Aramida / Kevlar este un material care oferă proprietăți unice de rezistență excepțională și greutate foarte redusă.

Deși este uneori comparat cu fibra de carbon, există diferențe foarte importante între aramidă și fibra de carbon. De fapt, nu doar culoarea este cea care diferențiază Aramidul de fibra de carbon – Aramidul este galben în timp ce fibra de carbon este neagră. Ambele aceste materiale oferă proprietăți diferite și sunt potrivite pentru diferite nevoi industriale.

Puteți afla mai multe despre compozitele din fibră de carbon și proprietățile acestora în articolul intitulat „Compozite din fibră de carbon”.

Acest articol analizează proprietățile compozitelor din fibră de aramidă, avantajele și dezavantajele acestora, precum și exemple practice de utilizare în diferite industrii și produse finite.

Historie

Aramida se referă la materiale specifice care sunt disponibile sub diferite denumiri comerciale.

Dupont a fost prima companie care a introdus și fabricat aramida în anii ’60 sub marca înregistrată Kevlar și a fost disponibilă pe piață din 1973. Aramida a fost descoperită de o femeie chimistă de origine poloneză, Stefania Kwolek, care a efectuat cercetări axate pe un material cu greutate redusă și excepțional de rezistent care să fie utilizat în locul nailonului la fabricarea anvelopelor.

În prezent, Kevlar este cel mai cunoscut dintre toate compozitele de aramidă.

Cu timpul, și alte companii au lansat producția și au început să furnizeze aramidă cu caracteristici ușor diferite, dar cu proprietăți principale similare.

Aramida este furnizată de alți furnizori, de asemenea, sub diverse denumiri comerciale, printre care: Nomex furnizat de Dupont, Twaron și Technora furnizate de Teijin în Japonia, Arawin furnizat de Toray în Coreea, Kolon furnizat de Heracron în Coreea, precum și unele altele furnizate de companii chinezești.

Care material denumit Kevlar, Twaron sau Nomex se referă de fapt la Aramid și prezintă proprietăți excepționale, inclusiv o rezistență extraordinară la impact și abraziune, rezistență la temperaturi ridicate, precum și o greutate redusă. Datorită acestor proprietăți, acest material este utilizat în mod regulat de armată, forțele aeriene, sporturi nautice și automobilistice, precum și pentru fabricarea de anvelope, îmbrăcăminte și mănuși de protecție și multe alte utilizări. Numărul de aplicații crește în fiecare an.

Care sunt proprietățile Aramidei/Kevlar?

Aramida sub formă de Kevlar sau Nomex se referă la un material structural care oferă unele avantaje și dezavantaje. Următoarea descriere se referă la proprietățile esențiale ale compozitelor de aramidă și ale fibrelor uscate de aramidă.

Vantajele compozitelor de aramidă

Rezistență ridicată la impact și fisurare

Aramida se caracterizează printr-o rezistență extraordinară la impact și nu se fisurează sub presiune, deoarece este rezistentă și permite o absorbție semnificativă a energiei. Este utilizat pe scară largă pentru fabricarea de veste antiglonț, bărci, caiace, precum și pentru blindarea componentelor din vehiculele militare.

Compozitul fabricat din aramidă are o rezistență la impact de 5 ori mai mare decât un compozit din fibră de carbon (test de impact cu greutate de cădere). O astfel de rezistență extraordinară la impact sau la gloanțe este ca urmare a lanțurilor lungi de atomi care formează structura aramidei.
Grație acestor proprietăți, acest material este utilizat pe scară largă în scopuri militare la fabricarea vestelor antiglonț și a materialului de blindare a tancurilor.

Vestele antiglonț sunt fabricate din material format din câteva zeci de straturi de aramidă (de exemplu Kevlar) și includ o placă ceramică între straturi. Scuturile utilizate la unele vehicule blindate, cum ar fi tancul american M1, sunt realizate dintr-un material a cărui structură include oțel -aramidă – oțel pentru a proteja împotriva rachetelor antitanc cu diametrul de până la 700 mm. Mai mult decât atât, pe lângă protecția tancului în sine, scuturile blindate din oțel -aramid – oțel protejează și echipajul prin absorbția energiei cinetice generate de racheta penetrantă.

O altă aplicație a Kevlarului este la Boeing AH-64 – elicopterul de atac primar al armatei americane prevăzut cu rotoare din Kevlar. Aici Kevlarul asigură protecție împotriva gloanțelor cu diametrul de până la 23 mm.

