Кіріспе
Жылуға төзімді және күшті ароматты полиамид талшығы – Кевлар (пара-арамид) жоғары беріктігі бар материал. Ол алғаш рет 1970-ші жылдардың басында жарыс машиналарын дөңгелектерінде болатты алмастыру үшін коммерциялық түрде қолданылды. Әдетте, ол арқандарға немесе мата парақтарына тоқылады, оларды сол күйінде немесе композиттік материалдардың құрамдас бөлігі ретінде пайдалануға болады. Кевлардың қолданылу саласы кең: велосипедтік шиналар мен жарыс желкендерінен бастап, оқтан қорғайтын жилеттерге дейін – мұның бәрі оның салмағына шаққандағы жоғары кернеу беріктігімен байланысты. Бұл көрсеткіш бойынша ол болаттан бес есе мықты. Сонымен қатар, Кевлар жоғары соққыға төтеп беретін заманауи шеру барабандарының жасалуына, сондай-ақ кемелерді бекітуге арналған сымдар мен басқа да су асты қолданылуына пайдаланылады. 1970-ші жылдары Akzo компаниясы осыған ұқсас химиялық құрылымы бар Twaron талшығын жасады. 1986 жылы оның коммерциялық өндірісі басталды, ал Twaron-ды Teijin компаниясы шығарады.
Kevlar (para aramid) the high strength material was first used commercially in the early 1970s as a replacement for steel in racing tires. It is typically spun into ropes or fabric sheets that can be used as such, or as an ingredient in composite material components. Kevlar has many applications, ranging from bicycle tires and racing sails to bulletproof vests, all due to its high tensile strength to weight ratio; by this measure it is five times stronger than steel. It is also used to make modern marching drumheads that withstand high impact; and for mooring lines and other underwater applications. A similar fiber called Twaron with the same chemical structure was developed by Akzo in the 1970s; commercial production started in 1986, and Twaron is manufactured by Teijin.
Тарих
Полипарафенилентерефталамид (K29) – тауарлық атауы Кевлар – американдық химик Стефани Кволек бензин тапшылығын болжап, DuPont компаниясында жұмыс істеген кезде ойлап тапты. 1964 жылы оның тобы жеңіл, бірақ берік шиналарға қолдануға болатын жаңа, жеңіл және берік талшық іздеуді бастады. Ол зерттеп келген полимерлер – полипфенилентерефталат және полибензамид – ерітіндіде сұйық кристалдар құрады, бұл сол кездегі полимерлер үшін ерекше жағдай еді. 1971 жылы Лестер Шубин, сол кезде Ұлттық құқық қорғау және қылмыстық әділет институтының ғылым және технология директоры, оқтан қорғайтын жилеттерде нейлонды ауыстыру үшін Кевларды пайдалануды ұсынды. Кевлар пайдалануға дейін нейлоннан жасалған бронежилеттер пайдаланушыларға шектеулі ғана қорғаныс берді. Шубин кейінірек идеяның қалай дамығанын еске алады: "Біз оны бірнеше рет бүктеп, оқ атып көрдік. Оқтар өтпеді". Тестілеу кезінде олар есінен танытқан ешкілерге Кевлардан жасалған материалды кигізіп, жүректеріне, омыртқаларына, бауырларына және өкпелеріне оқ атты. Олар ешкілердің жүрек соғуын және қандағы газ деңгейін бақылап, өкпе зақымдануын тексерді. 24 сағаттан кейін бір ешкі өлді, ал қалғандарының жаралары өмірге қауіпті емес еді. Шубин оқтан қорғайтын жилеттерде матаның қолданылуын зерттеу үшін 5 миллион долларлық грант алды. Кевлар 149-ды 1980 жылдары DuPont компаниясының Джейкоб Лахиджани ойлап тапты.
