تاریخ و تکامل فیبر آرامید در برنامه های مهندسی

الیاف مصنوعی مدت ها است که مرزهای علم مواد را تحت فشار قرار داده اند، اما تعداد کمی از پلیمرها ترکیبی از قدرت، ثبات حرارتی و عملکرد سبک یافت شده در الیاف آبراموئید را از زمان معرفی تجاری خود در دهه 1960، آبرامها در محیط های مهندسی با مصرف بالا ضروری شده اند - از حفاظت از بالستیک و ساختار هوافضا برای تقویت کامپوزیت در درک انرژی تجدید پذیر و تکامل مدرن، نه تنها یک داستان شیمیایی مداوم را نشان می دهد، بلکه یک داستان مداوم را نیز نشان می دهد.

ریشه ها و کشف فیبر های آرامید

پایه مولکولی الیاف آبراموئید بر روی پلی آمید های آروماتیک ( پلیمرهای مصنوعی زنجیره ای طولانی) قرار دارد که در آن حداقل 85 درصد از پیوندهای آمید مستقیماً به دو حلقه آروماتیک متصل می شوند.اولین سنتز موفق از یک محلول واقعاً با عملکرد بالا در سال 1965 در DuntPo آزمایشگاه های Ledie، واکنش های پلی ای را نشان می دهد که یک راه حل سخت پلیمری را تولید می کند.

کشف Kwolek تلاش های اولیه برای چرخش پلیمر به چالش کشیده شد زیرا محلول مبهم و ابری بود، بر خلاف dopes پلیمری شفاف معمولی، فیبرهای حاصل از فولاد به صورت مساوی با وزن برابر، DuPont به سرعت پتانسیل را شناسایی کرد و یک برنامه تحقیقاتی عظیم را برای مقیاس تولید و شناسایی کاربردهای عملی (N1F) راه اندازی کرد.

ساختار شیمیایی که عملکرد را تحویل می دهد

خواص فوق العاده فیبرهای آئراموئید از معماری مولکولی آنها سرچشمه می گیرد (واحدهای تکرار شده) -poly (p-phenylene terephthalamide) برای پارا-aramids مانند Kevlar - ایجاد سفت و سخت، زنجیره خطی که در طول چرخش هماهنگ می شود.

متا-aramids، مانند Nomex، یک آرایش مولکولی مختلف (poly (m-methylene isophthalamide) که ثبات حرارتی و مقاومت شعله را به جای قدرت مکانیکی شدید، Nomex ذوب یا پشتیبانی از احتراق، و مقاومت مداوم در معرض دمای تا 370 درجه سانتیگراد. این تطبیق شیمیایی اجازه می دهد تا مهندسان را به خیاط فیبرهای مختلف برای محافظت از مواد مشابه خانواده - با همان مواد محافظت از مواد محافظت از خانواده.

تجارت اولیه و بازار Penetration (1970s-1980)

DuPont در سال 1971 برای تقویت لاستیک و کمربند صنعتی Kevlar 29 را معرفی کرد، اما خواص منحصر به فرد فیبر به سرعت برنامه های دراماتیک بیشتری را پیدا کرد. آژانس های ارتش و اجرای قانون ایالات متحده شروع به ارزیابی Kevlar برای زره های اولیه بالستیک نشان داد که چندین لایه Kevlar می تواند گلوله های دست را متوقف کند در حالی که بسیار سبک تر و انعطاف پذیر تر از راه حل های قبلی نایلون یا ضد آهن، سلاح های ضد گلوله، در اواخر دهه 1970، و مواد Klar ضد گلوله، سلاح های ضد گلوله، سلاح های ضد گلوله، سلاح های ضد گلوله، و مواد اولیه، سلاح های ضد گلوله، بسته به طور دقیق تر بود.

