Кевларовым плетением

кевларовым плетением

+7 (846) 207-77-42,
+7 (927) 763-51-35,

г. Самара, ул. Ташкентская д 169, оф 225
Контакты         Мы на карте
Электронная почта:



Отправить нам сообщение
Хотите чтобы мы вам перезвонили?
Оставьте свои контакты:

Кевлар и арамид: нагрузка на разрыв,
модуль упругости, теплопроводность


Оригинальные сертификаты DuPont
(производителя арамидного сырья kevlar29, kevlar49)

сертификаты даны на технические параметры арамидного волокна (пряжи)
сертификаты на китайском языке (фабрика-изготовитель в Китае)

Волокно Кевлар фирмы Дюпон (часть 1)

Гибридные корды, короткие волокна и их применение

в композициях с термопластами и реактопластами

Короткие или штапельные арамидные волокна типа Кевлар были испытаны как армирующие агенты для термопластичных и термореактивных полимеров. На базе волокна Кевлар производятся гибридные корды и короткие волокна.

Число комбинаций при формировании гибридных кордов весьма значительно, т.к. представляется возможность регулировать свойства корда. В сравнении с кордами на основе 100% Кевлара гибридные корды, содержащие Кевлар, могут отличаться большей усталостной прочностью и удлинением, меньшим модулем, контролируемой усадкой и лучшим соотношением “цена-качество”. Гибридные корды на основе Кевлара и полиамида характеризуются лучшей усталостной прочностью и совместимостью с адгезивами. Гибридные корды на основе Кевлара и полиэфира имеют более высокий начальный модуль по сравнению с гибридными кордами с полиамидом, и могут быть успешно использованы для получения изделий с повышенной размерной стабильностью.

сравнение прочности и удлинения двух гибридных кордов в сравнении с традиционными

Рис. 1.  Сравнение прочности и удлинения двух гибридных кордов в сравнении с традиционными.

На рис. 1. показано сравнение прочности и удлинения двух гибридных кордов в сравнении с традиционными. Гибрид А состоял из трехпрядного корда, две пряди которого были из Кевлара по 1500 денье, а одна из поламида 1260 денье. Гибрид В также состоял из двух прядей Кевлара по 1500 денье и одной пряди полиэфира 1600 денье.
Кроме гибридных кордов волокно Кевлар используется еще в трех видах короткого волокна: штапель, флок (хлопья) и пульпа.

штапель Кевлар

Рис. 2. Штапель Кевлар.

Штапель Кевлара (рис. 2) состоит из точно нарезанных коротких волокон длиной 1/4 дюйма (6,3 мм). Он используется для производства пряжи, которая обеспечивает большую износостойкость и комфортность по сравнению с филаментным волокном. Так как пряжа − рубленое волокно, ее применение базируется больше на барьерных свойствах Кевлара, чем на прочности и жесткости. Штапель Кевлара также используется в производстве войлока и нетканых изделий для улучшения теплоизоляционных свойств и виброизоляции. Другое важное применение штапеля − в композициях с термопластами и реактопластами для увеличения прочности и износостойкости в широком диапазоне температур.

флок Кевлар

Рис. 3. Флок Кевлар.

Флок (хлопья) Кевлара (рис. 3) представляют собой точно и коротко нарезанные волокна, короче штапеля, до 1 мм длиной. Флок может быть использован как армирующий наполнитель для широкого круга смол.
В термопластах добавка флока Кевлара ведет к увеличению износостойкости с минимальным изнашиванием контртела. В реактопластах добавка ведет к увеличению прочности и сильно влияет на вязкость системы.

пульпа Кевлара

Рис. 4. Пульпа Кевлара.

Пульпа Кевлара, которая показана на рис.4, является высокофибриллизованной формой волокна, которая может быть распределена в различных полимерных матрицах.

микрофотография пульпы Кевлара

Рис. 5. Микрофотография пульпы Кевлара.

Фибриллярная структура волокна, показанная на рис.5, приводит к существенному увеличению удельной поверхности − до 7ч10 м2/г (по сравнению с 0,1ч0,3 м2/г для обычного волокна). Пульпа Кевлара не обладает хрупкостью, и при смешении с полимером на стандартном оборудовании для смешения и диспергирования не меняет размеров волокна.

Пульпа Кевлар может быть доступна в мокром виде (приблизительно 50% влажности) для разбавленных водных дисперсий, и в сухой форме (около 6% влажности) для дисперсий, базирующихся на растворителях, и сухого смешения. При этом длина волокна может меняться в соответствии с назначением пульпы.
Пульпа Кевлара используется для повышения уровня свойств термопластичных и термореактивных полимеров и эластомеров, особенно в тех случаях, когда необходимо применение при высоких температурах.
Пульпа марки Кевлар ULTRATHIXTM используется как тиксотропная добавка в адгезивах, уплотнениях и покрытиях. Эта пульпа легко диспергируется и позволяет контролировать как вязкость, так и эффект армирования в большинстве полимерных систем.

зависимость вязкости от скорости сдвига для эпоксидной смолы и эпоксидной смолы с введенной пульпой

Рис. 6. Зависимость вязкости от скорости сдвига для эпоксидной смолы и эпоксидной смолы с введенной пульпой.

На рис. 6 приведена зависимость вязкости от скорости сдвига для эпоксидной смолы и эпоксидной смолы с введенной пульпой.
При работе с дисперсиями пульпы Кевлара необходимо решить проблемы с тем, что пульпа диспергируется неоднородно, требуется высокая скорость сдвига, что связано со снижением производительности смешения и повышением цены, низким содержанием волокна в пульпе. Однако эти проблемы полностью компенсируются преимуществами: высокой прочностью композиции, высоким модулем и малой деформативностью, отсутствием хрупкости и абразивного действия, высокой износостойкостью, отсутствием усадки и высокой (до 500°С) температурой разложения.

влияние пульпы Кевлара на свойства эпоксидной смолы

Рис. 7. Влияние пульпы Кевлара на свойства эпоксидной смолы.

Рисунок 7 иллюстрирует влияние пульпы Кевлара на свойства эпоксидной смолы. Как видно, введение пульпы полностью блокирует истечение смолы из капилляра.