Құрылымы мен қасиеттері
Кевлар оралған кезде, алынған талшықтың созылу күші шамамен 0,95-0,10 т/м² және салыстырмалы тығыздығы 1,44 (0,052 фунт/куб дюйм) болады. Полимердің жоғары беріктігі көптеген тізбек аралық байланыстарға байланысты. Бұл молекула аралық сутекті байланыстар карбонил тобы мен NH орталықтары арасында қалыптасады. Қосымша беріктік жақын орналасқан жіптер арасындағы ароматикалық үйлесімнен туындайды. Бұл өзара әрекеттесулер кевларда, басқа синтетикалық полимерлер мен талшықтардың, мысалы, ультра жоғары молекулалық полиэтиленнің қасиеттерін анықтайтын Ван дер Ваальс өзара әрекеттесулерінен және тізбек ұзындығынан гөрі күштірек әсер етеді. Тұздар мен кейбір басқа қоспалардың, әсіресе кальцийдің болуы жіптер арасындағы өзара әрекеттесуге бөгет жасайды, сондықтан оларды өндіріске кіргізбеуге ерекше көңіл бөлінеді. Кевлар құрылымы салыстырмалы түрде қатаң молекулалардан тұрады, олар негізінен жазық қабаттар тәрізді құрылымдарды құрайды, бұл жібек ақуызына ұқсас.
Термиялық қасиеттері
Кевлар криогендік температураларға дейін өз беріктігі мен серпімділігін сақтайды: тіпті төмен температурада сәл мықтырақ болады. Жоғары температурада созылу беріктігі бірден 10–20% төмендейді, ал бірнеше сағаттан соң беріктігі прогрессивті түрде одан әрі азаяды. Мысалы: 500 сағатқа төзімді болғанда оның беріктігі шамамен 10% төмендейді; ал 70 сағатқа төзімді болғанда оның беріктігі шамамен 50% төмендейді.
Ғылым
Кевлар көбінесе криогендік салада төмен жылу өткізгіштігі және басқа материалдарға қарағанда жоғары беріктігі болғандықтан қолданылады, әсіресе ілінісу мақсатында. Ол көбінесе парамагниттік тұзды қоршауды суперөткізгіш магнит осінен ілу арқылы парамагниттік материалға жылудың ағынын барынша азайту үшін пайдаланылады. Сондай-ақ, жылудың аз мөлшерде өтуі немесе құрылымдық қолдау қажет болған жағдайларда жылулық аралық ретінде де қолданылады. CERN-дегі NA48 экспериментінде жұқа кевлар терезесі диаметрі бірдей вакуумдік және атмосфералық қысымдағы екі ыдысты бөлу үшін қолданылды. Бұл терезе вакуумдық тығыздықты қамтамасыз етті, сонымен қатар материалдың аз мөлшерін (сәуле ұзындығының 0,3%-дан 0,4%-ына дейін) пайдаланды.
Қорғау
Кевлар – жауынгерлік каскалар, баллистикалық бетперделер және бронежилеттер сияқты жеке қорғаныс құралдарының белгілі бір бөлігі. АҚШ әскери күштері қолданатын PASGT каскасы мен бронежилеті құрамында маңызды компонент ретінде кевлар пайдаланылады. Басқа әскери қолданыстары: бронетранспорттық құрылғылар экипажының қорғаны үшін қолданылатын оқтан өткізбейтін бетперделер және сынықтардан қорғайтын қабаттар. "Нимиц" класындағы әуе кемелері маңызды бөліктерінде кевлармен күшейтілген. Азаматтық қолданысқа мыналар жатады: өрт сөндірушілердің киетін жоғары температураға төзімді киімдері, полиция қызметкерлерінің, қауіпсіздік қызметінің және SWAT сияқты полицияның арнайы жасақтарының киетін дене бронежилеттері. Кевлар қолғаптар, жеңдер, күрмелер, шалбарлар және пайдаланушыларды кесулерден, сызаулардан және ыстықтан қорғайтын басқа да киім-кешек жасауға қолданылады. Кевлар негізіндегі қорғаныс жабдықтары көбінесе дәстүрлі материалдардан жасалған ұқсас жабдықтарға қарағанда жеңіл және жұқа болады. Параглайдердің ілгектеріне қолданылатын негізгі материалдардың бірі. Кейбір велосипедтік шиналардың ішкі қабаты ретінде тесілудің алдын алу үшін қолданылады. Үстел теннисінде, серуді арттыру және салмақты азайту үшін кевлар қабаттары арнайы жасалған ракеткаларға қосылады. Теннис ракеткаларына кейде кевлармен өріледі. Ол жоғары жылдамдықты жарыс қайықтарының желкендерінде қолданылады. 