Grație rezistenței ridicate la impact, Kevlarul este utilizat pe scară largă pentru construcția de bărci și caiace, de exemplu, carenele iahturilor proiectate pentru Volvo Ocean Race, una dintre cele mai dure provocări sportive. Cele mai multe caiace de înaltă performanță pentru sporturi nautice sunt fabricate din Kevlar sau din hibrizi de fibră de carbon/Kevlar.

Densitate redusă/greutate redusă

Fibrele de aramidă se caracterizează printr-o greutate extrem de redusă, ceea ce reprezintă un avantaj în timpul fabricării compozitelor.

Compozitele de aramidă sunt cu aproximativ 20% mai ușoare decât compozitele din fibre de carbon, care la rândul lor sunt considerate foarte ușoare. Utilizarea țesăturilor de aramidă în materialele compozite sporește rezistența la impact și abraziune, precum și asigurarea unei greutăți reduse a elementelor compozite.

Fibrele de aramidă au o densitate ~ 1,45 g/cm3, în timp ce materialele compozite de aramidă și rășină epoxidică au o densitate ~ 1,3 g/cm3. Acest calcul s-a bazat pe densitatea rășinii epoxidice amestecate cu întăritor ~1,1 g/cm3, precum și pe o tehnologie avansată folosită în timpul producerii compozitului, și anume preimpregnarea cu autoclav.

Pentru a compara fibrele de carbon care sunt considerate foarte ușoare, acestea au densitatea compozitelor de carbon – fibre de carbon și rășină epoxidică echivalentă cu 1.55 g/cm3.

Cu alte cuvinte compozitele din fibre de aramidă sunt cu aproximativ 20% mai ușoare decât compozitele din fibre de carbon.

Cum se compară greutatea compozitelor de aramidă cu cea a metalelor?
Compozitele de aramidă au o densitate de 1,3 g/cm3. În cazul aluminiului este de 2,7g/cm3, a titanului este de 4,5 g/cm3 și a oțelului este de 7,9 g/cm3.
Cu alte cuvinte, compozitele de aramidă sunt de 2 ori mai ușoare decât aluminiul și de 3 sau 4 ori mai ușoare decât titanul și de până la 6 ori mai ușoare decât oțelul.

Rigiditate moderată – umple golul dintre fibra de sticlă și fibra de carbon

Compozitele de aramidă au o rigiditate mai mare mai mare decât compozitele din fibră de sticlă și semnificativ mai mică decât compozitele din fibră de carbon.
Există mai multe tipuri de fibre, inclusiv cele de carbon și aramidă – de exemplu, de module standard, moderate și înalte, care oferă rigiditate și rezistență diferite și sunt disponibile la prețuri diferite. Tabelul de mai jos specifică rigiditatea anumitor fibre: fibra de sticlă, fibra de carbon și fibra de aramidă. Măsurarea modulului Young a fost urmărită în direcție longitudinală.

Rigiditatea diferitelor fibre compozite:

• Tesături din fibră de sticlă – de la 72 GPa (sticlă E standard) la 87 GPa (țesături din sticlă S de rezistență sporită).
• Tesături din fibre de carbon – de la 230 GPa (țesături standard utilizate pentru fabricarea compozitelor – Toray T300 ) până la 590 GPa (clasa HM Toray M60J).
• Tesături din fibre de aramidă – de la 96 GPa (țesături standard de aramidă aplicate în materiale compozite – și anume Kevlar 129) până la – 186 GPa (țesături de aramidă și anume Kevlar 149 utilizate în industria aeronautică/aero-spațială).

În concluzie, putem concluziona că materialele compozite de aramidă realizate din țesături standard prezintă o rigiditate cu aproximativ 30-40% mai mare decât materialele compozite din fibră de sticlă și o performanță semnificativ limitată în comparație cu materialele compozite din fibră de carbon – care oferă o rigiditate cu 50% mai mică decât materialele compozite din fibră de carbon.

Dilatație termică redusă

Aramida este foarte stabilă atunci când este expusă la temperaturi ridicate, cu un coeficient de dilatare termică aproape zero și ușor negativ care este echivalent cu (-2,4 x 10-6/°C).

Non-conductoare

Aramida este un bun izolator și nu conduce electricitatea.

