Кевларовые стены что это?

Кевларобетон — характеристики, материалы, производство

Кевларобетон — это инновационный строительный материал, изготавливаемый по технологии вибролитья. По своему составу — это тот же традиционный тяжелый бетон на гранитной крошке, но с другим внешним видом и другими эксплуатационными характеристиками.

Ультрабетон, гранилит, окатышный бетон — это все названия одного материала, обладающего высокой прочностью, во много раз превосходящую прочность классического бетона.

Содержание

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.). Также он используется в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек.

Средства индивидуальной бронезащиты

Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) — бронежилетов и бронешлемов. Исследования второй половины 1970-х годов показали, что волокно марки кевлар-29 и его последующие модификации при использовании в виде многослойных тканевых и пластиковых (тканевополимерных) преград показывает наилучшее сочетание скорости поглощения энергии и длительности взаимодействия с ударником, обеспечивая тем самым относительно высокие, при данной массе преграды, показатели противопульной и противоосколочной стойкости [1] . 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 (англ. 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.

Кто изобрел кевлар

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.

Формы выпуска кевлара

Кевларовое волокно это промежуточное изделие. Оно очень тонкое и прозрачное. Его толщина составляет всего 1 мкм. Волокно применяют для изготовления:

• Грубых шнуров для канатов и тросов.
• Прядильных нитей.
• Роговины.
• Ткани.

Волокна кевлара очень короткие. При этом для некоторых способов применения они могут дополнительно измельчаться. Так, материал для производства войлока и нетканых изделий имеет длину всего 6 мм. Для армирования смол волокна могут измельчаться до 1 мм.

Нити и пряжа в свободной продаже практически не встречаются, так как являются промежуточным сырьем для изготовления различных изделий. Частный покупатель может приобрести кевлар в виде готовой ткани. Она используется для пошива различной защитной одежды.

Высокая прочность ткани объясняется не только характеристиками волокон, их которых она состоит, но и особому способу плетения. За счет этого она хорошо держит удары, отличается стойкостью к порезам. Минимальная плотность кевларовой ткани составляет всего 36 г/м². В таком исполнении ее толщина составляет всего 0,08 мм. Она очень легкая, может использовать даже для пошива легкой летней одежды, которая в разы превосходит по прочности любые другие материалы, даже более плотные. Самой прочной является ткань с плотностью 460 г/м². Ее толщина составляет 0,6 мм. Она менее гибкая, но обладает максимальной прочностью, доступной для кевлара.

Прочностные характеристики кевлара высокие, но не настолько, как бытует о нем мнение. Даже самая плотная ткань в один слой не способна остановить пулю или сильный колотый удар ножа.

Свойства кевлара

Материал является крайне прочным, при этом отличается легкостью и гибкостью. Благодаря этому он получил широкое распространение при изготовлении специализированного оборудования и бытовых вещей. При этом себестоимость его производства в меру высокая.

В целом к положительным качествам кевлара можно отнести:

• Высокая прочность на растяжение.
• Стойкость к порезам.
• Химическая нейтральность к агрессивным веществам.
• Минимальная токопроводность.
• Высокая стойкость к горению.
• Отличается сложностью плавления.
• Является нетоксичным.
• Не поддается коррозии.

Кроме этого нужно отметить, что при понижении температуры кевлар наоборот становится только прочнее. Он способен переносить снижение температуры до -200°С. Одежда и прочие вещи из кевлара не дают никаких вредных испарений или неприятного запаха пластика. Материал поддается естественному природному разрушению. Он не настолько опасный для экологии, как многие виды пластика. При этом нужно отметить, что кевлар и не производится в столь большом количестве, чтобы его отходы являлись источником загрязнения.

Не лишен материал и недостатков. К ним можно отнести:

• Терморазложение.
• Теряет прочность при намокании.
• Постепенно разрушается под воздействием ультрафиолета.

При нагреве кевларовые волокна становятся менее прочными. Если поднять их температуру до +450°С, то произойдет терморазрушение материала. Кроме этого, он как и многие подобные волокна теряет прочность при намокании. Когда же волокна высыхают, они возвращают свои нормальные характеристики.

Изделия из кевлара понемногу разрушаются под воздействием ультрафиолета. По возможности их лучше хранить в темном месте. Это не является проблемой в тех случаях, когда на кевларовые волокна солнечный свет не попадает. Примером этого является кевларовый корд в шинах. Он закрыт резиной, поэтому может служить практически вечно. Другое дело одежда и защитная экипировка из кевлара. Для компенсации этих недостатков, ткань зачастую покрывают защитными прозрачными полимерами, стойкими к ультрафиолету, которые также препятствуют намоканию.

