Tìm hiểu về vật liệu composite sợi aramid, bao gồm khả năng chống va đập, đặc tính nhẹ, độ cứng, khả năng chống mài mòn và các ứng dụng quan trọng trong quân sự và công nghiệp.
Sợi aramid, còn được gọi là "poly (p-phenylene terephthalamide)", sở hữu các đặc tính tuyệt vời như độ bền cực cao, mô đun cao, khả năng chịu nhiệt độ cao, kháng axit và kiềm và trọng lượng nhẹ. Sợi aramid được DuPont (dưới tên thương mại Kevlar) phát triển và thương mại hóa thành công vào những năm 1960, và do đó, trước khi sợi carbon ra đời, sợi aramid đã thống trị thị trường sợi hiệu suất cao.
1. Sơ lược về lịch sử phát triển sợi Aramid
Vào những năm 1960, DuPont là công ty đầu tiên trên thế giới giới thiệu và sản xuất sợi aramid dưới nhãn hiệu đã đăng ký là Kevlar. Sợi Aramid được bán trên thị trường từ năm 1973. Aramid được phát hiện bởi một nữ nhà hóa học gốc Ba Lan, Stephanie Kwolek, người đang tiến hành nghiên cứu với hy vọng tìm ra một loại vật liệu nhẹ, đặc biệt bền để thay thế nylon trong sản xuất lốp xe.
Người phát minh ra sợi Kevlar – nữ nhà hóa học gốc Ba Lan Stephanie Kwolek
Ngày nay, vật liệu composite aramid nổi tiếng nhất là sợi Kevlar của DuPont. Theo thời gian, các nhà cung cấp khác cũng đã cung cấp aramid dưới nhiều tên thương mại khác nhau, bao gồm: Nomex của DuPont, Twaron và Technora của Teijin của Nhật Bản, Arawin của Toray của Hàn Quốc, Kolon của Heracron của Hàn Quốc và một số sản phẩm của các công ty Trung Quốc.
Do đó, bất kỳ vật liệu nào được gọi là Kevlar, Twaron hoặc Nomex thực sự đều đề cập đến aramid, có các đặc tính đặc biệt, bao gồm khả năng chống va đập và mài mòn tuyệt vời, chịu nhiệt độ cao và trọng lượng thấp. Do những đặc điểm này, vật liệu này thường được sử dụng trong quân đội, không quân, thể thao dưới nước và đua xe thể thao, cũng như trong sản xuất lốp xe, quần áo, găng tay bảo hộ và nhiều ứng dụng khác.
Găng tay bảo hộ làm từ chất liệu sợi aramid
2.1 Khả năng chống va đập và nứt cao
Sợi aramid có khả năng chống va đập tuyệt vời và không bị nứt dưới áp lực do độ dẻo dai và khả năng hấp thụ một lượng năng lượng lớn. Nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất áo chống đạn, thuyền, thuyền kayak và áo giáp cho các bộ phận của xe quân sự. Khả năng chống va đập của vật liệu tổng hợp sợi aramid gấp 5 lần so với vật liệu tổng hợp sợi carbon (được thử nghiệm bằng phương pháp va đập trọng lượng thả rơi). Khả năng chống va đập hay khả năng chống đạn đặc biệt này là do các chuỗi nguyên tử dài tạo thành cấu trúc aramid.
Với đặc tính chống va đập tuyệt vời, sợi aramid được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng quân sự để sản xuất áo chống đạn và vật liệu áo giáp xe tăng. Áo chống đạn thường được làm bằng vật liệu bao gồm hàng chục lớp aramid (chẳng hạn như Kevlar), với một tấm gốm nằm giữa hai lớp. Tấm chắn bảo vệ sử dụng trên một số xe bọc thép được làm bằng vật liệu thép-aramid-thép, có thể chống lại tên lửa chống tăng có đường kính lên tới 700mm.
Sợi aramid được sử dụng rộng rãi trong áo chống đạn.
Hơn nữa, ngoài việc bảo vệ bản thân xe tăng, tấm chắn thép-aramid-thép còn bảo vệ tổ lái bằng cách hấp thụ động năng do tên lửa xuyên thủng tạo ra. Một ứng dụng khác của Kevlar là trên Boeing AH-64, một loại trực thăng tấn công của quân đội Mỹ được trang bị cánh quạt Kevlar. Ở đây, Kevlar cung cấp khả năng bảo vệ chống lại đạn có đường kính lên tới 23 mm.
Sợi aramid cung cấp khả năng chống đạn cho máy bay trực thăng.
Do khả năng chống va đập cao, Kevlar được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo thuyền và thuyền kayak, chẳng hạn như thân du thuyền được thiết kế cho Cuộc đua Đại dương Volvo, một trong những thử thách thể thao đòi hỏi khắt khe nhất. Hầu hết thuyền kayak hiệu suất cao dành cho các môn thể thao dưới nước đều được làm bằng sợi aramid hoặc vật liệu composite sợi carbon/sợi aramid.
Sợi aramid bảo vệ thuyền kayak khỏi bị hư hại.
2.2 Mật độ thấp/Trọng lượng thấp
Sợi aramid có trọng lượng cực thấp, đây là một lợi thế trong sản xuất vật liệu composite. Trong khi bản thân vật liệu tổng hợp sợi carbon được coi là rất nhẹ thì vật liệu tổng hợp sợi aramid nhẹ hơn khoảng 20% so với vật liệu tổng hợp sợi carbon. Việc sử dụng vải aramid trong vật liệu composite làm tăng khả năng chống va đập và chống mài mòn, đồng thời giảm trọng lượng của các bộ phận composite.
