Aramid/kevlar är ett material som erbjuder unika egenskaper med exceptionell styrka och mycket låg vikt.

Och även om det ibland jämförs med kolfiber finns det mycket viktiga skillnader mellan aramid och kolfiber. Det är faktiskt inte bara färgen som skiljer Aramid från kolfiber – Aramid är gul medan kolfiber är svart. Båda dessa material erbjuder olika egenskaper och lämpar sig för olika industrins behov.

Du kan läsa mer om kolfiberkompositer och deras egenskaper i artikeln ”Carbon Fiber Composites”.

Denna artikel analyserar egenskaperna hos kompositer av aramidfibrer, dess för- och nackdelar samt praktiska exempel på användning i olika industrier och färdiga produkter.

Historia

Aramid hänvisar till specifika material som finns tillgängliga under olika kommersiella namn.

Dupont var det första företaget som introducerade och tillverkade aramid på 60-talet under det registrerade varumärket Kevlar och det har funnits på marknaden sedan 1973. Aramid upptäcktes av en kvinnlig kemist av polsk härkomst, Stefania Kwolek, som genomförde forskning med fokus på ett lättviktigt och exceptionellt starkt material som skulle kunna användas i stället för nylon vid tillverkning av däck.

Nuförtiden är Kevlar det mest kända av alla aramidkompositer.

Med tiden startade även andra företag produktion och började leverera Aramid med något annorlunda egenskaper men med liknande huvudegenskaper.

Aramid levereras av andra leverantörer också under olika handelsnamn, bland annat: Nomex från Dupont, Twaron och Technora från Teijin i Japan, Arawin från Toray i Korea, Kolon från Heracron i Korea samt några andra från kinesiska företag.

Alla material som heter Kevlar, Twaron eller Nomex hänvisar egentligen till Aramid och har exceptionella egenskaper, bland annat extraordinärt motstånd mot slag och nötning, motståndskraft mot höga temperaturer samt låg vikt. Tack vare dessa egenskaper används detta material regelbundet av armén, flygvapnet, vatten- och motorsporter samt för tillverkning av däck, kläder och skyddshandskar och många andra användningsområden. Antalet tillämpningar ökar varje år.

Vad är egenskaperna hos Aramid/Kevlar?

Aramid i form av Kevlar eller Nomex hänvisar till ett strukturellt material som erbjuder vissa fördelar och nackdelar. Följande beskrivning omfattar de väsentliga egenskaperna hos aramidkompositer och aramidtorkfibrer.

Fördelar med aramidkompositer

Hög motståndskraft mot stötar och sprickbildning

Aramid har en extraordinär motståndskraft mot stötar och det spricker inte under tryck eftersom det är segt och tillåter betydande energiupptagning. Det används ofta för tillverkning av skottsäkra västar, båtar, kajaker samt bepansring av komponenter i militärfordon.

Komposit tillverkad av aramid har 5 gånger större motståndskraft mot stötar än en kolfiberkomposit (test fallviktseffekt). Ett sådant extraordinärt motstånd mot slag eller kulor är ett resultat av långa kedjor av atomer som utgör Aramids struktur.
Tack vare dessa egenskaper används detta material i stor utsträckning för militära ändamål vid tillverkning av skottsäkra västar och stridsvagnspansarmaterial.

Kullsäkra västar tillverkas av material som består av flera dussintals lager av aramid (till exempel Kevlar) och innehåller en keramisk platta mellan lagren. Sköldar som används i vissa pansarfordon, t.ex. den amerikanska stridsvagnen M1, är tillverkade av material vars struktur består av stål – aramid – stål för att skydda mot pansarvärnsrobotar med en diameter på upp till 700 mm. Förutom att skydda själva stridsvagnen skyddar stål-aramid-stål-sköldarna även besättningen genom att absorbera den kinetiska energi som genereras av den penetrerande missilen.

En annan tillämpning av kevlar är i Boeing AH-64 – den amerikanska arméns primära attackhelikopter som är försedd med rotorer i kevlar. Här skyddar Kevlar mot kulor med en diameter på upp till 23 mm.