влияние пульпы Кевлара на свойства термопластичного полиэфирного эластомера

Рис. 8. Влияние пульпы Кевлара на свойства термопластичного полиэфирного эластомера

На рисунке 8 представлены данные по влиянию пульпы Кевлара на свойства термопластичного полиэфирного эластомера Хайтрел 4556.
Как видно, уже небольшая дозировка пульпы (2,5%) поднимает на 30−35% предел текучести, незначительно сокращая относительное удлинение и прочность при растяжении.

зависимость вязкости композиции на основе Hytrel® 4556 от скорости сдвига

Рис. 9. Зависимость вязкости композиции на основе Hytrel® 4556 от скорости сдвига.

1 - чистый полимер без пульпы, 2 - с 1,8% хлопьев Кевлара длиной 1,5 мм, 3 - с 1,8% пульпы Кевлара.

На рис. 9 проиллюстрирована высокая вязкость композиций на основе Хайтрела 5586 при низких скоростях сдвига. Видно, что введение 1,8% пульпы Кевлара увеличивает вязкость более чем в 4 раза при скоростях порядка 0,1 рад/с, в то время как при скоростях порядка 100 рад/вязкости близки.

устойчивость к стеканию при введении пульпы кевлара

Рис. 10. Устойчивость к стеканию при введении пульпы кевлара.

Эти данные о предотвращении стекания расплава подтверждаются результатами, представленными на рис.10, где показан характер истечения расплава, оцененный по устойчивости струи.

Влияние пульпы на свойства Zytel® ST801

Рис. 11. Влияние пульпы на свойства Zytel® ST801.

На рис. 11 приведены данные по влиянию пульпы на свойства полиамида Зайтел ST 801 (полиамид 66 с эластомерной добавкой). Видно, что введение 5% пульпы приводит к росту предела текучести с 32−55 мПа до 62−64 мПа с одновременным сокращением относительного удлинения при растяжении вдвое с 20% до 10%.
Эффект поддержания формы струи при экструзии, отмеченный на полиэфирах, подтверждается и на полиамидах. Например, минерально наполненный полиамид 66 (Zytel NRM) нельзя экструдировать, т.к. струя не держит форму и стекает с головки экструдера. При добавлении в композицию 3% пульпы Кевлара идет нормальный процесс экструзии. Сходное влияние пульпы Кевлара обнаружено и в процессе формования с раздувом. Процесс сохранения профиля экструдированной трубки нарушается через 3 минуты. С добавлением пульпы Кевлара процесс стабилен и после 10 минут.
Таким образом, преимущества, которые можно отметить при анализе влияния введения пульпы Кевлара в композиции для экструзии профилей и раздува таковы:
- уменьшение величины разбухания струи при выходе из головки;
- лучшее поддержание стабильного размера;
- более высокие скорости экструзии;
- уменьшение внутренних напряжений;
- меньшая деформативность;
- значительно повышенная способность к механической обработке (для медленно кристаллизующихся полимеров).
Введение пульпы в процессах формования раздувом позволяет вырабатывать изделия большей длины и размера при низком содержании волокна.
Влияние пульпы Кевлара распространяется на широкий круг полимеров − полиамиды Па-6, ПА 66, Па 66 упрочненный, полиацетали (Delrin® гомо- и сополимер), полиуретаны, полиэтилен, термопластичные эластомеры (Hytrel® и Santoprene), фторполиэфиры (Tefzel® ETFE), иономерные смолы (Surlyn®), ABS, PET, PBT.
Это позволило применить термопласты, армированные пульпой Кевлара, на следующих деталях автомобилей: трубопровод забора свежего воздуха, трубопровод системы вентиляции картера, трубопровод возврата воздуха, трубопроводы теплого воздуха, корпуса воздушного фильтра, теплообменник подогрева воздуха.

Волокно Кевлар фирмы Дюпон (часть 2)

Термические свойства и устойчивость к воздействию внешних факторов

Для волокна Кевлар характерны два важнейших качества - высокая прочность, которая подробно была описана в первой статье, и хорошие термические свойства.
Термические свойства волокна Кевлар проявляются в двух аспектах: во-первых, высокие температурные зависимости, во-вторых, низкая горючесть, низкий уровень дымовыделения и другие положительные качества.
В таблице 1 приведены термические характеристики волокна Кевлар.

Табл. 1. Типичные термические свойства нитей KEVLAR®

Усадка

В воде при 100°С

%

<0,1

В сухом воздухе при 177°С

%

<0,1

Напряжение при усадке

В сухом воздухе при 177°С

г/д

<0,1

сН/текс

<0,88

Удельная теплоемкость

Дж/кг×°С

BTU/фунт×°F

При 25°С

1420

0,34

При 100°С

2010

0,48

При 180°С

2515

0,60

Теплопроводность

BTU×дм/h×ф2×°F

0,3

Вт/(м×К)

0,04

Коэффициент линейного термического расширения

дюйм/(дюйм×°F)

-2,2×10-6

см/(см×°С)

-4,0×10-6

Разложение

°F

800-900

Температура в воздухе

°C

427-482

испытано с нулевой круткой нити при растягивающей нагрузке 0,2 г/денье (1,8 сН/текс)

  изменяется с изменением скорости нагрева

 

Как видно из приведенных данных, основной характеристикой является температура разложения нитей Кевлар в воздухе. Видно, что в самых критических условиях она колеблется от 427 до 482°С, т.е. волокно Кевлар весьма устойчиво к воздействию температуры. Данные этой же таблицы показывают особенности линейного термического расширения волокна Кевлар. Видно, что волокно Кевлар не расширяется при нагревании, а, наоборот, несколько уменьшает свои размеры, благодаря структурным изменениям, которые происходят в этом материале.
Что касается сопряженных с этим данных по усадке, то видно, что усадка как в сухом воздухе при 170°С, так и в воде при 100°С составляет весьма незначительные величины. Напряжения при усадке также невелики. Для справки в таблице приведены данные по удельной теплоемкости, видно, что с повышением температуры удельная теплоемкость эффективно растет.
В таблице 2 приведены коэффициенты термического линейного расширения. Цифры в таблице 1 относились к волокну KEVLAR 29, а для волокна KEVLAR 49 эти цифры больше примерно на 15% по отрицательному значению линейного термического расширения.

