КЕВЛАР (Kevlar™) - торговое название арамида - полипарафенилен-терефталамида, синтетического волокна, обладающего высокой прочностью (в пять раз прочнее стали, предел прочности σ0= 3620 МПа). Разработан американской компанией DuPont в 1965 году, с начала 1970-x годов начато его коммерческое применение. Легкий, прочный и безопасный материал Кевлар позволяет в значительной степени улучшить эксплуатационные характеристики спецодежды и средств защиты. Сегодня Кевлар применяется в производстве продукции, требующей высоких показателей износостойкости материалов: альпинистские верёвки, оттяжки, шлемы, верх обуви, рюкзаки, лыжи, перчатки, а так же для изготовления спецодежды. Волокно Кевлар имеет небольшой вес и высокую стойкость к различного рода воздействиям. Обладает такими свойствами, как негорючесть и термостойкость. По данным, разработчиков, волокна Кевлар при равном весе в пять раз прочнее стали.
Область применение кевлара
Изначально материал разрабатывался для армирования автомобильных шин, в этом качестве он используется и теперь. Кроме того, кевлар используют как армирующее волокно в композитных материалах, которые получаются прочными и лёгкими.
Кевлар используется для армирования медных и волоконно-оптических кабелей (нитка по всей длине кабеля, предотвращающая растяжение и разрыв кабеля), в диффузорах акустических динамиков и в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп.
Кевларовое волокно также используется в качестве армирующего компонента в смешанных тканях, придающего изделиям из них стойкость по отношению к абразивным и режущим воздействиям, из таких тканей изготовляются, в частности, защитные перчатки и защитные вставки в спортивную одежду (для мотоспорта, сноубординга и т.п.).
В спецодежде ткань с кевларовым волокном используют в основном для усиливающих накладок в области колен (наколенники) и области локтей. Т.к. кевларовая ткань имеет высоки показатели на истираемость, то в её используют в одежде в тех местах где больше всего нагрузка на истираемость, порезы и проколы.
Использование в бронежилетах
Структура кевлара. Высокая степень упорядоченности полимера и прочность обеспечиваются межмолекулярными водородными связями.
Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления пуленепробиваемых жилетов. Это одно из самых известных применений кевлара.
В 1970-е годы одним из наиболее значительных достижений в разработке бронежилетов стало применение армирующего волокна из кевлара. Разработка бронежилета из кевлара Национальным институтом правосудия (National Institute of Justice) происходила в течение нескольких лет в четыре этапа. На первом этапе волокно тестировалось, чтобы определить, способно ли оно остановить пулю. Второй этап заключался в определении количества слоев материала, необходимого для предотвращения пробивания пулями различного калибра и летящими с разной скоростью, и разработке прототипа жилета, способного защищать сотрудников от наиболее распространенных угроз: пуль калибра.38 Special и.22 Long Rifle. К 1973 году был разработан жилет из семи слоев волокна из кевлара для полевых испытаний. Было установлено, что при намокании защитные свойства кевлара ухудшались. Способность защищать от пуль также уменьшалась после воздействия ультрафиолета, в том числе солнечного света. Химчистка и отбеливатели также негативно сказывались на защитных свойствах ткани, также как и неоднократные стирки. Чтобы обойти эти проблемы, был разработан водостойкий жилет, имеющий покрытие из ткани для предотвращения воздействия солнечных лучей и других отрицательно влияющих факторов.
Судостроение
В последнее десятилетие кевлар получил распространение в судостроении. Из-за технологических сложностей и цены на кевлар, его применяют выборочно. Например, только в килевой части или по швам. Многие производители (такие, как верфи BAIA Yachts, Blue water, Danish yacht, Zeelander Yachts), делая в год не очень большое количество яхт, планомерно переходят на использование кевлара. Лидером в производстве яхт из кевлара считается Итальянская верфь Cranchi, которая производит яхты из кевлара размером от 11 до 21 метра.