Tack vare den höga motståndskraften mot stötar används Kevlar i stor utsträckning vid byggandet av båtar och kajaker, till exempel för att bygga skrov på båtar som konstruerats för Volvo Ocean Race, en av de tuffaste idrottsliga utmaningarna. De flesta högpresterande kajaker för vattensporter är tillverkade av Kevlar eller kolfiber/Kevlar-hybrider.

Låg densitet/låg vikt

Aramidfibrer har en extremt låg vikt, vilket är en fördel vid tillverkning av kompositer.

Aramidkompositer är cirka 20 % lättare än kolfiberkompositer, som i sig själva anses vara mycket lätta. Användning av aramidvävnader i kompositer ökar motståndskraften mot slag och nötning samt ger minskad vikt hos kompositelementen.

Aramidfibrer har en densitet på ~ 1,45 g/cm3 medan aramidkompositer av aramid och epoxiharts har en densitet på ~ 1,3 g/cm3. Denna beräkning baserades på densiteten av epoxiharts blandat med härdare ~ 1,1 g/cm3 samt en avancerad teknik som används vid tillverkningen av komposit, nämligen prepreg med autoklav.

För att jämföra kolfibrer som anses vara mycket lätta, har de densitet av kolkompositer – kolfiber och epoxiharts motsvarande 1.55 g/cm3.

Med andra ord är Aramidfiberkompositer ungefär 20 % lättare än kolfiberkompositer.

Hur är det med att jämföra vikten av Aramidkompositer med metaller?
Aramidkompositer har en densitet på 1,3 g/cm3. För aluminium är den 2,7 g/cm3, för titan 4,5 g/cm3 och för stål 7,9 g/cm3.
Med andra ord är aramidkompositer 2 gånger lättare än aluminium, 3 eller 4 gånger lättare än titan och så mycket som 6 gånger lättare än stål.

Måttlig styvhet – fyller gapet mellan glasfiber och kolfiber

Aramidkompositer har högre styvhet högre än glasfiberkompositer och betydligt lägre än kolfiberkompositer.
Det finns många typer av fibrer, inklusive kol- och aramidfibrer – t.ex. av standard-, måttlig- och högmoduler som ger olika styvhet, hållfasthet och finns till olika priser. I tabellen nedan anges styvheten hos vissa fibrer: glasfiber, kolfiber och aramidfiber. Mätning av Young-modulen följdes i längsled.

Stabilitet hos olika kompositfibrer:

• Glasfibervävnader – från 72 GPa (standard E-glas) till 87 GPa (S-glasvävnader med ökad hållfasthet).
• Kolfibervävnader – från 230 GPa (standardvävnader som används för tillverkning av komposit – Toray T300 ) upp till 590 GPa (HM-klass Toray M60J).
• Aramidfibervävnader – från 96 GPa (standard aramidvävnader som används i kompositmaterial – nämligen Kevlar 129) upp till – 186 GPa (aramidvävnader, nämligen Kevlar 149, som används i flygplans-/luftfartsindustrin).

Sammanfattningsvis kan vi dra slutsatsen att aramidkompositer tillverkade av standardvävnader har en styvhet som är cirka 30-40 % högre än glasfiberkompositer och betydligt begränsade prestanda jämfört med kolfiberkompositer – som har en styvhet som är 50 % lägre än kolfiberkompositer.

Låg termisk expansion

Aramid är mycket stabilt när det utsätts för höga temperaturer med en nästan noll och något negativ termisk expansionskoefficient som motsvarar (-2,4 x 10-6/°C).

Nej ledande

Aramid är en bra isolator och leder inte elektricitet.