Табл. 2. Коэффициент термического линейного расширения волокна KEVLAR® 29 и 49

Тип волокна KEVLAR®

денье

Область температур

КТЛР

°F

(°С)

дюйм/дюйм/°F

(см/см/°С)

KEVLAR29

1500

77-302

(25-150)

-2,2× 106
(-4,0× 106)

KEVLAR49

1420

77-302

(25-150)

-2,7× 106
(-4,9× 106)

Испытано при отсутствии крутки и растяжении 0,2 г/денье при 22°С и 69% влажности.

  

Данные по температурной зависимости удельной теплоемкости, приведенные в таблице 1, дополняются температурной зависимостью удельной теплоемкости для волокна KEVLAR 49, которые даны на рис. 1.

влияние температуры на удельную теплоемкость волокна KEVLAR®49

Рис. 1. Влияние температуры на удельную теплоемкость волокна KEVLAR®49


Из рисунка видно, что удельная теплоемкость волокна KEVLAR 49 несколько выше, чем показано в таблице 1. Наиболее важной характеристикой прочностных свойств волокна Кевлар является зависимость прочности волокна от времени выдержки при различных температурах. Эти данные приведены на рис. 2. Как видно из рисунка, при температурах до 160°С прочность волокна Кевлар меняется мало (3-4%). При повышении температуры до 180°С, изменения прочности за 500 часов составляет примерно 25%, а при температуре 200°С прочность за 500 часов уменьшается почти в 3 раза. Температура 250°С является критической, при этой температуре волокно Кевлар может быть экспонировано только в течение 100 часов при уменьшении прочности в 2-2,5 раза. Таким образом, видно, что в диапазоне температур до 200°С волокно Кевлар эффективно сохраняет прочностные свойства длительное время.

прочность волокна KEVLAR®

Рис. 2. Прочность волокна KEVLAR® в зависимости от времени выдержки при различных температурах

 

На рис. 3 приведены сравнительные данные по характеру изменений прочности при растяжении волокна, экспонировавшегося на сухом воздухе при температуре 180°С. Из рисунка видно, что сохранение прочности при разрушении для Кевлара в течение 500 часов составляет 75-78%. Для сравнения показано, что полиэфиры типа Дакрон сохраняют только около 40% прочности, а обычные полиамиды Найлон сохраняют только около 15% прочности, но не за 500 часов, а только за 350. Таким образом, приведенные данные показывают существенные преимущества нити Кевлар в сохранении прочности при растяжении при экспозиции при высоких температурах в течение длительного времени.
В таблице 1 уже отмечалось, что температура разложения волокна Кевлар в воздухе находится в пределах от 425 до 485°С, характер разложения в воздухе показан на рис. 4, где даны кривые термогравиметрического анализа, т.е. потери веса волокном KEVLAR 49 в воздухе при скорости нагрева 107мин. Из рисунка видно, что в пределах до температур около 500°С, для данного волокна характерна небольшая потеря веса, не превышающая в среднем 10%, а в интервале 500-600° происходит резкое разложение волокна, потеря веса достигает 80-85%. Это ситуация, характерная для потери веса в воздушной среде.

 влияние температуры на прочность при растяжении промышленных комплексных нитей

Рис. 3. Влияние температуры на прочность при растяжении промышленных комплексных нитей в сухом воздухе при 180°С

Нити испытывались при комнатной температуре

 

типичные кривые термогравиметрического анализа (ТГА) волокна KEVLAR®49 в воздухе
Рис. 4. Типичные кривые термогравиметрического анализа (ТГА) волокна KEVLAR®49 в воздухе при скорости нагрева 10°/мин

 


типичные кривые термогравиметрического анализа (ТГА) волокна KEVLAR®49 в азоте
Рис. 5. Типичные кривые термогравиметрического анализа (ТГА) волокна KEVLAR®49 в азоте при скорости нагрева 10°/мин


На рис.5 приведены кривые ТГА в азоте при той же самой скорости нагрева. Видно, что, если кислород воздуха устранен, Кевлар в азоте сохраняется с малой потерей в весе (5-7%) практически до 600°С.

Поскольку в процессе использования волокна Кевлар работают не только в области высоких температур
в воздушной среде, но часто находятся и в насыщенном паре в достаточно высокой температуре, представляют большой интерес данные по гидролитической стабильности в насыщенном паре, которые приведены на рис. 6. Как видно из приведенных данных, для волокна на 1500 денье потеря прочности при экспозиции 80 часов составляет около 15%. Это свидетельствует о хорошей кевларовым гидролитической стабильности волокон KEVLAR®29.

гидролитическая стабильность волокна KEVLAR®29 в насыщенном паре

Рис. 6. Гидролитическая стабильность волокна KEVLAR®29 в насыщенном паре при температуре 138СС (280°F)

в зависимости от времени экспозиции

 

Представляют интерес характеристики гидролитической стабильности волокна KEVLAR в зависимости от рН воды, показанные на рис.7. Из рисунка видно, что на участке рН от 3 до 6 процент остаточной прочности при разрушении проходит через максимум, в области нейтральной воды при рН от 4 до 8 остаточная прочность после 16-тичасовой экспозиции составляет 80% и выше, что позволяет надеяться на успешную эксплуатацию волокна Кевлар в зонах с интенсивным воздействием водяного пара. 

гидролитическая стабильность волокна KEVLAR® при воздействии пара при температуре 154°С

Рис. 7. Гидролитическая стабильность волокна KEVLAR® при воздействии пара при температуре 154°С (309°F) в зависимости от рН воды

 

В таблице 3 суммированы данные по гидролитической устойчивости волокна Кевлар при экспозициях до 80 часов, показано, что и в этих случаях сохраняется прочность больше 80%.

Табл. 3. Гидролитическая устойчивость волокна KEVLAR®

Экспозиция, часы

Сохраненная прочность, %

0

100

20

96

40

91

60

88

80

84

 

Важнейшим вопросом устойчивости Кевлара к внешним воздействиям является его взаимодействие с ультрафиолетовым излучением. На рис.8 показаны спектры абсорбции волокна Кевлар излучения солнечного света. Видно, что есть перекрывающаяся зона с длиной волны от 300 до 480 нм, в которой Кевлар активно абсорбирует ультрафиолетовое излучение солнечного спектра.