Авиационная промышленность
Кевлар применяется в конструкции ряда беспилотных летательных аппаратов (например, RQ-11) для повышения защиты.
Температурные свойства
Кевлар сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (−196 °C), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее.
При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430-480 °C). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры. При повышенных температурах (более 150 °C) прочность кевлара уменьшается с течением времени. Например, при температуре 160 °C прочность на разрыв уменьшается на 10-20 % после 500 часов. При 250°C кевлар теряет 50 % своей прочности за 70 часов.
Кевла́р (англ. Kevlar) - торговая марка пара-арамидного (полипарафенилен-терефталамид) волокна, выпускаемого фирмой DuPont. Кевлар обладает высокой прочностью (в пять раз прочнее стали, предел прочности σ0= 3620 МПа). Впервые кевлар был получен группой Стефани Кволек в 1964, технология производства разработана в 1965 году, с начала 1970-x годов начато коммерческое производство.
Непрерывное волокно: Арамидные волокна
Арамидные волокна относятся к классу ароматических полиамидных волокон. Они представляют собой химические волокна, полученные на основе линейных волокнообразующих полиамидов, в которых не менее 85 % амидных групп непосредственно связано с двумя ароматическими кольцами. Такие волокна отличаются высокими значениями прочности, модуля упругости, теплостойкости и химстойкости. Впервые они стали известны под маркой «кевлар».
Получение и производство
Арамидные волокнообразующие полимеры получают методом поликонденсации в растворе при низкой температуре (5... 10 °C). Полимер получают добавлением к раствору реагентов при интенсивном перемешивании. Полимер выделяется из исходного раствора в виде геля или крошки, затем он промывается и высушивается.
Полученный полимер растворяется в одной из сильных кислот, например, в концентрированной серной кислоте. Из раствора полимера методом экструзии через фильеры формуются волокна и нити. Температура формования 50 ... 100 °C. Экструдированные волокна проходят небольшую воздушную прослойку (5-20 мм) и попадают в осадительную ванну с холодной водой (менее 4 °C). Волокно промывается, собирается на приемном устройстве и высушивается. На выходе из осадительной ванны волокно может подвергаться дополнительной обработке (вытягивание, термообработка) для повышения его механических характеристик. Свойства волокон могут зависить от состава исходного сырья, свойств использованных растворителей, условий технологического процесса получения волокон и условий термообработки сформованных нитей.
Волокно кевлар представляет собой кристаллизующийся полимер. Химическая структура волокна отличается высокой степенью ориентированности и жесткости. Эти характеристики, в частности, обусловлены наличием в структуре большого количества ароматических (бензольных) колец. По своей структуре волокно кевлар может быть отнесено к сетчатым полимерам.
Жесткие полимерные цепи находятся в распрямленном состоянии и образуют очень плотную упаковку в объеме волокна, что определяет высокие механические свойства волокна типа кевлар. Кристаллическая природа полимера обеспечивает высокую термическую стабильность волокон, а наличие ароматических колец в структуре макромолекулы обусловливает химическую стабиль-ность волокон. Благодаря жесткой сетчатой структуре макромолекул арамидные волокна при нагревании не испытывают никаких фазовых превращений вплоть до температуры термического разложения.
Волокна кевлар производятся в виде технических нитей с различной линейной плотностью и структурой. Число элементарных волокон в типичных нитях может меняться от 130 до 1000 при изготовлении тканей и от 500 до 10000 при изготовлении канатов и корда. Кевлар выпускается также в виде пряжи, ровинга и тканей. Волокна непрозрачны, обычный диаметр около 11 мкм.
Свойства арамидных волокон
Арамидные нити среди всех органических волокон имеют наиболее высокие эксплуатационные характеристики. Они отличаются устойчивостью к воздействию пламени, высоких температур, органических растворителей, нефтепродуктов и т. п. Арамидные волокна менее хрупки по сравнению с углеродными и стеклянными волокнами и пригодны для переработки на обычном оборудовании текстильных производств.
