotnicze. Ten typ anteny jest szeroko stosowany w celach wojskowych, np. w samolotach wojskowych. Aramidowe osłony chronią anteny przed uszkodzeniem i zapewniają dobre parametry sygnału.

Dla porównania, kompozyt z włókna szklanego E oferuje przenikalność elektryczną odpowiadającą 6,1 (10 GHz), co skutkuje mocą sygnału anteny i wydajnością o 60% niższą.
Oprócz aramidu stosuje się również tkaniny kwarcowe, które oferują przenikalność elektryczną 3,78 (10 GHz).

Użycie z innymi tkaninami i tworzenie kompozytów hybrydowych

Tkaniny aramidowe można stosować w kompozytach z włóknem węglowym i szklanym, modyfikując parametry w zależności od wymagań, co daje wiele możliwości dostawcom produktów kompozytowych.
W przypadku kompozytów z włóknem węglowym można poprawić odporność na uderzenia, dodając kilka warstw tkanin aramidowych.

Kompozyt hybrydowy wykonany z kombinacji tkanin, a mianowicie 50% włókien węglowych i 50% aramidowych, oferuje o 100-125% lepszą udarność w porównaniu z kompozytami wykonanymi wyłącznie z włókien węglowych.
Inne przykłady zastosowań to kilka warstw aramidu w miejscach wiercenia, aby zapewnić wzmocnienie i zmniejszyć ryzyko uszkodzenia/pęknięcia kompozytu wokół otworów podczas pracy lub w wyniku wibracji.

Wady kompozytów aramidowych

Chłonność wody/wilgoci

Włókna aramidowe mają stosunkowo wysoką chłonność wilgoci (do 6% swojej masy), dlatego kompozyty aramidowe muszą być odpowiednio zabezpieczone – zwykle warstwą wierzchnią, aby zmniejszyć chłonność wilgoci. Dodatkowo w przypadku kompozytów narażonych na kontakt z wodą stosuje się niektóre rodzaje Aramidu, które mają obniżoną chłonność wody np. Kevlar 149 lub Armos.

Interesujące jest to, że standardowe tkaniny Aramidowe mają tak wysoką chłonność i te właściwości zapewniają ochronę przed poparzeniem i oparzeniem. Materiał ten jest bardzo często wykorzystywany podczas widowisk pirotechnicznych, kiedy to nasącza się go parafiną. Aramid dzięki swoim unikalnym właściwościom zapewnia absorpcję parafiny, ale nie ulega degradacji podczas spalania i jest odporny na wysoką temperaturę.

W celu poprawienia odporności na wilgoć i mikropęknięcia wierzchniej warstwy kompozytu aramidowego bardzo często dodaje się warstwę tkaniny szklanej, która poprawia przyczepność warstw wierzchnich i ułatwia ewentualne naprawy warstw wierzchnich w przyszłości.

Trudna obróbka i przetwarzanie

Włókna aramidowe są trudne do cięcia. Dlatego proces produkcji kompozytów zawierających tkaniny aramidowe może okazać się bardzo wymagającym procesem. W konsekwencji trudne jest cięcie zarówno suchych tkanin aramidowych jak i gotowych kompozytów aramidowych wykonanych z tkanin aramidowych i np. żywic epoksydowych.

Cięcie suchych tkanin jest możliwe przy użyciu lasera lub specjalnych przecinarek przeznaczonych do tego celu. Cięcie gotowych kompozytów aramidowych możliwe jest za pomocą cięcia strumieniem wody lub przecinarek ze specjalnie zaprojektowanymi narzędziami z końcówkami węglikowymi lub diamentowymi. Należy pamiętać, że użycie nożyc powoduje nieznaczne postrzępienie krawędzi kompozytów.

Podczas produkcji kompozytów aramidowych, już w fazie projektowania, dokonywane są pewne zmiany i modyfikacje mające na celu odpowiednie dostosowanie form i zmniejszenie ilości cięcia wymaganego po rozformowaniu. Czasami, w miejscach gdzie wymagane jest cięcie, stosuje się warstwę zawierającą tkaniny hybrydowe, a mianowicie taką, która zawiera włókna węglowe (50%) i aramidowe (50%).

