Высокопрочные органические волокна типа Kevlar: Kevlar, Twaron для ударостойких композитов

Структура и химический состав параарамидных волокон

Параарамидные волокна типа Kevlar и Twaron относятся к классу высокопрочных органических волокон на основе полипарафенилентерефталамида. Химическая формула полимера представляет собой длинные молекулярные цепи с ароматическими кольцами, соединенными амидными связями. Согласно определению Федеральной торговой комиссии США, арамидными считаются волокна, в которых не менее восьмидесяти пяти процентов амидных связей непосредственно присоединены к двум ароматическим кольцам.

Молекулярная структура характеризуется высокой степенью кристалличности и упорядоченности, где жесткие полимерные цепи выровнены вдоль оси волокна. Прочные ковалентные связи вдоль оси волокна обеспечивают выдающуюся осевую прочность на растяжение, в то время как более слабые водородные связи между цепями обеспечивают поперечную когезию. Диаметр отдельного филамента составляет приблизительно двенадцать микрометров согласно техническим спецификациям.

Производство параарамидных волокон осуществляется методом прядения из анизотропных растворов полимера в концентрированной серной кислоте. При температуре около десяти градусов Цельсия протекает низкотемпературная поликонденсация между парафенилендиамином и терефталоилхлоридом в полярных амидных растворителях. Формование волокон происходит методом сухого прядения через фильеры с последующим вытягиванием и термообработкой для повышения кристалличности и ориентации макромолекул.

Механические характеристики и анизотропия свойств

Параарамидные волокна демонстрируют выдающиеся механические свойства при растяжении вдоль оси волокна. Прочность на разрыв составляет от двух тысяч девятисот до трех тысяч восьмисот мегапаскалей в зависимости от типа волокна и метода испытания, что в пять раз превышает удельную прочность стали при равной массе. Модуль упругости при растяжении варьируется от семидесяти до ста восьмидесяти шести гигапаскалей для различных марок согласно техническим спецификациям производителей.

Критической особенностью арамидных волокон является выраженная анизотропия механических свойств. Превосходные характеристики при осевом растяжении сопровождаются существенно более низкими показателями при сжатии, поперечных нагрузках и межслойном сдвиге. Прочность на сжатие составляет примерно одну десятую от прочности на разрыв из-за микроизгиба жестких стержнеобразных макромолекул под действием сжимающих напряжений, что подтверждается исследованиями в научной литературе.

Температурная стабильность

Арамидные волокна сохраняют прочность и эластичность при криогенных температурах до минус ста девяноста шести градусов Цельсия, причем при охлаждении прочность несколько возрастает. При нагреве до ста шестидесяти градусов Цельсия после пятисот часов воздействия наблюдается снижение прочности на десять процентов. При двухстах шестидесяти градусах Цельсия волокно теряет пятьдесят процентов прочности за семьдесят часов непрерывного нагрева. Температура начала термической деградации для параарамидных волокон составляет приблизительно пятьсот - пятьсот шестьдесят градусов Цельсия, при этом карбонизация происходит без плавления согласно техническим данным производителей.

Модуль упругости при растяжении при температуре триста градусов Цельсия сохраняет более восьмидесяти процентов от значения при комнатной температуре. Коэффициент термического расширения вдоль оси волокна отрицательный, подобно углеродным волокнам, что означает укорочение и утолщение волокна при нагреве.

Ударная вязкость и сопротивление разрезу

Исключительная ударная вязкость параарамидных волокон обусловлена способностью к поглощению и рассеиванию энергии удара через деформацию волокон и трение между нитями. При низких нагрузках волокна ведут себя упруго, а при высоких нагрузках проявляют пластичность, демонстрируя определенное сходство с металлами. Удлинение при разрыве для Kevlar составляет от двух целых четырех десятых до четырех целых шести десятых процентов в зависимости от марки.

При баллистическом воздействии арамидные ткани поглощают энергию через несколько механизмов: деформацию и движение ткани, которые составляют более восьмидесяти пяти процентов рассеянной кинетической энергии снаряда, вытягивание нитей, разрыв волокон и межслойное трение. Баллистическая предельная скорость для чистой арамидной ткани составляет около ста пяти метров в секунду, при модификации низкоплотным полиэтиленом достигается двести двадцать три метра в секунду.

Сопротивление резанию и истиранию

Высокая прочность на разрыв и вязкость делают арамидные волокна трудными для резки. При механической обработке композитов на основе арамидных волокон возникают специфические проблемы: радиус кромки режущего инструмента значительно превышает диаметр волокна, что затрудняет чистое разрезание. Удлинение волокна при разрыве приводит к образованию ворса и заусенцев на краях заготовки вместо чистого среза.