 

наложение спектров абсорбции волокна KEVLAR® и солнечного света

Рис. 8. Наложение спектров абсорбции волокна KEVLAR® и солнечного света

 

ультрафиолетовая стабильность волокон KEVLAR®

Рис. 9. Ультрафиолетовая стабильность волокон KEVLAR®


На рис. 9 приведены данные по ультрафиолетовой стабильности волокна Кевлар. Дан процент сохранения прочности при растяжении при двух значениях экспозиции - 450 и 900 часов. Видно, что при увеличении времени воздействия снижается процент сохранения прочности при растяжении. Отметим также, что эта характеристика существенно зависит от весовой категории волокна. Видно, что полотна с наибольшей массой дают лучшие результаты, поскольку ультрафиолетовые воздействия зависят от соотношения между объемом и поверхностью материала.

 

влияние электронной радиации на характеристики волокна KEVLAR®49

Рис. 10. Влияние электронной радиации на прочность, удлинение, модуль и жесткость филаментов волокна KEVLAR®49

 

(Резонансный трансформатор G.E. использовался при 0,5 миллиамперах и 2 мегавольтах для генерирования одного мегарада каждые 13,4 сек. Расстояние филаментов от источника радиации составляло 30 см (11,8 дюйма). Филамент был завернут в алюминиевую фольгу и лежал на сухом льду.)
Помимо влияния солнечной радиации, существенный интерес представляет влияние электронной радиации на прочность и деформационные характеристики волокна Кевлар, показанные на рис. 10. Из рисунка видно, что характеристики прочности и модуль упругости незначительно увеличиваются при увеличении дозы до 200 мегарад. Стабильными остаются также относительное удлинение и удельная прочность. Видно, что материал находится в достаточно стабильном состоянии при высокой дозе излучения.
В связи со способностью волокна Кевлар эффективно работать при высоких температурах, конструкции с использованием этого волокна часто попадают под прямое воздействие огня. Данные по воздействию огня приведены в таблице 4.

Табл. 4. Теплота сгорания волокна KEVLAR® 49 и других материалов

Материал

Теплота сгорания

BTU/фунт

Дж/кг

KEVLAR49

14986

34,8×106

Нейлон тип 738

15950

37,1×106

NOMEX® арамид

13250

30,8×106

Shell Epon® 828/NMA/BDMA

12710

29,5×106

 

В условиях непосредственного воздействия пламени представляет интерес состав продуктов сгорания волокна Кевлар в сравнении с другими нитями, приведенный в табл.5. Видно, что по наиболее тяжелым продуктам - N2O, НС, аммиак, НС1 и SO2 - выделение этих продуктов для волокна Кевлар является минимальным среди сравниваемых волокон.
Ситуация с дымовыделением и вертикальной горючестью показана в таблице 6. Для всех представленных волокон характерно отсутствие каплепадения, нулевое время остаточного горения, малые длины горения. Таким образом, волокно Кевлар проявляет себя как стабильный продукт и в условиях прямого воздействия пламени.

Табл. 5. Состав продуктов сгорания волокна KEVLAR® и других нитей при условиях неполного сгорания

 

Продукты сгорания в мг/г образца

 

СО2

СО

С2Н4

С2Н2

СН4

N2O

HCN

NH3

НСl

SO2

KEVLAR®

1850

50

-

1

-

10

14

0,5

-

-

Акрил

1300

170

5

2

17

45

40

3

-

-

Акрил/модакрил (70/30)

1100

110

10

1

18

17

50

5

20

-

66 Найлон

1200

250

50

5

25

20

30

-

-

-

Шерсть

1100

120

7

1

10

30

17

-

-

-

Полиэфир

1000

300

6

5

10

-

-

-

-

3

Образец помещен в кварцевую трубку, через которую проходит воздух с контролируемым потоком и с внешним обогревом с помощью ручного газогенератора. Воздух проходит и нагревается, создавая условия для плохого горения (с дефицитом кислорода). Продукты сжигания собираются в вакуумной трубке и анализируются по ИК-спектрам.

Табл. 6. Дымовыделение и вертикальная горючесть нитей KEVLAR® 49.

Волокно

Дым

Вертикальная воспламеняемость

условный номер

вес волокон, унция/ярд2

толщина

Максимальная удельная оптическая плотность

Время горения, сек

Капле-падение

Время накаливания, сек

Длина горения

Время остаточного горения, сек

мил

мм

дюйм

см

120

1,7

4,5

0,11

0

12

Нет

3,0

1,55

3,94

0

281

5,1

10

0,25

7

12

Нет

5,3

0,97

2,46

0

328

6,8

13

0,33

4

12

Нет

6,5

0,96

2,44

0

Z-11++

1,5

12

0,29

0

12

Нет

1,0

2,50

6,35

0

   Выбрана конструкция волокон, коммерчески доступных на момент эксперимента.

Дымовая камера пламенного типа Национального Бюро стандартов, Федеральная администрация авиации, часть 2, раздел 25,833 (А) и (В). KEVLAR Z-11 Нетканое (прямое) волокно

 

Выполненный обзор свойств волокон Кевлар показывает, что имеющийся уровень свойств позволяет эффективно применять волокно в процессах армирования, в условиях воздействия влаги, влажного пара, ультрафиолетового излучения.
В ассортименте фирмы Дюпон, помимо длинного волокна, описанного в данном обзоре, имеются еще волокна меньшей длины, полученные прямой резкой. Такие волокна также широко применяются в промышленности.

 

Волокно Кевлар фирмы Дюпон (часть 3)

Структура и механические свойства волокна KEVLAR® фирмы Дюпон

В середине 60-х годов фирма Дюпон производила волокна из полиамидов и полиэфиров, которые составляли основную номенклатуру синтетических волокон. Однако, для достижения максимальной жесткости, высокой прочности и большого первоначального модуля полимерные молекулы имели конфигурацию гибких цепей, хотя и кристаллизовались в довольно хорошо ориентированные системы.
Для гибкоцепных полимеров, таких как полиамид или полиэфир, необходима была механическая вытяжка для ориентации волокна после его экструзии.
В 1965 году ученые фирмы Дюпон разработали новый метод производства почти совершенной полимерной вытянутой цепи. Полимер полипарабензамида был получен в форме жидкого кристаллического раствора, благодаря простой повторяемости молекулярных структур. Ключевое структурное требование к основе состояло в том, что ориентированные в пара-положении бензольные кольца формировались в палочкообразные молекулярные структуры. Эта разработка в дальнейшем воплотилась в создании волокна KEVLAR®.
Для того чтобы проиллюстрировать различия между жидкокристаллическими жесткоцепными и гибкоцепными полимерами, получаемыми в растворе, рассмотрим схемы, представленные на рис. 1.