Арамидные волокна отличаются наиболее высокими значениями прочности и модуля упругости среди органических волокон.
Повышение температуры приводит к снижению прочности арамидных волокон от 3,5 ГПа до 2,7 ГПа. Волокна практически не проявляют ползучести под нагрузкой. Во всем интервале нагрузок вплоть до разрушения зависимость напряжений от деформаций является линейной. На свойства арамидных волокон заметное влияние оказывает скручивание нитей: при повышении степени кручения модуль упругости и прочность волокон заметно снижаются. Полагают, что этот эффект связан с поверхностным повреждением волокон при скручивании. Это предположение подтверждается результатами испытаний волокон на усталость, которые показывают, что волокна могут выдерживать большое число циклов нагружения, если они не испытывают поверхностного трения. При наличии такого трения долговечность волокон очень невысока.
Влияние различных факторов на механические свойства КМ, армированных арамидными волокнами
Влияние связующего на механические свойства композита определяется в основном двумя параметрами: адгезией и модулем упругости. Эти два фактора влияют на тип разрушения КМ и, в конечном счете, определяют уровень прочностных свойств композита. Низкомодульные связующие обычно не способны обеспечить перераспределение нагрузки между армирующими волокнами во всем объеме композита. При этом отдельные волокна деформируются независимо друг от друга. Разрушение (разрыв) одного волокна в таких случаях может привести к значительному перераспределению нагрузки в его окрестности и перенапряжению соседних волокон. Как следствие, в таких случаях часто наблюдается лавинообразный процесс разрушения материала. Средняя прочность волокна в композите оказывается низкой.
Если же выбранное сочетание адгезии и модуля упругости обеспечивает приблизительно равномерное распределение нагрузок между всеми волокнами материала, то средняя (эффективная) прочность композита будет иметь более высокое значение. Обычно на практике удается реализовать некоторое среднее значение потенциальной прочности материала.
С увеличением объемного содержания волокна прочность материала обычно сначала увеличивается, а при достижении некоторого уровня наполнения стабилизируется или даже снижается.
Повышение температуры приводит к некоторому снижению прочности микропластиков из арамидных волокон. Понижение температуры на прочностные свойства практически не влияет.
Зависимость напряжений от деформаций композитов на основе арамидных волокон близка к линейной. Выдерживание образцов изготовленных из однонаправленного композита на основе арамидных волокон под постоянной нагрузкой в течение длительного времени сопровождается увеличением их деформации - ползучестью. С увеличением уровня нагрузки деформация, обусловленная ползучестью, растет, причем, при продолжительном нагружении зависимость деформации от времени становится линейной для широкого интервала начальных нагрузок.
Жесткость и прочность композиционных волокнистых материалов (КВМ) на основе арамидных волокон при поперечном по отношении к направлению армирования нагружении значительно меньше, чем при нагружении в направлении армирования. Имеются разные данные о характеристиках композита при таком виде нагружении, которые зависят от метода испытаний, но все они показывают, что нагружение в поперечном направлении является невыгодным с точки зрения использования потенциальных прочностных качеств материала.
Проблема повышения характеристик материала при поперечном нагружении обычно решается путем дополнительного включения в композит армирующих волокон других видов, например, углеродных или стеклянных. Выбор углеродных волокон связан с тем, что их температурные характеристики (коэффициент температурного расширения) сходны с характеристиками арамидных волокон. Такие композиты принято называть «гибридными». Кевлар-углеродные композиты отличаются меньшей стоимостью и меньшей хрупкостью по сравнению с углеродными, что делает их достаточно привлекательными, несмотря на некоторое снижение прочности по сравнению с углеродными материалами.