Для точной обработки применяются ультратонкие алмазные отрезные диски с размером абразивных частиц в микронном диапазоне, соизмеримым с диаметром волокна. При скорости резания более девяноста метров в секунду волокна успевают разрезаться до существенной деформации, что обеспечивает качество обработки. Стойкость к истиранию позволяет использовать материал в тормозных колодках и фрикционных элементах.

Сравнительный анализ Kevlar и Twaron

Волокна Kevlar производства компании DuPont и Twaron компании Teijin Aramid имеют практически идентичную химическую структуру на основе полипарафенилентерефталамида и сопоставимые механические свойства. Оба материала производятся методом прядения из анизотропных растворов с последующей термовытяжкой. Базовые типы характеризуются модулем упругости от шестидесяти до семидесяти пяти гигапаскалей и прочностью от двух тысяч восьмисот до трех тысяч мегапаскалей согласно технической документации производителей.

Высокомодульные типы демонстрируют модуль упругости от ста десяти до ста сорока пяти гигапаскалей при прочности около трех тысяч мегапаскалей. Максимальный модуль упругости до ста восьмидесяти шести гигапаскалей обеспечивает Kevlar 149. Типы повышенной прочности достигают прочности от трех тысяч четырехсот до трех тысяч восьмисот мегапаскалей при сохранении приемлемого модуля упругости для динамических нагрузок.

Различия между брендами проявляются в технологических деталях производства, системах обозначений марок и конкретных технических решениях для специализированных применений. Teijin Aramid акцентирует внимание на улучшенной защите от влаги и гарантирует стабильность эксплуатационных свойств в течение десяти лет согласно техническим спецификациям. Глобальный объем производства параарамидных волокон превышает шестьдесят тысяч тонн в год с ежегодным приростом около десяти процентов по данным отраслевых аналитических обзоров.

Применение в композитных материалах

Параарамидные волокна используются как армирующий элемент в полимерных композитах для создания легких конструкций с высоким отношением прочности к массе. В аэрокосмической промышленности арамидные композиты применяются в обшивках фюзеляжа, крыловых коробках, панелях, структурах сотового заполнителя и элементах двигателей. Анизотропные характеристики волокон требуют специального проектирования с учетом направления основных нагрузок.

В автомобилестроении композиты на основе арамидных волокон используются для снижения массы кузовных деталей, защитных элементов и компонентов трансмиссии. Благодаря высокой ударной вязкости материал применяется в защитных кожухах двигателей и безопасных конструкциях. Гибридные композиты, сочетающие арамидные волокна с углеродными или стеклянными, позволяют оптимизировать соотношение прочности, жесткости и ударостойкости.

Баллистическая защита

Ведущим применением параарамидных волокон остается производство средств баллистической защиты. Многослойные пакеты из арамидных тканей или однонаправленных листов с полимерной матрицей обеспечивают защиту от пуль и осколков при минимальной массе. Модификация межслойного трения путем введения эластомерных связующих на основе полиуретана или поливинилбутираля повышает эффективность энергопоглощения.

Гибридные баллистические композиты, комбинирующие арамидные волокна с ультравысокомолекулярным полиэтиленом или керамическими элементами, демонстрируют улучшенную защиту при той же поверхностной плотности. Структура переплетения ткани влияет на баллистические свойства: полотняное переплетение обеспечивает максимальную стойкость к порезам, саржевое переплетение характеризуется более прямыми волокнами и повышенной прочностью.

Технология производства композитов

Изготовление композитов на основе арамидных волокон осуществляется различными методами в зависимости от требований к конечному изделию. Метод ручной выкладки применяется для штучных изделий сложной формы с использованием предварительно пропитанных препрегов или сухих тканей с последующей пропиткой связующим. Вакуумная инфузия обеспечивает равномерное распределение смолы и высокую объемную долю волокон.

Технология формования с переносом смолы позволяет получать детали с точными размерами и хорошей повторяемостью свойств. Автоматизированная выкладка волокна оптимизирует анизотропные характеристики армирования и стала экономически эффективной технологией для серийного производства композитов. Трехмерное тканье с введением связей по толщине уменьшает склонность к расслаиванию и повышает сопротивление межслойному сдвигу.

Матричные системы

В качестве матриц для арамидных композитов применяются эпоксидные, винилэфирные, фенольные смолы и термопласты. Эпоксидные системы обеспечивают хорошую адгезию и технологичность при комнатной температуре. Фенольные связующие применяются в огнестойких конструкциях благодаря низкому дымовыделению при горении. Термопластичные матрицы на основе поливинилбутираля или полиуретана повышают вязкость разрушения и ударостойкость композита.

Поверхностная обработка волокон химическим функционализированием, плазменной обработкой или нанесением аппретов улучшает адгезию волокна к матрице и механические свойства композита. Введение наноразмерных наполнителей, таких как углеродные нанотрубки или неорганические наночастицы, в матрицу позволяет дополнительно повысить модуль упругости и энергопоглощение при ударе.