различие в поведении между гибко- и жесткоцепными полимерами

Рис. 1. Различие в поведении во время формования волокна между гибко- и жесткоцепными полимерами


Из рисунка видно, что для гибкоцепных полимеров в разбавленных растворах характерно случайное распределение цепей, затем, по мере концентрирования раствора, цепные клубки хорошо агрегируются, и при вытяжке расплава происходит ориентация цепей, которая может быть достаточно совершенной, но все равно не бывает абсолютной.
Если рассматривать жесткоцепные молекулы, такие как полипарабензамид, здесь существуют палочкообразные молекулы, они представляют из себя хорошо сформированные ориентированные цепи уже в разбавленном растворе, при высокой концентрации их форма не меняется. Затем, при наложении на раствор сдвиговых напряжений, формируется хорошо ориентированная молекулярная структура, которая представлена на рис. 2.

цилиндрическая структура волокна

Рис. 2. Цилиндрическая структура волокна, радиально сложенного из плоскостей, связанных водородными связями


Из рисунка видно, что связанные водородными связями по амидным группам цепи уложены в хорошую плоскость, а затем эти плоскости собираются в пачки и образуют палочкообразную структуру. Фактически жесткоцепная структура полимерной молекулы приводит к получению совершенной ориентации уже и в материалах в форме волокна.

типовая схема установки

Рис. 3. Типовая схема установки для пропитки и высокотемпературной вытяжки волокна KEVLAR®


Именно на этой структурной основе при формировании таких надмолекулярных структур фирма Дюпон получила возможность создать технологию волокна из полипарафенилентерефталамида, которое было введено в ассортимент как высокопрочное арамидное волокно KEVLAR® в 1971 году.
На схеме рис. 3 видно, что исходное сырое волокно подается сначала на предварительное покрытие, потом сушится в печи, затем на него наносится внешнее покрытие, после чего происходит сушка с одновременной вытяжкой. В зависимости от технологических условий вытяжки возможно получение двух основных разновидностей волокна KEVLAR® - либо материал с большим модулем упругости и меньшим относительным удлинением, либо материал с большим относительным удлинением и меньшим модулем упругости. Эти материалы получили торговые марки KEVLAR® 29 и KEVLAR® 49.

В таблице 1 представлены все виды свойств этих двух видов волокон. Как уже отмечалось, основное различие составляют величины модуля упругости и относительного удлинения при разрыве. KEVLAR® 29 имеет удлинение при разрыве 3,6 % против 2,4% для KEVLAR® 49, а по величине модуля упругости KEVLAR® 49 почти на 30% превосходит KEVLAR® 29. Остальные свойства будут в дальнейшем обсуждаться более подробно.
Ассортимент волокон в ходе развития технологического процесса также расширялся, и в настоящее время он представлен четырьмя типами, имеющими другие условные наименования. Прежде всего, это Кевлар тип 956, который представляет собой KEVLAR® 29, который приспособлен, главным образом, для армирования полимерных материалов, и обладает хорошей комбинацией высокой прочности, модуля, при малом весе, жесткости и долговечности. Уникальный баланс свойств Кевлара 956 делает его прекрасным армирующим агентом, например, для труб из сшитого полиэтилена, а также для резинотехнических изделий, таких как приводные ремни, конвейерные ленты и др.
Второй тип Кевлара - 956С, он же Кевлар 129, характеризуется наиболее высокой жесткостью из всех арамидных кордов, и применяется в случаях, когда особо важна прочность волокна.
Кевлар тип 956Е, или Кевлар 119, характеризуется очень высокими долговременными свойствами и высокими усталостными свойствами, которые необходимы, когда нити Кевлар используются для армирования трансмиссионных ремней. Он имеет хорошие температурные характеристики, высокое удлинение и низкий модуль, а также большую жесткость по сравнению с Кевларом 956.
KEVLAR® 49 в настоящее время представлен волокном Кевлар 965, он также имеет высокую прочность, равную прочности Кевлара 956, но более высокий модуль и меньшее удлинение. Он хорошо подходит для приводных ремней, где требуется высокомодульный армирующий элемент.

Табл. 1. Типовые свойства волокон KEVLAR® 29 и 49 фирмы Дюпон

Свойства

Единицы

KEVLAR® 29

KEVLAR® 49

ВОЛОКНО

Тип

денье(д)

1500

1140

(дтекс)

(1670)

(1270)

число филаментов

1000

768

Плотность

фунт/дюйм3

0,052

0,052

г/см3

(1,44)

(1,44)

Уровень влажности при поставке
Равновесное значение дополнительно подсушенного волокна

%

 

%

7,0

 

4,5

3,5

 

3,5

СВОЙСТВА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

Прочностные испытания кондиционированной нити+

Нагрузка

фунт

76,0

59,3

(Н)

(338)

(264)

Прочность при разрушении

г/д

23,0

23,6

(сН/текс)

(203)

(208)

фунт/дюйм2

424000

435000

(МПа)

(2920)

(3000)

Модуль упругости

г/д

555

885

(сН/текс)

(4900)

(7,810)

фунт/дюйм2

10,2 ×106

16,3 ×106

(МПа)

(70500)

(112400)

Удлинение при разрыве

%

3,6

2,4

Нити, пропитанные смолой++

Разрушающая нагрузка

фунт/дюйм2

525000

525000

(МПа)

(3600)

(3600)

Модуль упругости при растяжении

фунт/дюйм2

12,0 ×106

18,0 ×106

(МПа)

(83000)

(124000)

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА

Усадка

 

 

 

Вводепри212°F(100°С)

%

<0,1

<0,1

В сухом воздухе при 351°F(177°C)

%

<0,1

<0,1

Усадка при растяжении в сухом воздухе при 351°F(177°C)

г/д

<0,1

<0,2

(сН/текс)

(0,88)

(1,77)

Удельная теплоемкость

 

 

 

при 77°F(25°C)

кал/г × °С

0,34

0,34

(Дж/кг × К)

(1,420)

(1,420)

при 212°F(100°C)