История изобретения кевлара

Этот уникальный полимер, как и многие другие синтетические волокна, был получен в лабораториях всемирно известного концерна Дюпон. Его официальным создателем является химик Стефани Кволек, руководительница группы, занимавшейся проблемой синтеза прочных полимерных волокон для армирования шин. В 1964 году Кволек предложила новый способ получения полиарамидных нитей – не из расплава, как для большинства полимеров, а из раствора. Поликонденсированный параарамид растворяют в кислоте, а затем из раствора выращивают непрозрачные кристаллические волокна различной плотности, имеющие желтовато-золотистый цвет; в среднем их толщина составляет примерно 11 мкм. Кристаллическая структура такого волокна представляет собой стержень, в сечении которого лежит бензольное кольцо, что придает структуре очень высокую прочность. При тестировании на разрыв первых лабораторных образцов полиарамидных волокон исследователи даже решили, что аппаратура неисправна, поскольку полученная прочность (до 260 сн/Текс) оказалась в несколько раз выше, чем у стали, и к тому же новые полимеры оказались гибкими и легкими. Для дальнейшего применения волокна скручивают в нить, их количество в одной нити может быть различным. Из нитей с количеством волокон до 1000 производят кевлар ткань, более толстые нити (до 10 тысяч волокон) используются в технических целях, для армирования различных материалов и для производства канатов.

В 1975 году новый сверхпрочный полимер поступил в продажу под торговой маркой Kevlar. Он, как и предполагалось, использовался в качестве армирующего материала для шин. Кроме того, он нашел применение для различных композитных материалов, для производства кабельной продукции, протезов, спортивного оборудования и т.п. Большую долю выпускаемой продукции занимает ткань кевларовая, которую используют в основном для производства средств индивидуальной защиты. Вне зависимости от формы выпуска, полиарамидные волокна и нити из них обладают такими характеристиками:

• большая прочность на растяжение и на разрыв (порез);
• небольшая плотность (30-60 г/кв.метр);
• усиление прочности при понижении температуры вплоть до – 200 градусов;
• высокая упругость;
• химическая стойкость;
• низкая электропроводность;
• устойчивость к горению и плавлению;
• отсутствие коррозии;
• нетоксичность.

Однако кевларовые волокна имеют и свои недостатки. Их прочность уменьшается при повышении температуры, и при 450 градусах происходит процесс терморазложения. Они нестойки к действию УФ-излучения, утрачивают прочность при истирании и намокании. Однако при этом ткань кевлар является достаточно мягкой и имеет способности к воздухообмену, что позволяет использовать ее для одежды и обуви специального назначения.

Кевлар — синтетическая ткань с кристаллической структурой. Этот материал прочный за счет бензольного кольца, находящегося в сечении кристалла. Кевлар по своим свойствам крепче металла.

Этот материал производится в Америке на химическом предприятии DuPont. Производство кевлара начинается только при достижении низкой температуры.

Хлористый кальций и метилпирролидон смешивают, затем туда добавляют реагенты. Все эти вещества вступают в химическую реакцию, и получается полимер, обладающий свойствами жидких кристаллов.

Полученный полимер внешне выглядит как гель или мелкая крошка. Его тщательно промывают, затем просушивают и потом растворяют в серной кислоте. Полученный раствор пропускают через фильеры. В результате получаются волокна. Путем перекручивания из них создаются нити, а из них получают ткань.

Основные виды кевлара

Полиарамидные нити могут иметь разную толщину, прочность и упругость. Сегодня на рынке в основном представлены следующие виды кевлара:

1. К-29. Обладает стандартными характеристиками: плотностью от 280 кг на мм², желтоватым цветом, толщиной 1 мм. Применяется для изготовления спортивного инвентаря, защитных вставок в костюмы, ортопедических протезов, нитей для рыбалки, струн для музыкальных инструментов.
2. К-49. Обладает повышенной устойчивостью к коррозии. Применяется для изготовления автомобильных тросов, шлангов и покрышек, армирования пластмассы.
3. К2-100. Маркировка обозначает, что нить окрашена. Обычно кевлар К2-100 используется для изготовления оплетки оптоволокна.
4. К-119. Удлиненные нити, обладающие повышенной гибкостью. Как правило, применяются для армирования автомобильных шин и других резиновых изделий.
5. КМ2 и КМ2+. Полотно, обладающее повышенной прочностью, защитой от влаги и ультрафиолета. Применяется при изготовлении брони для силовых структур.

Также в продаже встречаются измельченные волокна. Например, штапель-кевлар представляет собой нарезанные нити длиной до 6 мм. Они не такие прочные, как К-29, зато используются для изготовления полотна, обладающего повышенными теплоизоляционными и виброизоляционными свойствами.

Флок-кевлар – это нарезанные волокна длиной до 1 мм. Они предназначены для армирования смол.

Обычный диаметр волокон 1 мкм, непрозрачные.

