تعرف على مركبات ألياف الأراميد، بما في ذلك مقاومة الصدمات، وخصائص الوزن الخفيف، والصلابة، ومقاومة التآكل، والتطبيقات العسكرية والصناعية الرئيسية.
تمتلك ألياف الأراميد، والمعروفة أيضًا باسم "بولي (p-فينيلين تيريفثالاميد)،" خصائص ممتازة مثل القوة الفائقة، والمعامل العالي، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الأحماض والقلويات، والوزن الخفيف. تم تطوير ألياف الأراميد وتسويقها بنجاح في الستينيات من قبل شركة DuPont (تحت الاسم التجاري Kevlar)، وبالتالي، قبل ظهور ألياف الكربون، كانت ألياف الأراميد تهيمن على سوق الألياف عالية الأداء.
1. تاريخ موجز لتطور ألياف الأراميد
في الستينيات، كانت شركة دوبونت أول شركة في العالم تقدم وتنتج ألياف الأراميد تحت العلامة التجارية المسجلة كيفلر. تم بيع ألياف الأراميد في السوق منذ عام 1973. وقد تم اكتشاف الأراميد من قبل الكيميائية البولندية المولد ستيفاني كووليك، التي كانت تجري بحثًا على أمل العثور على مادة خفيفة الوزن وقوية بشكل استثنائي لتحل محل النايلون في تصنيع الإطارات.
مخترع ألياف الكيفلار – الكيميائية البولندية المولد ستيفاني كووليك
اليوم، المواد المركبة الأراميد الأكثر شهرة هي ألياف الكيفلار من شركة دوبونت. وبمرور الوقت، قام موردون آخرون أيضًا بتوريد الأراميد تحت أسماء تجارية مختلفة، بما في ذلك: Nomex من DuPont، وTwaron وTechnora من Teijin في اليابان، وArawin من Toray في كوريا الجنوبية، وKolon من Heracron في كوريا الجنوبية، وبعض المنتجات من الشركات الصينية.
لذلك، أي مادة تسمى كيفلر، توارون، أو نومكس تشير في الواقع إلى الأراميد، الذي يتمتع بخصائص خاصة، بما في ذلك التأثير الممتاز ومقاومة التآكل، ومقاومة درجات الحرارة العالية، والوزن المنخفض. ونظرًا لهذه الخصائص، تُستخدم هذه المادة بشكل متكرر في الجيش والقوات الجوية والرياضات المائية ورياضة السيارات، وكذلك في صناعة الإطارات والملابس والقفازات الواقية والعديد من التطبيقات الأخرى.
قفازات واقية مصنوعة من مادة ألياف الأراميد
2.1 التأثير العالي ومقاومة الكراك
تتمتع ألياف الأراميد بمقاومة ممتازة للصدمات ولا تتشقق تحت الضغط بسبب صلابتها وقدرتها على امتصاص كمية كبيرة من الطاقة. يتم استخدامه على نطاق واسع في صناعة السترات الواقية من الرصاص والقوارب وقوارب الكاياك والدروع لمكونات المركبات العسكرية. تبلغ مقاومة الصدمات لمركبات ألياف الأراميد خمسة أضعاف مقاومة مركبات ألياف الكربون (تم اختبارها باستخدام طريقة تأثير انخفاض الوزن). تعود هذه المقاومة غير العادية للصدمات أو القدرة المضادة للرصاص إلى السلاسل الذرية الطويلة التي تشكل بنية الأراميد.
نظرًا لخصائص مقاومة الصدمات الممتازة، تُستخدم ألياف الأراميد على نطاق واسع في التطبيقات العسكرية لتصنيع السترات المضادة للرصاص ومواد دروع الدبابات. تُصنع السترات الواقية من الرصاص عادةً من مادة مكونة من عشرات الطبقات من الأراميد (مثل الكيفلار)، مع وجود لوحة خزفية بين الطبقتين. الدروع الواقية المستخدمة في بعض المركبات المدرعة مصنوعة من مادة الفولاذ-الأراميد-الفولاذ، والتي يمكنها مقاومة الصواريخ المضادة للدبابات التي يصل قطرها إلى 700 ملم.