Slipbeständighet

Aramidkompositer används ofta för delar och komponenter som utsätts för nötning, t.ex. en bromsplatta som skyddar motorn i en racerbil.
Aramid används ofta av utvinningsindustrin (t.ex. gruvindustrin) för förstärkning av gummiband för transportörer och garanterar högre styrka och motståndskraft mot nötning, vilket enligt Kevlar-tillverkaren kan förbättras med så mycket som 50-70 %.
Tack vare dessa egenskaper används materialet i kompositer samt i arbetskläder, t.ex. skärsäkra skyddshandskar där aramidvävnader används, t.ex. Twaron eller Kevlar.

Vibrationsdämpning

En specifik egenskap hos aramidkompositer gäller vibrationsdämpning och följaktligen används aramid för tillverkning av komponenter som utsätts för vibrationer, t.ex. flygplansstrukturkomponenter.

Låg dielektrisk konstant

Aramidkomposit har en låg elektrisk permittivitet på ~3,85 (10 GHz), vilket säkerställer god prestanda och styrka hos signalen som tränger igenom skyddshöljen/radomer av aramid. Denna typ av antenn används ofta för militära ändamål, t.ex. på militärflygplan. Aramidhöljen/radomer skyddar antennerna mot skador och säkerställer god signalprestanda.

Som jämförelse erbjuder E-glasfiberkomposit elektrisk permittivitet som motsvarar 6,1 (10 GHz), vilket resulterar i att antennens signalstyrka och prestanda är 60 % lägre.
Inom aramid används även kvartsvävnader som erbjuder en elektrisk permittivitet på 3,78 (10 GHz).

Användning tillsammans med andra vävnader och skapande av hybridkompositer

Aramidvävnader kan användas i kolfiberkompositer och glasfiberkompositer genom att ändra parametrarna enligt kraven, vilket ger många möjligheter för leverantörer av kompositprodukter.
I fråga om kolfiberkompositer kan man förbättra slagtåligheten genom att lägga till ett par lager aramidvävnader.

Hybridkomposit som tillverkas av en kombination av vävnader, nämligen 50 % kolfibrer och 50 % aramidfibrer, ger 100-125 % förbättrad slagtålighet jämfört med kompositer tillverkade av enbart kolfiber.
Andra exempel på tillämpningar är några lager aramid som tillhandahålls på ställen där borrning följer för att säkerställa förstärkning och minska risken för kompositskador/sprickor runt hålen under drift eller till följd av vibrationer.

Nackdelar med aramidkompositer

Vatten/fuktupptagningsförmåga

Aramidfibrer har en relativt hög fuktupptagningsförmåga (upp till 6 % av sin vikt) varför aramidkompositer måste skyddas på lämpligt sätt – vanligen med en toppbeläggning för att minska fuktupptagningsförmågan. När det gäller kompositer som utsätts för kontakt med vatten används dessutom vissa typer av aramid som har minskad vattenabsorption, t.ex. Kevlar 149 eller Armos.

Det är intressant att notera att standard aramidvävnader har en sådan hög absorptionsförmåga och att dessa egenskaper skyddar mot brännskador och skållning. Detta material används mycket ofta under pyrotekniska föreställningar, när det är indränkt med paraffin. Tack vare sina unika egenskaper säkerställer aramid absorption av paraffin, men bryts inte ner under bränning och är motståndskraftig mot höga temperaturer.

För att förbättra motståndskraften mot fukt och mikrosprickor i aramidkompositens toppyta läggs mycket ofta ett lager glasväv till för att förbättra vidhäftningsbindningen av toppskikt och underlätta eventuella toppskiktsreparationer i framtiden.

Svåra behandlingar och bearbetningar

Aramidfibrer är svåra att skära. Därför kan produktionsprocessen för kompositer som innehåller aramidvävnader visa sig vara en mycket krävande process. Följaktligen är det svårt att skära både torra aramidvävnader och färdiga aramidkompositer tillverkade av aramidvävnader och t.ex. epoxihartser.

Skärning av torra vävnader är möjlig med hjälp av laser eller speciella skärare som är konstruerade för detta ändamål. Skärning av färdiga aramidkompositer är möjlig med vattenstråleskärning eller skärare med speciellt utformade hårdmetallspetsade eller diamantverktyg. Observera att användning av skärare orsakar något fransiga kompositkanter.

