Что такое кевлар? Общие сведения, свойства, применение

Что такое кевлар? Общие сведения, свойства, применение

Природа дала человеку целый ряд уникальных в своём роде материалов. Например, древесина — материал настолько прочный и универсальный, что допускает использование практически везде: от изготовления бумаги до строительства домов. Можно выделить овечью шерсть — крайне эффективный изоляционный материал или натуральную кожу, обладающую свойствами самовосстановления. Натуральные материалы действительно уникальны, но далеко не идеальны для применения в современном мире. Теперь люди всё чаще полагаются на кевлар или карбон – синтетические материалы прочнее стали.

Что такое кевлар?

Синтезированный искусственно кевлар – материал, показывающий пятикратно увеличенную прочность по сравнению с традиционной сталью. По сути, являющийся пластиком, материал кевлар способен противостоять удару ножа и защитить от пули.

Применение этого искусственного материала фактически неограниченно – от изготовления корпусов речных лодок и морских катеров, до производства тормозных колодок и тетивы спортивных луков.

Существуют, в буквальном смысле, сотни синтетических пластиков, получаемых методом полимеризации (соединения молекул длинной цепью), и каждый продукт обладает совершенно разными свойствами. Удивительные свойства кевлара отчасти связаны с внутренней структурой, где присутствуют волокна, тесно связанные между собой.

MILITECH

Кевлар с карбоном в композиции
Композит, созданный на основе кевларового волокна и углеродного волокна (карбона). Облегчённый, удобный материал и при этом обладающий уникальными свойствами прочности

Материал совершенно не похож на хлопок, производимый из соответствующего сырья. Кевлар является запатентованным продуктом, который производится исключительно химической компанией «DuPont», и выпускается двумя основными модификациями:

  1. Кевлар 29
  2. Кевлар 49

По химической структуре изделия напоминают другой универсальный защитный материал, именуемый – хомекс (Homex). Продукты кевлар и хомекс являются примерами химических веществ, относимых к разряду синтетических ароматических полиамидов (арамидов). Эти синтетические ткани производятся в химической лаборатории (в отличие от натуральных тканей).

Что такое полиамид и полимер?

Соединение кольцеобразных ароматических молекул вместе, образующих длинную цепь, называется полиамидом. Полиамиды размещаются внутри структуры параллельно кевларовым волокнам, подобно стальным стержням (арматуре) железобетона.

Полимер может быть представлен множеством идентичных молекул, связанных вместе (каждая из которых называется мономером). Пластмассы – пример классических полимеров современного мира. Очевидно — мономеры кевлара основаны на модифицированной бензолоподобной кольцевой структуре.

ЖИЛЕТ

Полиамид в традиционных вещах
Полиамиды напоминают о себе присутствием в составе предметов широко распространённых в бытовой сфере, а также в других, относящихся, например, к промышленно-производственной сфере

Подобно продукту хомекс, продукт кевлар следует рассматривать «дальним родственником» нейлона — первого коммерчески успешного «суперполиамида», разработанного компанией «DuPont» ещё  вначале XIX века. Впервые формула кевлара была получена в 1960-х годах, а первый образец произвели в 1971 году.

Преимущественные стороны кевлара

Отметить преимущественные стороны материала позволяют  следующие качества:

  • сильный, но относительно легкий материал. Удельная прочность на растяжение кевлара 29 и кевлара 49 более чем в восемь раз выше, чем у стальной проволоки;
  • в отличие от большинства пластиков, этот вариант не плавится до температуры 450ºC;
  • по сравнению с родственным материалом хомекс, кевлар воспламеняется, но при удалении источника тепла горение обычно прекращается;
  • крайне низкие температуры не оказывают особого влияния на материал примерно до границы -196 ° C.

Как и для многих других пластмасс, длительное воздействие ультрафиолетового света вызывает изменение цвета и некоторую деградацию волокон структуры кевлара.

Вместе с тем, материал успешно противостоит воздействию различных химических веществ. Правда, длительное воздействие сильных кислот или оснований ухудшает структуру со временем.

НА СМАРТФОН

Кевларовый чехол смартфона
Этот кевларовый чехол смартфона надолго обеспечит владельца дорогостоящего аппарата от проблем повреждения, появления царапин на корпусе устройства и других. Фактически – стальной чехол

Компанией «DuPont» проводилось тестирование кевлара долговременным воздействием горячей воды (более 200 дней). По результатам испытаний выяснилась полная неизменность сверхпрочных свойств, которые практически не подвержены влиянию влаги.

Недостатки материала

Между тем, кевлар также обладает определёнными недостатками. В частности, обладая очень высокой прочностью на растяжение, материал показывает низкую прочность на сжатие.

Вот почему кевлар не используется вместо стали в качестве основного строительного материала при работе с такими объектами, как здания, мосты и другие конструкции, где присутствуют силы сжатия.

Технология производства кевлара?