2013 жылы технологияның жетістіктерімен Nike алғаш рет өкініште кевларды қолданды. Олар Elite II сериясын ұсынды, бұл баскетбол өкініштерінің бұрынғы нұсқасын кевлар және өкініш байланыстарын пайдалану арқылы жақсартты. Бұл өкініштің ұшының серпімділігін азайту үшін жасалды, өйткені кевлар дәстүрлі түрде қолданылатын нейлонға қарағанда шамамен 1% ғана кеңейеді, ал нейлон шамамен 30% кеңейеді. Бұл серияға Леброн, ГиперДанк және Зум Кобе VII кірді. Дегенмен, бұл өкініштер баскетбол өкініштерінің орташа бағасынан әлдеқайда қымбатқа сатылды. Ол сондай-ақ Adidas F50 adiZero Prime футбол өкініштерінің байланыстарында қолданылды. Continental AG сияқты бірнеше компаниялар тесілуден қорғау үшін кевлармен велосипедтік шиналар шығарады. 1984 жылы Том Ритчи велосипед спортына енгізген бүктемелі шиналар, салмақты азайту және беріктікті арттыру үшін болаттың орнына кевларды пайдаланады. Бүктемелі шинаның қосымша әсері – бөлшек сауда орындарында велосипедтік шиналарды көрсету үшін қажетті сөре мен еден алаңының азаюы, өйткені олар бүктеліп, кішкентай қораптарға салынады.
Музыка
Кевлярдың айтарлықтай пайдалы акустикалық қасиеттері бар екендігі анықталды, әсіресе бас және орта жиілікті динамиктер үшін. Сонымен қатар, кевлар аудио деректерді беруге арналған оптикалық талшықты кабельдерде күштік элемент ретінде қолданылады. Кевларды ішекті аспаптардың садақтарының акустикалық ядросы ретінде пайдалануға болады. Кевлардың физикалық қасиеттері садақты қолданушыға күштілік, икемділік және тұрақтылық береді. Бүгінгі күнге дейін осы типтегі садақтардың жалғыз өндірушісі CodaBow болып табылады. Кевлар қазіргі уақытта ішекті аспаптардың құйрық бөлігін соңғы тіреуге жалғайтын құйрық шнурлары (немесе құйрық реттегіштері) үшін материал ретінде қолданылады. Кевлар кейде марш барабандарының қабығында қолданылады. Ол өте жоғары кернеуді қамтамасыз етеді, нәтижесінде дыбыс таза болады. Кевлардың үстіне ауа өткізбейтін қатырғы материал құйылады, ал содан кейін тегіс соққы беру үшін нейлон қабаты жабыстырылады. Бұл марш барабанының қабығының негізгі түрлерінің бірі. Remo компаниясының Falam Slam жапсырмасы кевлардан жасалған және бас барабанының соққы алатын жерін нығайту үшін қолданылады. Кевлар Fibracell компаниясының ағаштан жасалған желдеткіш қамыстарында қолданылады. Бұл қамыс материалдары – табиғаттың қамысты қалай құрастыратынын қайталауға арналған ғарыш материалдарының композициясы. Өте қатты, бірақ дыбыс сіңіретін кевлар талшықтары жеңіл қатырғы материалда орналасқан.
Автокөлік
Кейде кевлар автомобильдердің құрылымдық элементтерінде, әсіресе Ferrari F40 сияқты құнды, жоғары өнімді автомобильдерде қолданылады. Кесілген талшықтар асбестке балама ретінде тежегіш қалыпында пайдаланылады. Кевлар сияқты арамидтер асбест тежегіштеріне қарағанда ауаға аз мөлшерде талшықтар шығарады және асбестке тән қатерлі ісік тудыратын қасиеттері жоқ.