Еще один способ повышения эксплуатационных свойств однонаправленных композитов - добавление к основному армирующему материалу небольшой объемной доли коротко нарезанных волокон (штапеля). Такие волокна ориентированы в материале менее однородно по сравнению с длинными волокнами и обеспечивают дополнительное перераспределение нагрузок в объеме материала помимо связующего. Предел прочности и модуль упругости таких материалов обычно ниже, чем у однонаправленных, но работа, которую необходимо затратить на их разрушение значительно выше (примерно в полтора раза).
Композиты на основе арамидных волокон
Высокие механические свойства арамидных волокон сами по себе еще не гарантируют наличия высоких механических свойств у композитов на их основе. Характеристики композита во многом определяются взаимодействием волокон со связующим. Такое взаимодействие приводит к перераспределению внешних нагрузок между элементами структуры армирования композита. Поэтому оценка характеристик композита должна проводиться не только по свойствам его компонентов, но и по свойствам некоторых характерных объемов материала, обладающих всеми характерными характеристиками композита: структурой армирования, объемным соотношением компонентов и т. п.
На практике в качестве таких характерных объемов часто рассматривают стренги (жгуты), пропитанные связующим и подвергнутые отверждению. Такие стренги, предназначенные для проведения экспериментальных исследований свойств композита, называют «микропластиками». Технология изготовле¬ния микропластиков повторяет технологию изготовления реальных изделий из композита за исключением объемов производства. При проведении подобных исследований необходимо учитывать, что на их результаты могут оказывать влияние такие факторы, как толщина стренги (жгута), метод испытаний и другие факторы. Влияние размеров образцов на результаты испытаний является одним из наиболее неприятных факторов, существенно затрудняющих анализ экспериментальных данных. Такое влияние обычно плохо поддается оценке и носит название «масштабного эффекта».
Применение КВМ на основе арамидных волокон
КВМ на основе арамидных волокон (кевлара) применяются в авиации при изготовлении частей несущих конструкций, переборок, дверей, полов, обтекателей. При изготовлении военной техники и снаряжения эти материалы находят применение при производстве корпусов ракетных двигателей, пулезащитной одежды, легких бронеплит и т. п. Применение кевлара в данных изделиях связано с малой плотностью и высокой стойкостью к ударным нагрузкам.
Невысокая плотность, хорошие демпфирующие свойства, гибкость способствуют применению кевлара при изготовлении спортивного снаряжения: лодок, клюшек и т. д.
Волокна кевлара в чистом виде либо в сочетании с каучуком используются при изготовлении канатов, которые находят применение в судостроении и горном деле, где они используются вместо стальных канатов. Достоинствами таких канатов являются малый вес, высокая прочность, высокая коррозионная стойкость и хорошие электроизоляционные свойства. Кевлар находит применение при изготовлении шин в качестве корда, где сочетание таких свойств, как малая плотность, хорошая вибростойкость, высокая прочность и коррозионная стойкость делают его более выгодным по сравнению с кордом из вискозных, полиэфирных волокон и стальной проволоки.
Даже сегодня ткань, о которой пойдет речь, кажется удивительной, а в то время, когда она была изобретена, это открытие было поистине невероятным. Кевлар совершил переворот в сфере материалов, предназначенных для защиты, тяжелые конструкции ушли в прошлое и уступили место прочным, но в то же время легким изделиям.
Итак, кевлар – что это такое? Представляем вашему вниманию ткань из синтетического волокна с кристаллической структурой. В сечении одного такого кристалла лежит бензольное кольцо, и именно это придает кевларовой ткани невероятную прочность. Если сравнивать эту материю со сталью, кевлар окажется прочнее и крепче в пять раз. Что интересно, когда проводили тестовые испытания материала, ученые грешили на лабораторные приборы, думали, что оборудование неисправно – настолько невероятными были показатели.
При этом ткань кевлар тонкая и легкая – один метр весит от 30 до 60 грамм, в зависимости от длины нити. Впрочем, к свойствам материи мы еще вернемся, а достоинств у нее не мало.