Mật độ của sợi aramid xấp xỉ 1,45 g/cm³, trong khi mật độ của vật liệu composite nhựa aramid-epoxy là khoảng 1,3 g/cm³. Tính toán này dựa trên mật độ hỗn hợp của nhựa epoxy và chất làm cứng (~1,1 g/cm³) và công nghệ tiên tiến được sử dụng trong sản xuất vật liệu composite, cụ thể là prereg hấp. Trong khi vật liệu tổng hợp sợi carbon, thường được coi là rất nhẹ, có mật độ khoảng 1,55 g/cm³, thì vật liệu tổng hợp sợi aramid nhẹ hơn 20%.
Trọng lượng của vật liệu tổng hợp sợi aramid so với kim loại như thế nào? Nhôm là 2,7 g/cm³, titan là 4,5 g/cm³ và thép là 7,9 g/cm³. Do đó, vật liệu tổng hợp sợi aramid nhẹ gấp đôi nhôm, nhẹ hơn titan ba hoặc bốn lần và nhẹ hơn thép sáu lần.
2.3 Độ cứng vừa phải, giữa sợi thủy tinh và sợi carbon
Vật liệu tổng hợp sợi Aramid có độ cứng cao hơn vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh, nhưng thấp hơn đáng kể so với vật liệu tổng hợp sợi carbon. Tương tự như sợi carbon, sợi aramid có nhiều loại, bao gồm sợi tiêu chuẩn, trung bình và mô đun cao, mang lại độ cứng và độ bền khác nhau.
Độ cứng của các loại sợi khác nhau được thể hiện dưới đây:
Vải sợi thủy tinh – từ 72 GPa (Kính E tiêu chuẩn) đến 87 GPa (Vải thủy tinh cường độ gia cố S);
Vải sợi carbon – từ 230 GPa (Toray T300) đến 588 GPa (Toray HM cấp M60J);
Vải sợi aramid - từ 96 GPa (aramid tiêu chuẩn, tức là Kevlar 129) đến 186 GPa (aramid được sử dụng trong ngành công nghiệp máy bay/hàng không vũ trụ, tức là Kevlar 149).
Tóm lại, vật liệu tổng hợp aramid làm từ vải tiêu chuẩn có độ cứng cao hơn 30-40% so với vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh, nhưng thấp hơn 50% so với vật liệu tổng hợp sợi carbon.
2.4 Khả năng chống mài mòn
Vật liệu tổng hợp sợi aramid đã được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận dễ bị mài mòn, chẳng hạn như tấm trượt bảo vệ động cơ xe đua. Aramid thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp khai thác (như khai thác mỏ) để gia cố băng tải cao su, đảm bảo độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn. Theo nhà sản xuất Kevlar, loại cốt thép này có thể tăng khả năng chống mài mòn lên 50-70%. Do những đặc tính này, vật liệu này có thể được sử dụng trong vật liệu tổng hợp cũng như quần áo bảo hộ lao động, chẳng hạn như găng tay an toàn chống cắt sử dụng vải aramid như Twaron hoặc Kevlar. 2.5 Hằng số điện môi thấp
Vật liệu tổng hợp sợi aramid có hằng số điện môi thấp khoảng 3,85 (ở 10 GHz), đảm bảo độ xuyên thấu và cường độ tín hiệu tốt thông qua vỏ/vòm bảo vệ aramid. Loại ăng-ten này được sử dụng rộng rãi cho mục đích quân sự, chẳng hạn như trên máy bay quân sự.
Sợi Aramid được sử dụng trong radar quân sự
Vỏ/radome bằng sợi tổng hợp aramid bảo vệ ăng-ten khỏi bị hư hại và đảm bảo hiệu suất tín hiệu tốt. Ngược lại, vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh E có hằng số điện môi là 6,1 (ở 10 GHz), dẫn đến hiệu suất và công suất tín hiệu ăng-ten giảm 60%. Ngoài aramid, sợi thạch anh cũng được sử dụng, có hằng số điện môi là 3,78 (ở tần số 10 GHz).
2.6 Các đặc điểm khác
Sợi aramid có đặc tính giãn nở nhiệt thấp, rất ổn định ở nhiệt độ cao, độ giãn nở nhiệt gần như bằng 0 và hệ số giãn nở nhiệt hơi âm, tương đương (-2,4 x 10⁻⁶ /°C). Sợi aramid là chất cách điện tuyệt vời và không dẫn điện.
Một đặc tính đặc biệt của vật liệu tổng hợp sợi aramid có liên quan đến khả năng hấp thụ rung động, khiến chúng phù hợp để sản xuất các bộ phận chịu được rung động, chẳng hạn như các bộ phận kết cấu máy bay.
2.7 Hỗn hợp vải với các loại vải khác
Vải sợi Aramid có thể được điều chỉnh tham số khi cần thiết để sử dụng trong vật liệu tổng hợp sợi carbon và vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh, mang đến cho các nhà cung cấp sản phẩm composite nhiều khả năng.
Đối với vật liệu tổng hợp sợi carbon, khả năng chống va đập có thể được cải thiện bằng cách thêm một số lớp vải sợi aramid. Vật liệu tổng hợp lai bao gồm 50% sợi carbon và 50% sợi aramid cho thấy khả năng chống va đập được cải thiện tới 25% so với vật liệu tổng hợp chỉ làm từ sợi carbon.
Vải lai sợi aramid-sợi carbon