Rezistență la abraziune

Compozitele din aramidă sunt utilizate pe scară largă pentru piese și componente expuse la abraziune, de exemplu, o placă de protecție care protejează motorul la o mașină de curse.
Aramida este utilizată în mod obișnuit de industria extractivă (de ex. industria minieră) pentru consolidarea curelelor cauciucate ale benzilor transportoare și asigură o rezistență mai mare și o rezistență mai mare la abraziune, care, conform producătorului de Kevlar, poate fi îmbunătățită cu până la 50-70%.
Datorită acestor proprietăți, materialul este utilizat în materiale compozite, precum și în îmbrăcămintea de lucru, de exemplu mănuși de siguranță rezistente la tăieturi, unde se folosesc țesături de aramidă, de exemplu Twaron sau Kevlar.

Absorbția vibrațiilor

O proprietate specifică a compozitelor de aramidă se referă la absorbția vibrațiilor și, în consecință, aramida este utilizată pentru fabricarea componentelor expuse la vibrații, de exemplu, componentele structurale ale aeronavelor.

Constantă dielectrică scăzută

Compozitul de aramidă are o permitivitate electrică scăzută de ~3,85 (10 GHz), ceea ce asigură o bună performanță și intensitate a semnalului care penetrează carcasele de protecție din aramidă/radomurile aeriene. Acest tip de antenă este utilizat pe scară largă în scopuri militare, de exemplu, pe avioanele militare. Carcasele/radomurile din aramidă protejează antenele împotriva deteriorării și asigură o bună performanță a semnalului.

În comparație, compozitul din fibră de sticlă E oferă o permitivitate electrică corespunzătoare la 6,1 (10 GHz), ceea ce duce la o putere și o performanță a semnalului antenei cu 60% mai mici.
În afară de aramidă, se folosesc și țesături de cuarț care oferă o permitivitate electrică de 3,78 (10 GHz).

Utilizarea cu alte țesături și crearea de compozite hibride

Tesăturile de aramidă pot fi folosite în compozite din fibre de carbon și din sticlă prin modificarea parametrilor în funcție de cerințe, ceea ce oferă multe posibilități pentru furnizorii de produse compozite.
În cazul compozitelor din fibre de carbon se poate îmbunătăți rezistența la impact prin adăugarea câtorva straturi de țesături de aramidă.

Compozitul hibrid realizat dintr-o combinație de țesături, respectiv 50% din fibre de carbon și 50% din cele de aramidă, oferă o rezistență la impact îmbunătățită cu 100-125% în comparație cu compozitele realizate numai din fibre de carbon.
Alte exemple de aplicații sunt câteva straturi de aramidă prevăzute în locurile în care urmează forarea pentru a asigura întărirea și a reduce riscul deteriorării/fracturării compozitului în jurul găurilor în timpul funcționării sau ca urmare a vibrațiilor.

Dezavantaje ale compozitelor de aramidă

Absorbția de apă/umiditate

Fibrele de aramidă au o capacitate de absorbție a umezelii relativ mare (până la 6% din greutatea sa), prin urmare compozitele de aramidă trebuie să fie protejate în mod corespunzător – de obicei cu un strat de acoperire pentru a reduce absorbția umezelii. În plus, în cazul materialelor compozite expuse la contactul cu apa, se folosesc unele tipuri de aramidă care au o capacitate redusă de absorbție a apei, de exemplu Kevlar 149 sau Armos.

Este interesant de observat că țesăturile standard de aramidă au o capacitate de absorbție atât de mare și că aceste proprietăți asigură protecție împotriva arderii și scaldării. Acest material este foarte des utilizat în timpul spectacolelor pirotehnice, când este îmbibat cu parafină. Datorită proprietăților sale unice, aramida asigură absorbția parafinei, dar nu se degradează în timpul arderii și este rezistentă la temperaturi ridicate.

Pentru a îmbunătăți rezistența la umiditate și microfisurarea suprafeței superioare a compozitului de aramidă, foarte des se adaugă un strat de țesătură de sticlă pentru a îmbunătăți legătura de aderență a straturilor de acoperire și pentru a facilita orice reparații ale acestora în viitor.

Tratament și prelucrare dificile

Fibrele de aramidă sunt dificil de tăiat. Prin urmare, procesul de producție a materialelor compozite care includ țesături de aramidă se poate dovedi a fi un proces foarte solicitant. În consecință, este dificil de tăiat atât țesăturile de aramidă uscate, cât și compozitele de aramidă finite realizate din țesături de aramidă și, de exemplu, rășini epoxidice.

Tăierea țesăturilor uscate este posibilă cu ajutorul laserului sau al unor mașini de tăiat speciale concepute în acest scop. Tăierea materialelor compozite aramidice finite este posibilă cu tăiere cu jet de apă sau cu freze cu unelte cu vârf de carbură sau diamant special concepute. Rețineți că utilizarea cuțitelor provoacă marginile compozitelor ușor sfărâmicioase.