Наглядно увидеть, что это за материал - кевлар, можно в нашей подборке фото. 
Кстати, из чего делают кевлар? Конечно же, мы расскажем о технологии изготовления этой удивительной материи:
В результате получается материя с уникальными свойствами:
Учитывая все описанные свойства, сложно представить, что эта ткань, к тому же, мягкая, гигроскопичная и воздухопроницаемая – вещи из нее довольно комфортно носить.
Однако, есть у кевлара и слабые стороны. Так, ткань теряет прочность при намокании, нагревании, а также при длительном воздействии ультрафиолетовых лучей.
Мы описали производство кевлара, и теперь вам наверняка интересно узнать, кто же придумал этот сложный процесс? Одну из самых прочных тканей на земле изобрела дама – Стефани Кволек , которая в то время (1964 год) сотрудничала с известным американским химическим концерном Дюпон.
Работая над усовершенствованием получения полиарамидов, Стефани первой отказалась от метода расплава и получила необычный раствор, который, при пропускании сквозь высокопрочные формы, превращался в арамидные волокна - кевлар.
Что такое кевларовая нить? В нити скручивают полученные арамидные волокна, причем их количество может отличаться, давая разную толщину готового продукта. Вот, например, нити, в которых не более 1000 волокон
, используются для создания кевларовой ткани – готовый материал получается тонким, легким и, при этом, прочным. Если было использовано до 10000 волокон, такая нить используется в технических целях, например, для армирования тех или иных материалов, а также в производстве высокопрочного троса, канатов и пр.
Одежда из кевлара предназначена для того, чтобы уберечь ее владельца от опасности. Однако, сфера применения материала гораздо шире. На сегодняшний день выпускается несколько разновидностей полимерного волокна, каждая из которых предназначена для определенных целей.
К29
Эта разновидность самая распространенная и сфера ее применения, пожалуй, самая широкая.
К2100
Эта разновидность представляет собой цветные нити. Такие нити используются для оплетки кабелей и канатов, с целью защитить их от повреждения. Кроме того, эта разновидность также используется в пошиве защитной и спортивной одежды
К119
Материал с повышенной гибкостью, применяется, в основном, для армирования резиновых изделий
КМ2 и КМ2+
Эти виды разработаны и применяются для изготовления защитных костюмов работникам силовых и военных структур. Кевларовые бронижилеты, шлемы – все это обшивается водонепроницаемой тканью, чтобы материал не утратил прочность во время дождя. Материал здесь укоадывается в несколько слоев.
С алюминиевым покрытием
Кевларовые волокна с алюминиевым покрытием предназначены для пошива изделий, которые будут использоваться в условиях повышенной температуры. Они защищают владельца от открытого огня, брызг раскаленного металла и пр. Используется такое волокно для пошива спецодежды пожарным, спасателям, металлургам.
Данное торговое наименование было дано фирмой «DuPont», которая сама же и выпускает так называемые . Впервые кевларовые волокна были разработаны практически под конец ХХ века под предводительством Стефани Кволека, и целью их создания было получение не только более прочного материала для автошин, но и менее грузного.
Полученные нити, можно сказать, обладают суперпрочной структурой, превышающей крепкость стали аж в пять раз, а по жесткости доминируют в сравнении со стекловолокном. Будучи безопасным для здоровья своего носителя, эта материя почти безразлична к перепадам температур и не теряет своих свойств, также он не возгорается и не плавится.
Подобные изделия способны защитить от ударов и порезов, при этом они не являются проводниками электричества. Но, несмотря на все это, слабые моменты у них тоже имеются: так, воздействие солнца и влаги негативно сказывается на качестве волокон, хотя сегодня их покрывают специальным оберегающим слоем.