Существует двухэтапная технология изготовления. Изначально подготавливается основной пластик, на основе которого делается материал (химическое вещество поли-пара-фенилентерефталамид). Далее подготовленная основа преобразуется в прочные волокна.

АРАМИДНАЯ

Кевларовое волокно
Кевларовое волокно – основа, использованием которой создаются крепкие прочные вещи, к примеру, защитного характера – бронированные жилеты, одежда специального назначения, а также масса иных предметов

Полиамиды, подобные кевлару, представляют собой полимеры (массивные молекулы, состоящие из множества одинаковых частей, соединенных вместе длинными цепями), образованные многократным повторением амидов. Амиды — простые химические соединения, где часть органической (углеродной) кислоты заменяет один из атомов водорода аммиака (NH3).

Таким образом, основной способ получения полиамида состоит в том, чтобы взять химикат, подобный аммиаку, чтобы ввести в реакцию с органической кислотой. Это пример того, что химики называют реакцией конденсации, когда два вещества сливаются в одно.

Химическая структура кевлара естественным образом превращает материал в крошечные прямые стержни, плотно упакованные вместе, подобно множеству жестких карандашей, плотно набитых в коробку.

Эти стержни образуют дополнительные связи между собой (водородные связи), придающие дополнительную прочность, как если бы «карандаши» склеивали. Эта скреплённая структура стержней придает кевлару удивительные свойства.

ВОЛОКНО

Кевларовая спортивная каноэ
Спортивное каноэ – маломерное судно (лодка) без традиционных уключин под вёсла, корпус которого выполнен на основе кевлара. Этому судну не страшны бурные горные реки и другие экстремальные условия хода

Натуральные материалы — шерсть и хлопок, требуется спрячь в волокна, прежде чем удастся получить полезные текстильные изделия. Аналогичная технология относится и к искусственным волокнам:

  • нейлону,
  • кевлару,
  • хомексу.

Основную арамидную массу превращают в волокна с помощью процесса, называемого «мокрое прядение». Процесс предполагает вытягивание горячего, концентрированного и очень вязкого раствора поли-пара-фенилентерефталамида через фильеру (металлический формирователь — нечто похожее на решето).

Получают тонкие, прочные и жёсткие волокна, которые наматываются на барабаны. Затем волокна нарезаются по длине и сплетаются в прочный мат. Так создаётся сверхпрочный, сверхтвердый материал, именуемый кевларом.

Где допустимо использовать материал?

Материал допустимо использовать как индивидуально, так и в составе композита, чтобы придать дополнительную прочность. Очевидный факт, кевлар наиболее известен, благодаря производству пуленепробиваемых жилетов, бронежилетов с защитой от ножей, а также десятка других уникальных изделий.

НОВОЕ

Кевларовый кузов автомобиля
Примерно таким видится кевларовый материал, из которого выполнен кузов легкового автомобиля. Традиционно подобное исполнение присуще спортивным авто и дорогим внедорожникам

Продукт также используется:

  • в качестве арматуры автомобильных шин,
  • деталей автомобильных тормозных колодок,
  • в качестве материала струн спортивных луков,
  • для приготовления кузова автомобилей, корпусов лодок и самолётов.

Применение в строительстве зданий и сооружений также поддерживается, но не в качестве основных конструкционных материалов.

Кевлар как антибаллистический материал

Пуля огнестрельного оружия движется с высокой скоростью, будучи наделённой значительным количеством кинетической энергии. По сути, не существует вещей полностью пуленепробиваемых. Но вещи, подобные пуленепробиваемому стеклу, достаточно успешно защищают от пуль, поглощая и рассеивая кинетическую энергию.

АМУНИЦИЯ

Пуленепробиваемый жилет для собак
Пуленепробиваемые жилеты используются не только для защиты непосредственно военнослужащих. Защитная одежда из кевларового волокна нередко защищает служебных собак

В этом плане кевлар выступает удачным антибаллистическим материалом, так как для прохождения через материал ножа или пули требуется много энергии. Плотно сплетенные волокна из высокоориентированных полимерных молекул чрезвычайно трудно раздвинуть (разделить). Для разделения требуется значительное количество энергии.

Летящая пуля (или толкаемое лезвие ножа), наделённая высоким уровнем энергии, утрачивает значительную часть этой энергии, когда пробивается сквозь материал. Даже если пуле удаётся проникнуть сквозь кевлар, скорость значительно замедляется и не наносит серьёзного ущерба.

Структура кевлара прочнее стали, но материал примерно в 5,5 раз менее плотный (около 1,44 г/см3), по сравнению со сталью, плотность которой составляет около 7,8–8 г/см3. То есть, определенный объем кевлара по массе весит в 5–6 раз меньше, чем тот же объем стали.

Поэтому кевларовые доспехи обеспечивает такую же защиту, как сталь, но при этом более лёгкие и гибкие с точки зрения комфортной одежды. Увеличение эффективности защиты достигается увеличением толщины кевларовых пластин.