Erfahren Sie mehr über Aramidfaserverbundwerkstoffe, einschließlich Schlagfestigkeit, geringem Gewicht, Steifigkeit, Abriebfestigkeit und wichtigen militärischen und industriellen Anwendungen.
Aramidfasern, auch bekannt als „Poly(p-phenylenterephthalamid)“, besitzen hervorragende Eigenschaften wie ultrahohe Festigkeit, hohes Modul, hohe Temperaturbeständigkeit, Säure- und Alkalibeständigkeit und geringes Gewicht. Aramidfasern wurden in den 1960er Jahren von DuPont (unter dem Handelsnamen Kevlar) erfolgreich entwickelt und kommerzialisiert. Daher dominierten Aramidfasern vor dem Aufkommen der Kohlenstofffasern den Markt für Hochleistungsfasern.
1. Eine kurze Geschichte der Entwicklung von Aramidfasern
In den 1960er Jahren war DuPont das erste Unternehmen weltweit, das Aramidfasern unter der eingetragenen Marke Kevlar einführte und produzierte. Aramidfasern werden seit 1973 auf dem Markt verkauft. Aramid wurde von der in Polen geborenen Chemikerin Stephanie Kwolek entdeckt, die Forschungen durchführte, in der Hoffnung, ein leichtes, außergewöhnlich starkes Material zu finden, um Nylon bei der Reifenherstellung zu ersetzen.
Die Erfinderin der Kevlar-Faser – die in Polen geborene Chemikerin Stephanie Kwolek
Das bekannteste Aramid-Verbundmaterial ist heute die Kevlar-Faser von DuPont. Im Laufe der Zeit haben auch andere Lieferanten Aramid unter anderen Handelsnamen geliefert, darunter: Nomex von DuPont, Twaron und Technora von Teijin aus Japan, Arawin von Toray aus Südkorea, Kolon von Heracron aus Südkorea und einige Produkte von chinesischen Unternehmen.
Daher bezieht sich jedes Material namens Kevlar, Twaron oder Nomex eigentlich auf Aramid, das über besondere Eigenschaften verfügt, darunter hervorragende Schlag- und Abriebfestigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und geringes Gewicht. Aufgrund dieser Eigenschaften wird dieses Material häufig in der Armee, der Luftwaffe, im Wasser- und Motorsport sowie bei der Herstellung von Reifen, Bekleidung, Schutzhandschuhen und vielen anderen Anwendungen eingesetzt.
Schutzhandschuhe aus Aramidfasermaterial
2.1 Hohe Schlag- und Rissfestigkeit
Aramidfasern verfügen über eine hervorragende Schlagfestigkeit und reißen aufgrund ihrer Zähigkeit und Fähigkeit, große Mengen an Energie zu absorbieren, nicht unter Druck. Es wird häufig bei der Herstellung von kugelsicheren Westen, Booten, Kajaks und Panzerungen für Militärfahrzeugkomponenten verwendet. Die Schlagfestigkeit von Aramidfaser-Verbundwerkstoffen ist fünfmal höher als die von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen (getestet mit der Fallgewichtsschlagmethode). Diese außergewöhnliche Schlagfestigkeit bzw. Durchschussfestigkeit ist auf die langen Atomketten zurückzuführen, die die Aramidstruktur bilden.
Aufgrund ihrer hervorragenden Schlagfestigkeitseigenschaften werden Aramidfasern häufig in militärischen Anwendungen zur Herstellung von kugelsicheren Westen und Panzerpanzermaterialien verwendet. Kugelsichere Westen bestehen typischerweise aus einem Material, das aus Dutzenden Aramidschichten (z. B. Kevlar) besteht, wobei zwischen zwei Schichten eine Keramikplatte eingefügt ist. Die in einigen gepanzerten Fahrzeugen verwendeten Schutzschilde bestehen aus Stahl-Aramid-Stahl-Material, das Panzerabwehrraketen mit einem Durchmesser von bis zu 700 mm standhält.
Aramidfasern werden häufig in kugelsicheren Westen verwendet.
Darüber hinaus schützt der Stahl-Aramid-Stahl-Schild nicht nur den Panzer selbst, sondern auch die Besatzung, indem er die kinetische Energie absorbiert, die durch das Eindringen von Raketen entsteht. Eine weitere Anwendung von Kevlar findet sich im Boeing AH-64, einem mit Kevlar-Rotorblättern ausgestatteten Kampfhubschrauber des US-Militärs. Hier bietet Kevlar Schutz vor Kugeln bis 23 mm Durchmesser.
Aramidfasern bieten kugelsicheren Schutz für Hubschrauber.
Aufgrund seiner hohen Schlagfestigkeit wird Kevlar häufig beim Bau von Booten und Kajaks verwendet, beispielsweise für die Rümpfe von Yachten, die für das Volvo Ocean Race, eine der anspruchsvollsten sportlichen Herausforderungen, konzipiert wurden. Die meisten Hochleistungskajaks für den Wassersport bestehen aus Aramidfasern oder Kohlefaser-/Aramidfaser-Verbundwerkstoffen.
Aramidfasern schützen Kajaks vor Beschädigungen.
2.2 Geringe Dichte/geringes Gewicht
Aramidfasern weisen ein äußerst geringes Gewicht auf, was bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen von Vorteil ist. Während Kohlefaser-Verbundwerkstoffe selbst als sehr leicht gelten, sind Aramidfaser-Verbundwerkstoffe etwa 20 % leichter als Kohlefaser-Verbundwerkstoffe. Der Einsatz von Aramidgewebe in Verbundwerkstoffen erhöht die Schlag- und Verschleißfestigkeit und reduziert das Gewicht der Verbundbauteile.