кал/г × °С

0,48

0,48

(Дж/кг × К)

(2,010)

(2,010)

при 356°F(180°C)

кал/г × °С

0,60

0,60

(Дж/кг × К)

(2,515)

(2,515)

Теплопроводность

BTU×дюйм/ (h×фут2×<°F)

0,3

0,3

[W/(m×K)]

[0,04]

[0,04]

Температура разложения в воздухе++++

°F

800-900

800-900

(°С)

(427-482)

(427-482)

Рекомендуемый макси­мальный температур­ный интервал для дол­говременного использо­вания на воздухе

°F

300-350

300-350

(°С)

(149-177)

(149-177)

Теплота сгорания

BTU/фунт

15000

15000

Дж/кг

(35×106)

(35×106)

 

Примечание: В этой таблице отражены данные, наиболее часто наблюдаемые для данного типа и текса нити, они не являются частью спецификации. Свойства нити изменяются в зависимости от типа и текса. Для волокна KEVLAR® 29 основным весом, используемым для расчета денье, является вес абсолютно сухой нити плюс 4,5 % влажности. Для волокна KEVLAR® 49 основной вес, используемый для расчета денье - абсолютно сухой с 0% влажности.
диаметр филамента составляет 0,00047 дюймов (12 микрон)
Типичные уровни влажности, достигнутые к моменту

Свойства этих четырех типов Кевлара приведены в табл.2. Из таблицы видно, что они практически не различаются по удельному весу, но существенно отличаются по величинам удлинения при разрыве и по величинам исходного модуля, таким образом, перекрывается весь необходимый спектр применений.

Табл. 2. Типичные физические свойства сортовых нитей KEVLAR®

Свойства

Единицы

Тип 956 К29

Тип 956С К129

Тип 956Е К119

Тип 965 К49

Нить

Плотность

Денье (дтекс)

1500 (1670)

1500 (1670)

1500 (1670)

1420 (1580)

Удельный вес

-

1,44

1,44

1,44

1,44

Накопление влаги в коммерческой нити (ASTMD1909)

%

7,0

7,0

7,0

3,5

Свойства при растяжении

Испытание волокон при растяжении

Разрушающая нагрузка

Фунт (Н)

75,1 (334)

83,3 (371)

78,7 (350)

69,5 (309)

Прочность при растяжении

г/д (сН/текс)

22,7 (200)

25,2 (222)

23.8 (210)

22,2 (196)

Удлинение при разрыве

%

3,35

3,15

4,11

2,49

Исходный модуль

г/д (сН/текс)

591 (5216)

750 (6620)

424 (3742)

856 (7555)

Испытание петли волокна

Разрушающая нагрузка

Фунт (Н)

76,0 (338)

56,2 (250)

80,7 (359)

52,8 (235)

Прочность при растяжении

г/д (сН/текс)

11,5 (102)

12,7 (112)

12,1 (107)

10,5
(93)

Удлинение при разрыве

%

2,2

1,7

2,7

1,3

 

При отработке технологий различных видов комплексной нити из волокна Кевлар были решены и некоторые другие технологические вопросы. Например, на рис. 4 показано влияние крутки на разрушающую нагрузку для кордных волокон. На рисунке показано, что оптимальная крутка, обеспечивающая наилучшие свойства кордных волокон, составляет примерно 9 об/м.
Кроме фактора зависимости прочности от крутки волокна, достаточно подробно может быть рассмотрено влияние числа сложений нити при формировании корда Кевлар на его прочность. Так, например, на рис.5 показано влияние числа сложений при крутке на прочность для нити Кевлар с линейной плотностью 1640 дтекс.
Из рисунка видно, что оптимум, например, по прочности, достигается при числе сложений чуть большем единицы, модуль при увеличении числа сложении резко падает, удлинение слегка возрастает.

 влияние сбалансированности крутки на разрушающую нагрузку корда

Рис. 4. Влияние сбалансированности крутки на разрушающую нагрузку корда
 tpm - кручений на метр, tpi - кручений на дюйм.

 

влияние крутки при сложении на свойства нити KEVLAR 1500 денье
Рис. 5. Влияние крутки при сложении на свойства нити KEVLAR® 1500 денье (1670 дтекс)


Аналогичные зависимости приведены на рис. 6 для прочности корда двух видов - сурового волокна и волокна, смоченного водой. Из рисунка видно, что для обоих типов волокон кривая прочности резко падает при увеличении числа сложений.
На рис. 7 проанализировано влияние числа сложений на величину модуля при крутке кордной нити. Здесь также рассмотрен исходный суровый материал и материал сырой. Показано, что величина модуля практически линейно падает с увеличением числа сложений. При этом величина падения очень велика, до 5-ти раз, особенно для сурового волокна.

влияние крутки при сложении на прочность корда

Рис. 6. Влияние крутки при сложении на прочность корда (равновесная крутка)

 

влияние крутки при сложении на модуль кордной нити

Рис. 7. Влияние крутки при сложении на модуль кордной нити (равновесная крутка)


Рис.8 показывает характер относительного удлинения для сурового и смоченного волокна. Видно, что увеличение числа сложений приводит к росту относительного удлинения при разрушении, более резкому для исходного волокна (более чем в 2 раза). Для смоченного волокна изменение относительного удлинения менее значительно (примерно в 1,5 раза).

влияние крутки при сложении на удлинение корда

Рис. 8. Влияние крутки при сложении на удлинение корда (равновесная крутка)


Все эти технологические факторы были тщательно проанализированы, чтобы волокно Кевлар имело наилучшие показатели. Из этих показателей определялось оптимальное число сложений при крутке для серийных видов волокон.
Как видно из экспериментальных данных на рис. 6-8, влажность оказывает существенное влияние на свойства волокна Кевлар. Поскольку волокно Кевлар является арамидным волокном, а для всех полиамидов вопрос влажности является весьма существенным, необходимо оценить ситуацию с накоплением влаги на волокне.