وتستخدم ألياف الأراميد على نطاق واسع في السترات الواقية من الرصاص.
علاوة على ذلك، بالإضافة إلى حماية الدبابة نفسها، فإن الدرع الفولاذي والأراميد والصلب يحمي الطاقم أيضًا من خلال امتصاص الطاقة الحركية الناتجة عن اختراق الصواريخ. تطبيق آخر لكيفلار موجود في طائرة بوينغ AH-64، وهي طائرة هليكوبتر هجومية عسكرية أمريكية مجهزة بشفرات كيفلر الدوارة. وهنا يوفر الكيفلار الحماية ضد الرصاص الذي يصل قطره إلى 23 ملم.
توفر ألياف الأراميد حماية مضادة للرصاص لطائرات الهليكوبتر.
نظرًا لمقاومته العالية للصدمات، يُستخدم الكيفلار على نطاق واسع في بناء القوارب وقوارب الكاياك، مثل هياكل اليخوت المصممة لسباق فولفو للمحيطات، وهو أحد التحديات الرياضية الأكثر تطلبًا. معظم قوارب الكاياك عالية الأداء المخصصة للرياضات المائية مصنوعة من ألياف الأراميد أو ألياف الكربون / مواد مركبة من ألياف الأراميد.
ألياف الأراميد تحمي قوارب الكاياك من التلف.
2.2 كثافة منخفضة/وزن منخفض
تتميز ألياف الأراميد بوزن منخفض للغاية، وهو ما يعد ميزة في تصنيع المواد المركبة. في حين أن مركبات ألياف الكربون نفسها تعتبر خفيفة الوزن للغاية، فإن مركبات ألياف الأراميد أخف بنسبة 20٪ تقريبًا من مركبات ألياف الكربون. يزيد استخدام نسيج الأراميد في المواد المركبة من مقاومة الصدمات ومقاومة التآكل، ويقلل من وزن المكونات المركبة.
تبلغ كثافة ألياف الأراميد حوالي 1.45 جم/سم3، بينما تبلغ كثافة المادة المركبة من راتنجات الأراميد-الإيبوكسي حوالي 1.3 جم/سم3. يعتمد هذا الحساب على الكثافة المختلطة لراتنجات الإيبوكسي والمصلب (حوالي 1.1 جم/سم مكعب) والتقنية المتقدمة المستخدمة في إنتاج المواد المركبة، وهي التقوية الأولية للأوتوكلاف. في حين أن مركبات ألياف الكربون، التي تعتبر عمومًا خفيفة الوزن جدًا، تبلغ كثافتها حوالي 1.55 جم / سم مكعب، فإن مركبات ألياف الأراميد أخف بنسبة 20٪.
كيف يمكن مقارنة وزن مركبات ألياف الأراميد بالمعادن؟ الألومنيوم 2.7 جم/سم3، والتيتانيوم 4.5 جم/سم3، والفولاذ 7.9 جم/سم3. ولذلك، فإن مركبات ألياف الأراميد تكون أخف مرتين من الألومنيوم، وثلاث أو أربع مرات أخف من التيتانيوم، وست مرات أخف من الفولاذ.
2.3 صلابة معتدلة، بين الألياف الزجاجية وألياف الكربون
تتميز مركبات ألياف الأراميد بصلابة أعلى من مركبات الألياف الزجاجية، ولكنها أقل بكثير من مركبات ألياف الكربون. على غرار ألياف الكربون، تأتي ألياف الأراميد في أنواع عديدة، بما في ذلك الألياف القياسية والمتوسطة والعالية، والتي توفر صلابة وقوة مختلفة.
تظهر صلابة أنواع مختلفة من الألياف أدناه:
نسيج من الألياف الزجاجية - من 72 GPa (الزجاج الإلكتروني القياسي) إلى 87 GPa (النسيج الزجاجي القوي المقوى S)؛
نسيج ألياف الكربون - من 230 جيجا باسكال (Toray T300) إلى 588 جيجا باسكال (Toray HM Grade M60J)؛
نسيج ألياف الأراميد - من 96 جيجا باسكال (الأراميد القياسي، أي كيفلر 129) إلى 186 جيجا باسكال (الأراميد المستخدم في صناعة الطائرات/الفضاء، أي كيفلر 149).