نومex، که حتی در سال 1967 معرفی شد، جایگاه خود را در لباس های محافظت کننده برای آتش نشانان، رانندگان خودرو مسابقه و کارگران صنعتی پیدا کرد. مقاومت ذاتی شعله های فیبر - آن را اما ذوب یا قطره نیست - آن را برای تجهیزات محافظ شخصی (PPE) در همان دوره، مهندسان هوافضا شروع به استفاده از کامپوزیت کامپوزیت کامپوزیت کامپوزیت به طراحان بالا (F) در حالی که اجازه می دهد تا وزن داخلی را کاهش دهد.

تکامل فرآیندهای تولید

تولید فیبر آبراموئید اولیه انرژی فشرده و گران بود. پلیمر در یک حلال مانند اسید گوگرد متمرکز در دماهای پایین سنتز شد، سپس از طریق یک تونر به یک حمام انعقاد تبدیل شد. ظهور تکنیک های چرخش بهتر - به ویژه چرخش مرطوب خشک - جهت گیری فیبر بهبود یافته و کاهش نقص توسط دهه 1990، تولید کنندگان می توانند یک رشته پیوسته با خواص مکانیکی و ثابت تولید کنند.

یکی دیگر از پیشرفت های عمده با توسعه نخ های فشرده و ساخت و ساز پارچه آمد. پیچ و خم کردن الیاف پیچید با دیگر فیبرهای با عملکرد بالا (مانند کربن یا شیشه) کامپوزیتهایی ایجاد کرد که قدرت متعادل، سفتی و مقاومت در برابر سطوح، از جمله پلاسما و شیمیایی سازی، بهبود چسبندگی بین فیبرهای مواد کامپوزیت و مواد کامپوزیتی گسترده تر در این موارد کاهش می یابد.

برنامه های مهندسی در سراسر صنایع

امروزه، فیبرهای آئراموئیدی به طیف متنوعی از زمینه های مهندسی جدایی ناپذیر هستند.پیماهای آنها با نیاز به کاهش وزن، دوام و ایمنی هدایت شده است.

هوا و هوا

فریم های هوایی، راموس و پانل های داخلی اغلب از کامپوزیت های فیبر آبراموئید استفاده می کنند. بوئینگ 787 Dreamliner، به عنوان مثال، اجزای Kevlar-reinforced را در بالکت ها و سلول های موتور برای مقاومت در برابر حملات پرنده و زباله ها استفاده می کند.

ماشین آلات و حمل و نقل

ماشین های با عملکرد بالا از لاستیک های تقویت شده، پد های ترمز و صفحات کلاچ استفاده می کنند.قدرت کششی و مقاومت گرما عملکرد ترمز و طول عمر را بهبود می بخشد.در وسایل نقلیه الکتریکی (EV)، فیبرهای آبراموئید برای محفظه های باتری سبک و عایق کابل که می توانند در برابر رویدادهای حرارتی مقاومت کنند، مورد بررسی قرار می گیرند.

حمایت نظامی و توپی

زره بدن همچنان کاربرد نمادین است. جلیقه های مدرن از لایه های متعدد Kevlar بافته شده با سرامیک یا صفحه پلی اتیلن برای محافظت از کلاه ایمنی اسلحه، زره خودرو و حتی لباس های ضد انفجار بمب بر کامپوزیت های آبراموئید تکیه می کنند. توانایی فیبر برای جذب و پراکنده کردن انرژی های خویشاوندی از دیسک های پروژه زندگی بی شماری را نجات داده است.

مهندسی دریایی و دریایی

طناب ها، کابل ها و خطوط محرک ساخته شده از الیاف آبراموئید، قدرت بالایی را با مقاومت به آب نمک و تخریب UV ترکیب می کنند.آنها در اکتشاف عمیق دریایی، سیستم عامل های نفتی دریایی و بادبانی برای قایق های مسابقه ای استفاده می شوند.