Die Dichte von Aramidfasern beträgt etwa 1,45 g/cm³, während die Dichte von Aramid-Epoxidharz-Verbundmaterial etwa 1,3 g/cm³ beträgt. Diese Berechnung basiert auf der Mischdichte von Epoxidharz und Härter (~1,1 g/cm³) und der fortschrittlichen Technologie, die bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet wird, nämlich Autoklav-Prepreg. Während Kohlefaser-Verbundwerkstoffe, die allgemein als sehr leicht gelten, eine Dichte von etwa 1,55 g/cm³ haben, sind Aramidfaser-Verbundwerkstoffe 20 % leichter.
Wie ist das Gewicht von Aramidfaserverbundwerkstoffen im Vergleich zu Metallen? Aluminium hat 2,7 g/cm³, Titan 4,5 g/cm³ und Stahl 7,9 g/cm³. Damit sind Aramidfaserverbundwerkstoffe doppelt so leicht wie Aluminium, drei- bis viermal leichter als Titan und sechsmal leichter als Stahl.
2.3 Mäßige Steifigkeit zwischen Glasfaser und Kohlefaser
Aramidfaser-Verbundwerkstoffe haben eine höhere Steifigkeit als Glasfaser-Verbundwerkstoffe, sind aber deutlich geringer als Kohlefaser-Verbundwerkstoffe. Ähnlich wie Kohlenstofffasern gibt es Aramidfasern in vielen Arten, darunter Standard-, Mittel- und Hochmodulfasern, die unterschiedliche Steifigkeit und Festigkeit bieten.
Die Steifigkeit verschiedener Fasertypen ist unten dargestellt:
Glasfasergewebe – von 72 GPa (Standard-E-Glas) bis 87 GPa (S-verstärktes Glasgewebe);
Kohlefasergewebe – von 230 GPa (Toray T300) bis 588 GPa (Toray HM-Klasse M60J);
Aramidfasergewebe – von 96 GPa (Standard-Aramid, d. h. Kevlar 129) bis 186 GPa (Aramid, das in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird, d. h. Kevlar 149).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Aramid-Verbundwerkstoffe aus Standardgeweben eine um 30–40 % höhere Steifigkeit als Glasfaser-Verbundwerkstoffe aufweisen, im Vergleich zu Kohlefaser-Verbundwerkstoffen jedoch um 50 % geringer sind.
2.4 Abriebfestigkeit
Aramidfaserverbundwerkstoffe werden häufig in verschleißanfälligen Bauteilen eingesetzt, beispielsweise in Unterfahrschutzplatten zum Schutz von Rennwagenmotoren. Aramid wird häufig in der Rohstoffindustrie (z. B. im Bergbau) zur Verstärkung von Gummiförderbändern verwendet, um eine höhere Festigkeit und Abriebfestigkeit zu gewährleisten. Nach Angaben des Kevlar-Herstellers kann diese Verstärkung die Abriebfestigkeit um 50-70 % erhöhen. Aufgrund dieser Eigenschaften kann das Material sowohl in Verbundwerkstoffen als auch in Arbeitskleidung verwendet werden, beispielsweise in schnittfesten Schutzhandschuhen aus Aramidgeweben wie Twaron oder Kevlar. 2,5 Niedrige Dielektrizitätskonstante
Aramidfaser-Verbundwerkstoffe haben eine niedrige Dielektrizitätskonstante von etwa 3,85 (bei 10 GHz), was eine gute Signaldurchdringung und -stärke durch die Aramid-Schutzhülle/das Radom gewährleistet. Dieser Antennentyp wird häufig für militärische Zwecke verwendet, beispielsweise in Militärflugzeugen.
Aramidfasern, die in militärischen Radomen verwendet werden
Aramidfaser-Verbundgehäuse/Radome schützen Antennen vor Beschädigungen und sorgen für eine gute Signalleistung. Im Gegensatz dazu bieten E-Glasfaser-Verbundwerkstoffe eine Dielektrizitätskonstante von 6,1 (bei 10 GHz), was zu einer Reduzierung der Antennensignalleistung und -leistung um 60 % führt. Neben Aramid wird auch Quarzfaser mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,78 (bei 10 GHz) verwendet.
2.6 Sonstige Merkmale
Aramidfasern weisen geringe Wärmeausdehnungseigenschaften auf, sind bei hohen Temperaturen sehr stabil, haben nahezu keine Wärmeausdehnung und einen leicht negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der (-2,4 x 10⁻⁶ /°C) entspricht. Aramidfasern sind hervorragende Isolatoren und leiten keinen Strom.
Eine besondere Eigenschaft von Aramidfaserverbundwerkstoffen ist die Schwingungsdämpfung, wodurch sie sich für die Herstellung schwingungsfester Bauteile, beispielsweise Flugzeugstrukturbauteile, eignen.
2.7 Gemischte Verbundstoffe mit anderen Stoffen
Für den Einsatz in Kohlefaserverbundwerkstoffen und Glasfaserverbundwerkstoffen können Aramidfasergewebe je nach Bedarf parametrisch angepasst werden, was Anbietern von Verbundprodukten vielfältige Möglichkeiten bietet.
Bei Kohlefaserverbundwerkstoffen lässt sich die Schlagfestigkeit durch das Hinzufügen mehrerer Lagen Aramidfasergewebe verbessern. Hybrid-Verbundwerkstoffe aus 50 % Kohlefaser und 50 % Aramidfaser weisen im Vergleich zu Verbundwerkstoffen, die ausschließlich aus Kohlefaser bestehen, eine bis zu 25 % bessere Schlagfestigkeit auf.
Aramidfaser-Kohlefaser-Hybridgewebe