1. Основной характеристикой материала является его высокая механическая прочность. Плотность и, соответственно, масса достаточно низкие.
2. Кевлар обладает устойчивостью к растяжению.
3. Не горит и не плавится, обладает способностью к самотушению. Начинает разлагаться при температурах от 430 °C. При воздействии высоких температур начинает терять прочность только с течением времени, не сразу.
4. Имеет устойчивость к органическим растворителям.
5. Обладает высоким модулем упругости.
6. Устойчив к коррозии.
7. Под воздействием очень низких температур (криогенных) не только не портится, но и становится ещё прочнее.
8. Обладает низкой удельной электропроводностью.
9. Устойчив к порезам.

Применение кевлара

Как упоминалось выше, целью разработчиков было создание легкого, но в то же время прочного материала, который смог бы заменить тяжелую сталь при производстве шин.

Позднее, благодаря великолепным свойствам кевлара его начали использовать при пошиве одежды, спецовок, военной формы и т.д.

Броня

Кевлар является известным компонентом для производства средств личной брони и защиты. Боевые шлемы, баллистические маски для защиты лица и бронежилеты выполнены с применением кевлара.

Вооруженные силы различных стран применяют кевлар для создания пуленепробиваемых масок и подшлемников для экипажей бронетанковой техники.

Прочность кевлара настолько велика, что его применяют в качестве брони для авианосцев класса «Нимиц».

В гражданской сфере свойства кевлара используются при создании снаряжения для защиты работников органов экстренного реагирования. Бронежилеты сотрудников полиции, частных охранных предприятий и бойцов спецназа выполнены также из кевлара.

Спортивный инвентарь

Кевлар используется для обкладки велосипедных шип, что повышает их устойчивость к проколам. Также волокна кевлара применяются для увеличения отскока теннисных ракеток и уменьшения их веса.

В мотоспорте кевлар используется для производства безопасной одежды для спортсменов-мотоциклистов, укрепления элементов в области плеч и локтей.

Свойства кевлара с успехом нашли применение в других видах спорта – создания курток, брюк, элементов масок в фехтовании, в японской искусстве стрельбы из лука Кюдо для укрепления тетивы, для повышения производительности в парусах для гоночных лодок и т.д.

Музыкальные инструменты

Кевлар имеет отличные акустические свойства, которые нашли применение при создании диффузоров акустических динамиков для передачи низких и средних частот.

Кевлар используется в качестве основы в струнах для струнных инструментов. Струны из кевлара становятся более прочными, гибкими и стабильными к температурным скачкам.

Другие сферы применения

Благодаря своим физическим свойствам кевлар применяется как армирующее волокно, позволяя делать детали более легкими и прочными. Кевларовое волокно используют для укрепления кабелей, что защищает провода от растяжения и обрыва.

Возможность комбинирования кевлара с другими полимерами путем химической реакции позволяет создать более совершенные материалы, применяемые в специфических областях.

Как пример, карбон-кевлар, который отличается высокой термостойкостью и легкостью и применяется для строительства корпусов высокоскоростных лодок.

Состав

Пришло время узнать, из чего делают кевлар – такой прочный материал, который нельзя заменить больше ничем. Он представляет собой пара-арамидное волокно желтоватого оттенка. Это полимер, так что полученные нити являются синтетическими. Их добавляют в состав тканей, из которых шьют прочную спецодежду и элементы экипировки (например, перчатки).

Как композит кевлар тоже используется (покрышки), но здесь, кроме него добавляют угле-волокно и стекловолокно, хотя кевлар в разы превосходит их по прочности. Если он будет основным материалом, то вещь из него будет слишком дорогой.

Прочность составляет в среднем 360 кг на 1 мм2, но у некоторых видов может доходить до 550 кг. По структуре и свойствам кевлар постарались как можно больше приблизить к прочному, природному материалу – паутине. В сравнении со сталью, у которой эта цифра доходит только до 150 кг, кевлар гораздо прочнее. А также он имеет малую плотность (около 1500 кг на кубический метр), это чуть больше воды (1000 кг/м3).

Сферы внедрения кевлара

Несмотря на широкую распространенность и востребованность, что такое кевлар знают не многие. Хотя это высокопрочное волокно на протяжении многих десятилетий находит самое разнообразное применение.

В основном свое применение кевлар находит в областях, для которых важны следующие характеристики:

• стойкость к износу;
• тепловая стабильность;
• низкая структурная твердость;
• значительная легкость;
• хорошая крепость при низком весе.

Поэтому логично, что из ткани кевлара изготавливаются средства персональной защиты, различная одежда для военнослужащих и спецподразделений.

Кевларовая пластина

Авиационная промышленность

О свойствах кевлара, что это за материал не понаслышке знают в авиационной промышленности. Он применяется при производстве ряда беспилотных летательных аппаратов с целью обеспечения защиты.