Учитывая все эти показатели, нужно иметь в виду, что частая стирка (даже химическая чистка) не пойдут на благо вещи из ткани кевлар, поэтому делать это нужно по необходимости. Так как кевлар стоек к термическим обработкам, его спокойно можно гладить, но сушить лучше в тени, подальше от дневной звезды.
Область, где используют эти нити, все больше и больше расширяется: их стали добавлять вперемешку с другими элементами, чтобы придать вещам высокие показатели прочности. Выпускаются разные виды защитных спецодежд, бронижилетов, шин, защитные перчатки, джинсы и многое другое. Хоть и прогресс постоянно наступает на пятки, кевлар можно заслуженно назвать современной тканью, которая обеспечит своему хозяину защиту от повреждений и сохранит чувство безопасности.
Всё чаще в самых разных областях промышленности применяются современные высокотехнологичные материалы. Одним из них является кевларовая ткань. Данный элемент отличает от других средств великолепная устойчивость, как к трению, так и к точечному удару. Так в композитных материалах его чаще всего комбинируют с разнообразными , в свою очередь в текстильной промышленности кевларовая ткань нашла широчайшее применение. Такой высокотехнологический материал, как кевлар применяют при пошиве курток, джинсов, перчаток, для производства тросов и многого другого.
Ткань из кевлавра, активно используют в качестве армирующего средства для разнообразных композитных материалов. Кевларовая ткань имеет высокую прочность, при весьма малой массе. Такое средство не только не теряет своих свойств под воздействием низких температур (температурный придел составляет -190 градусов), но и приобретает дополнительную прочность.
Воздействие высоких температур также не принесёт кевларовой ткани большого вреда, ведь температура её разрушения колеблется от +430 до +480 градусов. Причём температура разрушения полностью зависит от времени и интенсивности нагрева. С целью понижения стоимости готовых изделий, налажено производства комбинированных тканей, куда добавлено стекловолокно или же волокна угля. Для здоровья человека кевларовая ткань не несёт совершенно никакой угрозы.
Высокая термостойкость и прочность кевларовой ткани позволяет использовать её для изготовления обмундирования для огнеборцев. Благодаря тому, что кевлар в 5 раз прочнее стали (при аналогичном весе) стало возможным использовать его для изготовления бронежилетов. Именно специальные приспособления для защиты, их довольно успешное производство, во многом способствовало популярности кевларовой ткани. Сейчас подобный материал используется в самых разных отраслях, в том числе и в аэрокосмической.
В бытовом плане кевлар также нашёл весьма широкое применение. Наиболее часто его применяют именно там, где необходима высокая устойчивость к низким и высоким температурам, а, соответственно, и его высочайшая прочность. Обычно из кевларовой ткани производят различное снаряжение для спортсменов (шлемы, троса, перчатки и т.д.). Кроме того, как было указанно ранее, кевларовая ткань активно используется в производстве композитных материалов.
Однако по температурным и прочностным показателям, кевлар немного уступает углеволокну, но при этом, он значительно лучше переносит изгибающие нагрузки. В попытке объединить качества этих двух материалов были созданы комбинированные кевларовые ткани, с примерно равным содержанием обоих материалов. Такие ткани прекрасно переносят упругую деформацию. Но карбон-кевларовая ткань теряет в прочности, имеет несколько больший вес и не очень хорошо переносит контакты с водой.
Всё же сочетание эпоксидных смол с кевларовой тканью не является идеальным. Подобные смолы склонны "набирать" влагу, и накапливать её в себе. При контакте с водой, кевлар значительно теряет в своих свойствах, которые так высоки в сухом его состоянии. Кроме того ультрафиолет является катализатором уменьшающим жизненный срок кевларового компонента.
Именно поэтому кевлар целесообразно эксплуатировать только в определённых условиях (стопроцентно используя все положительные характеристики материала), что собственно не уменьшает его востребованности в настоящее время. Кевларовая ткань используется для пошива строительно-специальной рабочей одежды (монтажные перчатки, сварочные комбинезоны и др.).
