Кевлар

Кевлар® ​(пара-​арамид)​
Кевларовое волокноКевларовое волокно
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Структура кевлара. Прочность обеспечивается ковалентными связями — сплошные линии. Пунктиром указаны слабые водородные связи
Волокно кевлара характерного золотисто-жёлтого цвета. Диаметр элементарного волокна — 10 мкм

Кевла́р (англ. Kevlar) — высокопрочное волокно из класса ароматических полиамидов (арамидов), химически представляющее собой полипарафенилентерефталамид[1]. Является синтетическим полимером, обладающий исключительными прочностными характеристиками: его предел прочности при растяжении составляет примерно 3620 МПа, что делает материал в пять раз прочнее стали аналогичной массы[2][3].

Описание и история

Синтез полимера, позже ставшего известным как кевлар, был впервые осуществлен в 1964 году исследовательской группой под руководством американской учёной-химика Стефани Кволек[4] в лабораториях корпорации DuPont в США[1]. Промышленная технология его производства была разработана той же компанией к 1965 году[5][6][3].

Коммерческое использование материала началось в начале 1970-х годов. Уникальные свойства кевлара, сочетающие высокую механическую прочность, термостойкость и низкую плотность, определили его широкое применение в самых разных отраслях, от производства средств индивидуальной защиты до аэрокосмической техники[7]. В 1975 году материал вышел на рынок под коммерческим названием Kevlar. В Советском Союзе позже создали волокно на основе другого полимера, которое превосходило кевлар по прочности. Первоначально оно носило название «вниивлон» (по названию института ВНИИВ), затем получило обозначение СВМ — сверхпрочное высокомодульное синтетическое волокно[1].

Применение

Первоначальной областью применения кевлара было армирование автомобильных шин, где он успешно заменил стальной корд и используется до сих пор. Однако вскоре сфера его использования значительно расширилась. Кевлар стал одним из главных армирующим компонентом в композитных материалах, позволяя создавать конструкции, обладающие одновременно высокой прочностью и малым весом, что критически важно в авиационной и ракетно-космической промышленности. Его широко применяют для упрочнения медных и волоконно-оптических кабелей, где кевларовая нить, проложенная вдоль всей длины кабеля, воспринимает механические нагрузки растяжения и предотвращает разрыв[2][1][3].

В аудиотехнике из этого материала изготавливают диффузоры акустических динамиков. В протезно-ортопедической отрасли — износостойкие элементы углепластиковых стоп и других функциональных узлов. Благодаря устойчивости к абразивному и режущему воздействию, кевларовое волокно интегрируют в состав смесовых тканей для пошива защитных рабочих перчаток и специализированных защитных вставок в спортивной экипировке для таких видов спорта, как мотоспорт, сноубординг и других, где существует риск травмирования[2].

Использование в бронежилетах

Большие механические свойства кевлара, прежде всего его высокая удельная прочность и вязкость, сделали его основным материалом для производства средств баллистической защиты, в первую очередь пуленепробиваемых жилетов и бронепластин. Это применение стало одним из самых известных и массовых[2][4]. Исторические параллели подобного использования слоистых текстильных материалов для защиты прослеживаются ещё в античности, например, в снаряжении подразделений катафрактариев в армии Византийской империи. Прорыв в разработке современных бронежилетов произошел в 1970-е годы, когда компания DuPont начала производство кевларового волокна. Разработка проводилась при поддержке Национального института юстиции США и включала несколько этапов: испытания на баллистическое ограничение, определение оптимального количества слоёв ткани для защиты от пуль различного калибра и скорости, создание и полевые испытания прототипов[5][6].

Первые жилеты, состоявшие из семи слоёв кевлара, показали высокую эффективность против пуль калибров .38 Special и .22 Long Rifle. Однако в ходе испытаний были выявлены и недостатки материала: значительное снижение защитных свойств при намокании, деградация под воздействием ультрафиолетового излучения (включая солнечный свет), и также негативное влияние агрессивных химических веществ, используемых при химчистке и отбеливании. Для нивелирования этих проблем были разработаны специальные водостойкие чехлы и защитные покрытия, предохраняющие материал от контакта с влагой и УФ-излучением[2][1][3].

Температурные свойства

Кевлар демонстрирует высокую стабильность механических свойств в широком диапазоне температур. Материал сохраняет прочность и упругость при экстремально низких, вплоть до криогенных, температурах (около −196 °C), и даже наблюдается некоторое увеличение его прочностных характеристик. При воздействии высоких температур кевлар ведёт себя иначе, чем большинство термопластов: он не переходит в вязкотекучее состояние, а подвергается термическому разложению. Процесс деструкции начинается в интервале температур 430—480 °C, причём конкретная температура разложения зависит от скорости нагрева и длительности термического воздействия[2].

Однако уже при длительном воздействии умеренно высоких температур (свыше 150 °C) наблюдается постепенная потеря прочности. Например, выдержка при температуре 160 °C в течение 500 часов приводит к снижению прочности на 10-20 %. При 250 °C материал теряет до 50 % своей исходной прочности всего за 70 часов, что необходимо учитывать при проектировании изделий, работающих в условиях термонагружения[2].

Химические свойства

С точки зрения химической стойкости кевлар является достаточно инертным материалом и устойчив к воздействию многих органических растворителей, масел и топлив. Однако, как и другие полиамиды, он подвержен гидролизу при длительном контакте с сильными кислотами и щелочами. Это приводит к разрыву амидных связей в полимерной цепи и потере прочности[2].

Важным химическим свойством кевлара является его способность растворяться в концентрированной серной кислоте с образованием анизотропного жидкокристаллического раствора. Именно это свойство лежит в основе промышленного процесса получения волокна методом мокрого формования из раствора, когда полученный раствор продавливается через фильеры в коагуляционную ванну. Там происходит осаждение полимера в виде высокоориентированных и обладающих предельно высокой прочностью филаментных нитей[2].

Литература

  • Андреева Р. П. Кевлар // Энциклопедия моды. — СПб.: Литера, 1997. — С. 194—196. — ISBN 5-86617-030-2.
  • Лисов О. Кевлар — перспективный материал военного назначения // Зарубежное военное обозрение. — 1986. — № 2. — С. 89–90.

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Дёмина М. Операция «Кевлар». Химия и Жизнь (2011). Дата обращения: 13 ноября 2025.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 Анферова Е. Кевларовая ткань: состав, характеристики и применение. Стартекс (16 апреля 2024). Дата обращения: 13 ноября 2025.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 Кевларовая ткань: Прочность и Универсальность. Ademas Fashion Group (11 сентября 2023). Дата обращения: 13 ноября 2025.
  4. ↑ 4,0 4,1 Рымарь Е. Стефани Кволек – изобретатель кевлара. К 95-летию со дня рождения. Гетсиз.ру, (30 июля 2018). Дата обращения: 13 ноября 2025.
  5. ↑ 5,0 5,1 Nathans A. Kevlar inventor Stephanie Kwolek dies (англ.). Delaware online (9 июня 2014). Дата обращения: 13 ноября 2025. Архивировано 11 ноября 2019.
  6. ↑ 6,0 6,1 Wholly aromatic carbocyclic polycarbonamide fiber having orientation angle of less than about 45{20 (25-Jun-1974) (англ.). US Patent Publication (12 ноября 2010). Дата обращения: 13 ноября 2025. Архивировано 8 марта 2012.
  7. ↑ Gertler J. US unmanned aerial systems (англ.). Congressional Research Service. Дата обращения: 13 ноября 2025. Архивировано 6 февраля 2012.

См. также

Ссылки

Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Кевлар&oldid=2155577