مهندسی صنعتی و عمران

بتن مایع آرام، کابل های پل و بسته بندی های مقاوم در برابر زلزله از modulu های بالا فیبر برای تقویت ساختارهای بدون اضافه کردن توده قابل توجه استفاده می کند. The Parisian Footbridge در Ecole Polytechnique از کابل های aramid برای طراحی کششی نوآورانه خود استفاده می کند.در پلاستیک های تقویت شده، پرکننده های aramid مقاومت در برابر سایش و دنده ها را بهبود می بخشد.

روند فعلی: پایداری و کاهش هزینه

صنعت فیبر آبراموئید به فشارهای زیست محیطی پاسخ می دهد.تولید سنتی از اسیدهای قوی استفاده می کند و جریان های زباله را تولید می کند. محققان در حال توسعه مسیرهای پلیمری بدون حلال و روش های بازیافت حلقه بسته هستند. شرکت هایی مانند :Teijin و DuPont در حال بررسی پیش نویس های زیستی برای کاهش ردپای کربن هستند.

روند دیگر ادغام فیبرهای آئراموئید به تولید اضافه شده (FLT:0) است ، الیاف کوتاه aramid مخلوط به رشته های ترموپلاستی برای چاپ 3D، قطعات با قدرت افزایش یافته و انحراف گرما.این امکان می دهد تا سریع نمونه سازی از اجزای با کارایی بالا در هوافضا و Ramp & D؛

پارچه های هوشمند و چند منظوره

محققان عناصر رسانا (مانند نانولوله های کربنی یا پوشش های فلزی) را به پارچه های آرام تبدیل می کنند تا منسوجات را ایجاد کنند که می تواند فشار، دما یا فشار را حس کند، این پارچه های "هوشمند" پتانسیل سنسورهای پوشیدنی برای کارگران در محیط های خطرناک یا برای نظارت بر سلامت ساختاری واقعی قطعات کامپوزیت را دارند.

راهنمایی های آینده در مهندسی

تکامل مهندسی فیبر آبراموئید بسیار از کامل است. چندین منطقه در حال ظهور وعده می دهند که دسترسی مواد را گسترش دهند:

  • فیبرهای محلول در مقیاس نانو: حل فیبرهای نانو فردی از مواد عمده بازده aramid با منطقه سطح بسیار بالا و پتانسیل تقویت مکانیکی مورد بررسی قرار می گیرند.
  • [Hybrid کامپوزیت با گرافن: ترکیب aramid با اکسید گرافن یا نانولوله های کربنی می تواند کامپوزیت های چند منظوره با هدایت الکتریکی و سخت بودن افزایش، مناسب برای محافظت از الکترومغناطیسی و یا سیستم های de-icing ایجاد کند.
  • برنامه های انرژی تجدید پذیر: تیغه توربین بادی به طور فزاینده ای شامل فیبرهای آبراموئید برای کاهش وزن و افزایش عمر مد و خستگی است.
  • ساختارهای فضایی فوق العاده سبک: رونق قابل اجرا، پشتیبانی از بادبان خورشیدی، و tethers برای آسانسورهای فضایی همه در اطراف قدرت خاص استراموئید طراحی شده است.

نتیجه گیری

از پیشرفت استفانی Kwolek در آزمایشگاه Wilmington تا اکوسیستم صنعتی جهانی که امروز فیبرهای آبراموئید را تامین می کند، تاریخ این مواد قابل توجه نشان دهنده دهه های نوآوری مشترک در شیمی، پردازش و طراحی مهندسی است. الیاف آرامید در محیط هایی که شکست یک گزینه نیست - تاثیر توپیستی، گرمای شدید، فشار عمیق اقیانوس و تحقیقات فضایی بالاتر، ادامه می دهد و به شکل های مهندسی پایدار ادامه می دهد که اثرات پایدار را در حال تکامل می دهد.

سفر آنها از کنجکاوی آزمایشگاهی به اصل مهندسی، گواهی بر قدرت علم پلیمر و پایداری مهندسان است که پتانسیل دیدن دیگران تنها راه حل های عجیب و ابری را مشاهده کردند.