восстановление содержания влаги в волокне KEVLAR® 49

Рис. 9. Восстановление содержания влаги в волокне KEVLAR® 49 в зависимости от относительной влажности при комнатной температуре

 

Из рис. 9 видно, что при влажности порядка 95% содержание восстановленной воды превышает 6%. Ситуация с накоплением влаги в волокне KEVLAR® 29 показана на рис. 10. Предварительное кондиционирование при 85% относительной влажности и 24°С в течение 3-х дней приводит к формированию влажности порядка 8%. Если предварительно высушенное волокно затем кондиционируется при 85% относительной влажности и 24°С в течение 3-х дней, волокно выходит на восстановление влажности в районе 4%. Такая же ситуация для волокна, высушенного при 105°С в течение 4-х часов. Видно, что в этом случае уровень восстановления влаги в районе 4%.

восстановление влагосодержания нити KEVLAR® 29

Рис. 10. Восстановление влагосодержания нити KEVLAR® 29 (после различных условий кондиционирования)


Вопрос изменения влажности волокна является очень существенным в технологических и в других практических аспектах, поэтому всегда следует принимать в расчет необходимость предварительной сушки волокна.
В таблице 3 представлены сравнительные характеристики волокон. Сравнение показывает, что волокно Кевлар по прочности уступает стеклянным волокнам и находятся на уровне высокопрочных угольных волокон. С другой стороны, по модулю упругости они даже превосходят стеклянные волокна, и близки к высокопрочному полиэтилену. Конечно, почти вдвое уступают угольным волокнам и стальной проволоке. Что касается удлинения при разрыве, волокна Кевлар вполне сопоставимы с высокопрочным полиэтиленом, стальной проволокой, и существенно превышают угольные волокна. Полиамидные и полиэфирные нити, в свою очередь, сильно превосходят Кевлар. Данные таблицы показывают, что волокна Кевлар являются весьма высокотехнологичными и обеспечивают высокий уровень рабочих свойств для полимерных волокон.

Табл. 3. Сравнительные характеристики волокна KEVLAR® и других волокон

 

Потребительские свойства (дюйм-фунт) единицы

Удельная плотность, фунт/дюйм3

Прочность, фунт/дюйм2

Модуль, 1062 фунт/дюйм

Удлинение при разрыве, %

Удельная прочность при растяжении, 106 дюймов

Коэффициент линейного термического расширения,
106/°F

Температура разложения

°F

°С

KEVLAR® 29

0,052

424

10,2

3,6

8,15

-2,2

800-900

(427-482)

KEVLAR® 49

0,052

435

16,3

2,4

8,37

-2,7

800-900

(427-482)

Другие волокна

S-стекло

0,090

665

12,4

5,4

7,40

+1,7

1562+

(850)

Е-стекло

0,092

500

10,5

4,8

5,43

+ 1,6

1346+

(730)

Стальная проволока

0,280

285

29

2,0

1,0

+3,7

2732+

(1500)

Полиамид 66

0,042

143

0,8

18,3

3,40

-

490+

(254)

Полиэфир

0,050

168

2,0

14,5

3,36

-

493+

(256)

Высокопрочный полиэтилен

0,035

375

17

3,5

10,7

-

300+

(149)

Высокопрочные угольные волокна

0,065

450

32

1,4

6,93

-0,1

6332

(3500)

 

удельная прочность при растяжении получена делением прочности на плотность.

СТЕ - коэффициент линейного термического расширения в продольном направлении.

+ температура плавления.

 

Сравнительная характеристика волокон может быть продолжена данными рисунка 11, где показаны кривые нагрузка-деформация для промышленных комплексных нитей. Из рисунка видно, что волокна Кевлар имеют огромные преимущества в прочности по сравнению с другими нитями - Дакроном, полиэфиром, в 2-2,5 раза увеличены значения прочности при меньших относительных удлинениях.

кривые напряжение-деформация

Рис. 11. Кривые напряжение-деформация для промышленных комплексных нитей и стальной проволоки


На рис.12 показаны величины прочности в зависимости от температуры. Если, например, стальная проволока не имеет зависимости прочности от температуры, то полиамидные и полиэфирные волокна практически теряют прочность при температуре около 200°, в то время как Кевлар сохраняет прочность на уровне 17 г/денье. Хорошие температурные характеристики волокон Кевлар иллюстрируются и данными рис.13, где приведены температурные зависимости модуля для разных волокон. Здесь видно, что величины модуля при изменении температуры в пределах 100° для Кевлара меняются не очень сильно, в то время как другие волокна теряют свои свойства. Стальная нить не имеет температурной зависимости, но модуль Кевлара практически вдвое выше.

разрушающая прочность промышленных многофиламентных волокон

Рис. 12. Разрушающая прочность промышленных многофиламентных волокон

и стальной проволоки в воздухе при повышенных температурах

 

начальный модуль промышленных многофиламентных волокон

Рис. 13. Начальный модуль промышленных многофиламентных волокон

и стальной проволоки в воздухе при повышенных температурах

 

Высокий уровень свойств Кевлара отмечается не только при высоких температурах, но и при низких, арктических температурах. В табл. 4 приведены свойства корда из Кевлара при растяжении при комнатной температуре и при температуре -46°С. Видно, что прочность практически не меняется, модуль слегка растет, удлинение тоже не меняется, как вдоль, так и поперек волокна. Таким образом, представленные в табл.4 данные свидетельствуют о высокой работоспособности волокон Кевлар не только при высоких, но и при низких температурах, что имеет существенную практическую важность.
Все приведенные ранее данные касались кратковременных испытаний, необходимо дать оценку и долговременным свойствам волокна Кевлар. Для этого рассмотрим данные, связанные с характером ползучести, долговечности и усталостной прочности. В табл. 5 приведены сравнительные данные по ползучести волокна Кевлар в сравнении с другими материалами. Из таблицы видно, что по характеристикам процента ползучести волокно Кевлар находится на одном уровне с металлами и стеклянными волокнами, превосходя полиэфирные и полиамидные волокна довольно существенно.

Табл. 4. Свойства корда из волокна KEVLAR® при растяжении при комнатной температуре

и низких температурах окружающей среды (арктическая температура)

Температура испытания

75°F (24°C)

-50°F (-46°C)

Свойства при продольном растяжении

Прочность

 

 

г/денье

19,1

19,8

сН/текс

169

175

Модуль

 

 

г/денье

425

478

сН/текс

3,753

4,221

Удлинение при разрыве, %

4,1

3,9

Свойства в направлении поперек волокна (кольцевые напряжения)

Прочность

 

 

г/денье

8,3

7,7

сН/текс

73,3

68,0

Удлинение при разрыве, %

2,0

1,8

 

Примечание: был испытан образец комплексной нити корда длиной 30 дюймов с круткой 6,5, часть длины которого (18 дюймов) экспонировалась в холодильной камере.