Басқа қолданыстар
Өртке қарсы би билеушілердің қақпақтары кевлар қосылған композиттік материалдардан жасалады. Кевлар отынды жақсы сіңіре алмайды, сондықтан оны шыны талшығы немесе мақта сияқты басқа материалдармен араластырады. Кевлардың жоғары жылу төзімділігі қақпақтарды көп рет қайта пайдалануға мүмкіндік береді. Кевлар кейде тефлонның орнына кейбір тұрмыстық табаларда қолданылады. Кевлар талшығы арқандар мен кабельдерде қолданылады, онда талшықтар полиэтилен қабықшасында параллель орналастырылады. Осы кабельдер Шотландиядағы Аберфелдидегі көпір сияқты аспалы көпірлерде қолданылған. Олар сондай-ақ жарықтарды тұрақтандыру үшін қолданылды, сыртқы бетіне орап, жарықтарды жабу арқылы. Кевлар оптикалық талшықты кабельдің сыртқы қорғаныш қабығы ретінде кеңінен қолданылады, өйткені оның беріктігі кабельді зақымданудан және бүгілуден қорғайды. Осы қолданыста ол әдетте Parafil тауарлық атауымен белгілі. Джорджия Технология институтының ғалымдары кевларды киімнен электр энергиясын өндіру эксперименті үшін негізгі мата ретінде қолданды. Бұл үшін матаға мырыш оксидінің наносымдарын тоқыды. Егер эксперимент сәтті аяқталса, жаңа мата бір шаршы метрге шамамен 80 милливатт қуат өндіруі мүмкін. 1976 жылғы Жазғы Олимпиада ойындары үшін Монреаль Олимпиада стадионының дизайнында кевлардан жасалған жылжымалы шатыр маңызды бөлік болды. Бірақ ол толыққандай сәтсіздікке ұшырады, 10 жыл кешігіп аяқталды және бірнеше мәселелерден кейін 1998 жылдың мамырында 10 жылдан кейін жаңасына ауыстырылды. Кевлар жоғары температурада қолданылатын резеңке балғалардың кеңейтімдік буындары мен резеңке шлангтарда күшейткіш қабат ретінде қолданылады, сондай-ақ оның жоғары беріктігі үшін. Ол шланг жиынтықтарының сыртында қолданылатын тоқыма қабат ретінде де кездеседі, өткір заттардан қосымша қорғау үшін. Кейбір ұялы телефондарда (Motorola RAZR отбасы, Motorola Droid Maxx, OnePlus 2 және Pocophone F1 сияқты) кевлардан жасалған артқы панельдер бар, олар көміртектің орнына оның беріктігі мен сигнал беруге кедергі келтірмеуіне байланысты таңдалған. Кевлар талшығы/эпоксидтік матрицадан жасалған композиттік материалдар теңіз ағындарымен жұмыс жасайтын турбиналарда (МАТ) немесе жел турбиналарында қолданылуы мүмкін, өйткені олардың басқа талшықтармен салыстырғанда жоғары беріктігі және жеңіл салмағы бар.
Композиттік материалдар
Арамид талшықтары композиттік материалдарды күшейту үшін кеңінен қолданылады, көбінесе көміртек талшықтарымен және шыны талшықтарымен бірге. Жоғары өнімді композиттер үшін матрица әдетте эпоксидтік шайыр болып табылады. Типтік қолданылу аймақтарына Формула-1 автомобильдерінің монокок корпустары, тікұшақ роторларының қанаттары, теннис, үстел теннисі, бадминтон және сквош ракеткалары, каяктер, крикет таяқтары, сондай-ақ хоккей (далалық, шайбалы) және лакросс таяқшалары жатады. Кевлар 149 – ең берік талшық және құрылымы бойынша ең кристалды, ол ұшақ құрылысының кейбір бөліктерінде қолданылатын балама материал болып табылады. Қанаттың алдыңғы жиегі – осы қолданыстардың бірі, себебі Кевлар көміртек немесе шыны талшықтан гөрі құстармен соқтығысқанда сынуға төмендеу бейім.