Włókna aramidowe mają skromne wiązanie w porównaniu z włóknami szklanymi lub węglowymi oraz skromną penetrację żywicy. Dlatego do produkcji kompozytów aramidowych zaleca się stosowanie żywic epoksydowych, które oferują lepszą wydajność łączenia warstw tkaniny aramidowej.

Degradacja związana z promieniowaniem UV

Włókna aramidowe mają słabą odporność na UV.
Promieniowanie UV (światło słoneczne) powoduje degradację włókien aramidowych. Dlatego wymagana jest ochrona, która może być warstwą wierzchnią lub warstwą materiału, np. linie aramidowe są zwykle zamknięte w powłoce ochronnej.

Wysokie koszty

Aramid jest kosztownym materiałem o cenie zbliżonej do włókna węglowego. Dlatego jest on używany do specyficznych celów, gdzie wymagana jest nadzwyczajna odporność na uderzenia/ścieranie, jak również niska waga gotowego produktu. W rzeczywistości 1 m2 gotowego prepregu o gramaturze 200 g/m2 przeznaczonego do produkcji kompozytu kosztuje około 30-40 EUR/m2.

Niska wytrzymałość na ściskanie

Włókna aramidowe oferują wytrzymałość na ściskanie niższą niż włókna szklane lub węglowe, dlatego tkaniny hybrydowe są szeroko stosowane w komponentach narażonych na duże ściskanie, takich jak konstrukcja zawierająca połączenie włókien aramidowych i węglowych.

Zastosowanie aramidu

W praktyce aramid znajduje wiele zastosowań. Oto kilka przykładów:

Użycie aramidu w kompozytach – kompozyty aramidowe:

• Kamizelki kuloodporne.
• Sporty motorowe i ochrona elementów narażonych na ścieranie/uderzenia – np. nadkola, płyty poślizgowe.
• Kadłub samolotu (często hybryda węglowo-kevlarowa), wirniki, poszycie.
• Przedziały bagażowe samolotów.
• Radary samolotów wojskowych, które mają specyficzne właściwości dielektryczne.
• Płytki surfingowe.
• Kajaki.
• Kadłuby statków.
• Butle LPG – waga jest o 70% niższa niż stalowe i oferują lepszą odporność na uderzenia w porównaniu z włóknem węglowym – np.np. Low8.

Zastosowanie aramidu w suchych tkaninach:

• Odzież ochronna – w tym odzież ognioodporna, taka jak odzież wojskowa (np. a2cu ), odzież straży pożarnej, czy odzież przeznaczona do F1 i NASCAR (głównie Nomex).

  

• Rękawice ochronne odporne na przecięcia.
• Wzmocnienia elementów gumowanych np.np. paski rozrządu.
• Wzmocnienie opon.
• Liny.
• Kable optyczne wyposażone w okładzinę z włókien aramidowych, która zapobiega pękaniu i chroni przed chwilowym kontaktem z ogniem.
• Tkanina żaglowa.
• Głowice bębnowe.
• Papier aramidowy stosowany w plastrach miodu.

Podsumowanie
Aramid oferuje niezwykłe właściwości i osiągi w zakresie odporności na uderzenia, ścieranie, cięcie i ultra niską wagę, która jest o 20% niższa niż włókna węglowego.

Mamy nadzieję, że lektura tego opracowania pozwoli wszystkim dowiedzieć się więcej o jego zaletach i wadach, jak również przyczyni się do jego optymalnego wykorzystania przez inżynierów i projektantów.

MANUFAKTURA KOMPOZYTÓW ARAMIDOWYCH

Dexcraft dostarcza produkty z kompozytów aramidowych, takie jak kamizelki kuloodporne, elementy karoserii samochodów wyścigowych, arkusze aramidowe i inne kompozyty.

Aby dowiedzieć się więcej odwiedź: Kevlar & Produkcja części aramidowych.

.