Скорость растяжения 10%/мин.

Табл. 5. Сравнение увеличения размеров и ползучести

 

Тип волокна

% увеличения размеров

% ползучести

KEVLAR®

0,5

<0,03

Стекло

0,5

<0,03

Проволока

0,7

<0,03

Полиэфир DACRON®

2,1

0,3

Полиамид

4,8

0,4

Полиамид типа «Район»

4,9

1,4

Условия испытаний: 1 г/денье (8,83 сН/текс) нагрузка при 75°F (24°С).

Увеличение размеров за 30 секунд.

Ползучесть определяется между 30 сек и 30 мин.

  

Кривые долговечности представлены на рис. 14 для трех типов волокон - полиэфиры, полиамиды и Кевлар. Видно, что волокно Кевлар сильно превосходит другие материалы по этому показателю.
Характеристики усталостной прочности показаны на рис. 15. Видно, что волокна Кевлар 956 и 956Е имеют высокие значения усталостной прочности, при этом усталостная прочность тем выше, чем выше относительное удлинение волокон в зависимости от числа сложений. Видно также, что модификация волокон типа Е существенно повышает усталостную прочность по сравнению с Кевларом 956.
кривые долговечности для выбранных волокон

Рис. 14. Кривые долговечности для выбранных волокон

 

высокая усталостная прочность волокна KEVLAR® тип 956Е

Рис. 15. Высокая усталостная прочность волокна KEVLAR® тип 956Е

 

Таким образом, в работе представлены все основные механические характеристики волокна Кевлар, которые показывают его чрезвычайную перспективность при решении задач армирования, восприятия механических нагрузок и т.д. Здесь предварительно показано, что одним из основных свойств волокон Кевлара является сохранение высоких прочностных характеристик в широком диапазоне температур.

Оригинальные сертификаты производителя ткани
на арамидную (кевларовую) ткань
(артикул YT-3000D-P400)

Нагрузка на разрыв:
1800 Н продольно ткани / 1300 H поперечно ткани (1Н = 1кгм/с2)
Температура использования:
стабильная рабочая / верхний рабочий уровень 250 грC / 625 грC
стабильная рабочая - при этой температуре (и/или ниже) при любом сроке использования, ткань не претерпевает изменений на протяжении всего времени.
Удлинение при разрыве: максимум 5%.
Ткань окисляется в среде с содержанием свободного кислорода более 32%,
(много, для сравнения в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95% +/- 1 %)
Плотность ткани: 400 г/м.кв.

... материал в разработке....


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.
По материалам:
Конструкционные и функциональные волокнистые композиционные материалы.
Сидоренко Ю. Н.
Томск: Изд.-во ТГУ, 2006.


Прочность
Важнейший параметр, характеризующий то, как материал реагирует на приложенные усилия при неизменных окружающих условиях. Например, прочность на растяжение показывает значение растягивающего усилия, при котором деформация материала переходит из упругой стадии в пластическую. Иначе говоря, прочность - это максимальная нагрузка, которую может выдержать материал при приложении к нему усилий растяжения, сжатия или сдвига.
Тест на прочность является фундаментальным тестом, во время которого специальным образом подготовленные образцы нагружаются контролируемым усилием, при этом делаются замеры удлинения образцов.
Измеряется прочность в Мегапаскалях.
Предельная прочность
наивысшая точка кривой растяжение/деформация.
Участок эластичности
Как видно из рисунка, на данном участке имеется линейная зависимость между уровнем приложенного усилия и деформации. Это означает, что здесь имеет место только упругая деформация. Как только нагрузка будет снята, материал возвратиться в свое первоначальное положение.
Участок пластической деформации
Зависимость становится нелинейной и при снятии нагрузки в материале появляется остаточная деформация. В зависимости от размера участка пластической деформации материалы подразделяются на хрупкие (brittle) и пластичные (ductile).
Уровень пластичности материала
Пластичность материала - это уровень, до которого материал может деформироваться до того, как начнет разрушаться. Мерой пластичности является коэффициент удлинения материала. Считается коэффициент удлинения как отношение длины образца, полученный при приложении разрушающего напряжения, к оригинальной длине образца. Рассчитывается данный коэффициент в процентах.
Модуль упругости (Юнга)
Наклон линии графика на участке упругой деформации называется модулем упругости. Модуль упругости определяет, насколько легко материал деформируется во время приложения усилия упругой деформации. Модуль упругости является мерой жесткости материала, возможно, поэтому его часто называют жесткостью.
Чтобы посчитать модуль упругости, надо просто разделить приложенное напряжение на уровень деформации.
Так же, как и прочность, модуль упругости считается в мегапаскалях МПа (или в ГПа).
Модуль упругости является одной из важнейших характеристик материала и именно он принимается во внимание более всего, когда речь идет о выборе материалов для таких высокоответственных применений, как, например, производство лопастей ветряных мельниц, где длина изделия достигает 65 метров, а вес - 8 тонн.

наверх


Закрыть ... [X]

M Охота, рыбалка - Удочки и снасти, Цена 39.33 Работа связанная с детством



Кевларовым плетением Удилища маховые карбоновые, без колец
Кевларовым плетением Удилище фидерное Surf Master Eternity в тубусе
Кевларовым плетением Антипрокольные ленты Proline Anti Platt
Кевларовым плетением Оригинал Jagwire Kevlar Reinforced
Кевларовым плетением Фидер Surf Master Eternity 3,6 - m
Кевларовым плетением Sredstva
Кевларовым плетением Бетонный завод МэйкВэлл - производство и
Кевларовым плетением Все для шитья, магазин, Лермонтовский проспект, 54, Санкт. - 2ГИС
Вторая жизнь пластиковой бутылки: 15 креативный идей Вяжем онлайн детям Вязание крючок. Салфетки.(Польские журналы) Декупаж. Часы с одношаговым кракелюром (для начинающих) Иголочка, товары для шитья и швейная фурнитура Как нарисовать Эпл Джек карандашом поэтапно Lessdraw Как сделать парню 5 необычных подарков своими руками Летняя туника с «дырками» - схема вязания спицами. - Pinterest Мастер-классы по рукоделию