Under tillverkningen av aramidkompositer, så tidigt som i konstruktionsfasen, görs vissa ändringar och modifieringar för att anpassa formarna på ett lämpligt sätt och minska den mängd skärning som krävs efter avformning. Ibland, på ställen där skärning krävs, tillhandahålls ett skikt som innehåller hybridvävnader, nämligen ett som innehåller kolfibrer (50 %) och aramidfibrer (50 %).

Aramidfibrer har en blygsam bindningsförmåga jämfört med glasfibrer eller kolfibrer och en blygsam hartsgenomträngning. För tillverkning av aramidkompositer rekommenderas därför användning av epoxihartser som ger bättre prestanda för bindning av aramidvävslagen.

UV-relaterad nedbrytning

Aramidfibrer har dålig motståndskraft mot UV.
UV-strålning (solljus) orsakar nedbrytning av aramidfibrer. Därför krävs skydd som kan vara en ytbeläggning eller ett materialskikt t.ex. är aramidledningar vanligen inneslutna i ett skyddande hölje.

Höga kostnader

Aramid är ett dyrt material med ett pris som liknar kolfiber. Därför används det för särskilda ändamål där det krävs extraordinär motståndskraft mot slag/abrasion samt låg vikt på den färdiga produkten. Egentligen kostar 1 kvm färdig prepreg med en vikt på 200 g/m2 avsedd för tillverkning av komposit ca 30-40 EUR per kvm.

Låg tryckhållfasthet

Aramidfibrer erbjuder en tryckhållfasthet som är lägre än glas- eller kolfiber, därför används hybridvävnader i stor utsträckning i komponenter som utsätts för hög komprimering, t.ex. i en struktur som innehåller en kombination av aramid- och kolfiber.

Användning av aramid

I praktiken finner aramid många tillämpningar. Här är några exempel:

Användning av aramid i kompositer – Aramidkompositer:

• Kullsäkra västar.
• Motorsport och skydd av komponenter som utsätts för nötning/påverkan – t.ex. hjulhus, bromsplattor.
• Flygplanskropp (ofta kol-kevlarhybrid), rotorer, plätering.
• Flygplans bagageutrymmen.
• Militära flygplansradomer som har särskilda dielektriska egenskaper.
• Surfingbrädor.
• Kayaks.
• Skeppsskrov.
• LPG-cylindrar – vikten är 70 % lägre än stålcylindrar och ger bättre motståndskraft mot stötar jämfört med kolfiber – e.t.ex. Low8.

Användning av aramid i torrt tyg:

• Skyddskläder – inklusive flamskyddskläder, t.ex. militärkläder (t.ex. a2cu ), brandkårskläder eller kläder avsedda för F1 och NASCAR (mestadels Nomex).

  

• Skyddshandskar som är motståndskraftiga mot snitt.
• Gummikomponenter som är förstärkta e.t.ex. tandremmar.
• Däckförstärkning.
• Tåg.
• Optiska kablar försedda med aramidfiberfoder som förhindrar sprickbildning och skyddar mot momentan kontakt med eld.
• Segelduk.
• Trumpskallar.
• Aramidpapper som används i honeycomb.

Sammanfattning
Aramid erbjuder extraordinära egenskaper och prestanda när det gäller motståndskraft mot slag, nötning, skärning och extremt låg vikt som är 20 % lägre än kolfiber.
Men samtidigt uppvisar detta material vissa nackdelar såsom svår behandling och bearbetning eller fuktabsorption.

Vi hoppas att alla som läser detta dokument kan lära sig mer om fördelarna och nackdelarna samt bidra till att ingenjörer och konstruktörer kan använda det optimalt.

FÄRDNING AV ARAMIDKOMPOSITER

Dexcraft levererar aramidkompositprodukter som skottsäkra västar, karosskomponenter till tävlingsbilar, aramidplattor och andra kompositer.

För att få reda på mer kan du besöka: Kevlar & Tillverkning av aramiddelar.