Средства индивидуальной бронезащиты

Механические свойства делают кевларовые волокна пригодными для выпуска средств персональной бронезащиты. Из него изготавливаются боевые шлемы, бронежилеты, баллистические маски для защиты лица.

Благодаря кевларовой броне вооруженные силы различных стран создают специальные пуленепробиваемые маски и подшлемники для экипажей бронетанковой техники. Кроме этого именно с помощью кевлара осуществляется бронирование авианосцев класса «Нимиц».

Бронежилеты из кевларового волокна по праву считаются самыми качественными. Такая броня способна обеспечить защиту от скользящих ударов холодного оружия, ослабить попадание пуль, обезопасить от проникновения и распространения осколков. Защита обеспечивается благодаря уникальной легкости, прочности и относительной долговечности используемого материала.

При этом отдавая предпочтение изделиям из кевлара, таким как бронежилеты, следует учитывать то, что полимер наделен некими аспектами. Так как броня получается мягкой, защитить от выстрела в упор или проникающего удара ножом, а также шилом, она не сможет. Для таких целей разрабатываются специальные модели с особыми жесткими панелями. К недостаткам можно отнести еще светочувствительность. При постоянном и длительном воздействии солнечных лучей материал начинает постепенно разрушаться.

Так как кевларовая нить считается дорогостоящим материалом, до сих пор не произошла всеобщая «кевларизация». Оснащать тактильными изделиями из этого материала армию и подразделения могут позволить себе только экономически развитые страны.

Защита на руки

Для защиты рук от повреждений при столкновении с зубами противника, а также для значительного усиления удара используются тактические перчатки со вставками кевларовых пластин. Такие перчатки еще называют своеобразным современным аналогом кастета. У сотрудников специализированных подразделений, а также у экстремалов, любителей активного отдыха и уличных бойцов подобные аксессуары пользуются большим спросом. Такая популярность объясняется прочностью, устойчивостью к влаге и повреждениям, а также теплотой. Руки в таких перчатках будут полностью защищены.

Кевларовая защита на руки

Спортивный инвентарь

Доски из сноуборда, лодки, весла, лыжи и спортивные шлемы из кевлара отличаются легкостью и высокой прочностью. Спортивным товарам, произведенным из этого материала, отдают предпочтения, как любители, так и профессиональные спортсмены.

Именно этот материал помогает минимизировать передачу вибрации, обеспечить выдерживание деформационных нагрузок без повреждений. В результате пластичности материала изделия предохраняются от различных серьезных повреждений, раздробления. Кроме этого он отличается полной безопасностью и надежностью даже под воздействием высоких ударных нагрузок.

Гиря в мягкой оболочке из кевлара

Помимо всего прочего, кевлар используется для обкладки на некоторых велосипедных шинах. Именно он сводит к минимуму вероятность прокалывания. Добавляются слои кевлара на ракетки в настольном теннисе. Это позволяет увеличить отскок и добиться снижения веса. Используется материал для производства безопасной одежды для мотоциклистов. Особенно им заменяются элементы из пластика для защиты плеч и локтей.

Ракетка для настольного тенниса с кевларовым покрытием

Другие области применения

Высокие химические и механические показатели устойчивости, а также прочность кевлара обеспечивает широкое применение его в различных сферах. Этот материал считается одним из высокотехнологичных в современном мире.

Чаще всего он используется в следующих целях:

• В качестве армирующего волокна — применяется для придания материалу легкости и прочности. С его помощью укрепляются кабеля, а также они защищаются от обрывов и растяжений.
• В процессе выпуска ортопедических протезов.
• Для производства канатов — изделия выделяются устойчивостью к коррозии, надежностью, незначительным весом, не электропроводностью. Благодаря этим характеристикам канаты обширно используются в судостроении и горной промышленности, заменяя собой стальные тросы.
• Для получения гибридного материала под названием карбон-кевлар — используется для сооружения корпусов лодок, которые способны развивать значительные скорости.
• Для производства новейшего суперпрочного строительного материала под названием кевларобетон — используется для изготовления тротуарной плитки, фасадного камня для стен, памятников, бордюров, ступенек и многого другого. При этом стоят такие строительные материалы довольно дорого из-за используемого кевлара.
• Для производства лески — если человек занимается рыбалкой профессионально, то он отдает предпочтение только качественным снастям. Также незаменима будет на рыбалке кевларовая перчатка, особенно при ловле сомов или щуки.
• Для изготовления защиты картера — обеспечивает высокий уровень устойчивости к механическим повреждениям. Она термостабильна и отличается высокой степенью устойчивости к воздействию химикалий. При этом композит из кевлара стоит сравнительно дешевле.

Рулон кевлара

Кевларовые волокно сегодня используются в разнообразных сферах. Без этого материала практически невозможно представить пассивную защиту, а бронежилеты и шлемы спасли уже немало жизней.