În timpul producției compozitelor de aramidă, încă din faza de proiectare, se fac unele schimbări și modificări pentru a adapta matrițele în mod corespunzător și a reduce cantitatea de tăiere necesară după demulare. Uneori, în locurile în care este necesară tăierea, se prevede un strat care include țesături hibride, și anume unul care include fibre de carbon (50%) și fibre de aramidă (50%).

Fibrele de aramidă au o aderență modestă în comparație cu fibrele de sticlă sau fibrele de carbon și o penetrare modestă a rășinii. Prin urmare, pentru producerea compozitelor de aramidă se recomandă utilizarea de rășini epoxidice care oferă performanțe mai bune pentru lipirea straturilor de țesătură de aramidă.

Degradarea legată de UV

Fibrele de aramidă au o rezistență slabă la UV.
Radiațiile UV (lumina soarelui) provoacă degradarea fibrelor de aramidă. Prin urmare, este necesară o protecție care poate fi un strat de acoperire sau un strat de material, de exemplu, liniile de aramidă sunt de obicei închise într-un înveliș protector.

Costuri ridicate

Aramida este un material costisitor, cu un preț similar cu cel al fibrei de carbon. Prin urmare, este utilizat în scopuri specifice în care este necesară o rezistență extraordinară la impact/abraziune, precum și o greutate redusă a produsului finit. De fapt, 1 mp de preimpregnat finit cu greutatea de 200 g/m2 destinat producției de materiale compozite costă aproximativ 30-40 EUR pe mp.

Rezistență scăzută la compresie

Fibrele de aramidă oferă o rezistență la compresie mai mică decât fibrele de sticlă sau fibrele de carbon, de aceea țesăturile hibride sunt utilizate pe scară largă în componentele expuse la compresie mare, cum ar fi o structură care include o combinație de aramidă și fibre de carbon.

Utilizarea aramidei

În practică, aramida își găsește multe aplicații. Iată câteva exemple:

Utilizarea aramidei în materiale compozite – Materiale compozite din aramidă:

• Vesta antiglonț.
• Sporturi cu motor și protecția componentelor expuse la abraziune/impact – de exemplu, pasajele roților, plăcile de protecție.
• Corpul aeronavelor (adesea hibrid de carbon-Kevlar), rotoare, placare.
• Compartimentele de bagaje ale avioanelor.
• Radomele avioanelor militare care au proprietăți dielectrice specifice.
• Placi de surf.
• Kayaks.
• Cocoșele navelor.
• Butelii de GPL – greutatea este cu 70% mai mică decât cele din oțel și oferă o rezistență îmbunătățită la impacturi în comparație cu fibra de carbon – e.ex. Low8.

Utilizarea aramidei în țesături uscate:

• Îmbrăcăminte de protecție – inclusiv îmbrăcămintea rezistentă la foc, cum ar fi îmbrăcămintea militară (de ex. a2cu ), îmbrăcămintea pentru pompieri sau îmbrăcămintea concepută pentru F1 și NASCAR (în principal Nomex).

  

• Mănuși de siguranță rezistente la tăiere.
• Întărituri pentru componente cauciucate e.ex. curele de distribuție.
• Rezistența anvelopelor.
• Cârpe.
• Cabluri optice prevăzute cu căptușeală din fibră de aramidă care previne crăparea și protejează împotriva contactului momentan cu focul.
• Pânză de navigație.
• Capace de tobă.
• Hârtie de aramidă folosită la fabricarea fagurelui de miere.

Rezumat
Aramida oferă proprietăți și performanțe extraordinare în ceea ce privește rezistența la impact, la abraziune, la tăiere și o greutate ultra-redusă care este cu 20% mai mică decât fibra de carbon.
În același timp, acest material prezintă unele dezavantaje, cum ar fi tratarea și prelucrarea dificilă sau absorbția de umiditate.

Sperăm că lectura acestei lucrări va permite tuturor să afle mai multe despre avantajele și dezavantajele sale, precum și să contribuie la utilizarea sa optimă de către ingineri și proiectanți.

Fabricarea de materiale compozite aramidice

Dexcraft furnizează produse compozite aramidice, cum ar fi veste antiglonț, componente de caroserie pentru mașini de curse, foi de aramidă și alte materiale compozite.

Pentru a afla mai multe informații, vă rugăm să vizitați:

: Kevlar & Fabricarea pieselor din aramidă.

.