باختصار، تتمتع مركبات الأراميد المصنوعة من الأقمشة القياسية بصلابة أعلى بنسبة 30-40% من مركبات الألياف الزجاجية، ولكنها أقل بنسبة 50% مقارنة بمركبات ألياف الكربون.
2.4 مقاومة التآكل
تم استخدام مركبات ألياف الأراميد على نطاق واسع في المكونات المعرضة للتآكل، مثل ألواح الانزلاق التي تحمي محركات سيارات السباق. يستخدم الأراميد بشكل شائع في الصناعات الاستخراجية (مثل التعدين) لتعزيز سيور النقل المطاطية، مما يضمن قوة أعلى ومقاومة للتآكل. وفقا للشركة المصنعة للكيفلر، فإن هذا التعزيز يمكن أن يزيد من مقاومة التآكل بنسبة 50-70٪. ونظرًا لهذه الخصائص، يمكن استخدام المادة في المواد المركبة وكذلك ملابس العمل، مثل قفازات الأمان المقاومة للقطع باستخدام أقمشة الأراميد مثل Twaron أو Kevlar. 2.5 ثابت العزل الكهربائي المنخفض
تحتوي مركبات ألياف الأراميد على ثابت عازل منخفض يبلغ حوالي 3.85 (عند 10 جيجاهرتز)، مما يضمن اختراقًا جيدًا للإشارة وقوتها من خلال الغطاء الواقي/قبة الراميد. يُستخدم هذا النوع من الهوائيات على نطاق واسع للأغراض العسكرية، مثل الطائرات العسكرية.
ألياف الأراميد المستخدمة في القباب العسكرية
تعمل الأغلفة/قبب الرادار المركبة من ألياف الأراميد على حماية الهوائيات من التلف وتضمن أداءً جيدًا للإشارة. في المقابل، توفر مركبات الألياف الزجاجية الإلكترونية ثابتًا عازلًا قدره 6.1 (عند 10 جيجاهرتز)، مما يؤدي إلى انخفاض بنسبة 60% في قوة إشارة الهوائي وأدائها. إلى جانب الأراميد، يتم استخدام ألياف الكوارتز أيضًا، مع ثابت عازل يبلغ 3.78 (عند 10 جيجا هرتز).
2.6 خصائص أخرى
تتميز ألياف الأراميد بخصائص تمدد حراري منخفضة، وهي مستقرة جدًا عند درجات الحرارة المرتفعة، حيث يكون التمدد الحراري صفرًا تقريبًا، ومعامل التمدد الحراري سلبي قليلاً، أي ما يعادل (-2.4 × 10⁻⁶ / درجة مئوية). تعتبر ألياف الأراميد عوازل ممتازة ولا توصل الكهرباء.
هناك خاصية خاصة لمركبات ألياف الأراميد تتعلق بامتصاص الاهتزازات، مما يجعلها مناسبة لتصنيع المكونات التي تتحمل الاهتزازات، مثل المكونات الهيكلية للطائرات.
2.7 المركبات المختلطة مع الأقمشة الأخرى
يمكن تعديل أقمشة ألياف الأراميد بشكل حدودي حسب الحاجة لاستخدامها في مركبات ألياف الكربون ومركبات الألياف الزجاجية، مما يوفر لموردي المنتجات المركبة مجموعة واسعة من الإمكانيات.
بالنسبة لمركبات ألياف الكربون، يمكن تحسين مقاومة الصدمات عن طريق إضافة عدة طبقات من نسيج ألياف الأراميد. تُظهر المركبات الهجينة المكونة من 50% من ألياف الكربون و50% من ألياف الأراميد تحسنًا بنسبة 25% في مقاومة الصدمات مقارنة بالمركبات المصنوعة من ألياف الكربون فقط.
نسيج هجين من ألياف الأراميد وألياف الكربون
