ההיסטוריה והאבולוציה של Aramid סיבים בהנדסה יישומים

סיבים סינתטיים דחפו את הגבולות של מדע החומרי, אך רק כמה כיתות של פולימרים סיפקו את השילוב של כוח, יציבות תרמית וביצועים קלים שנמצאו בסיבים ארמונים.מאז ההקדמה המסחרית שלהם בשנות ה-60, aramids הפכו חיוני בסביבות הנדסיות גבוהות - מהגנה על יציבות בליסטי ומבנים אוויריים כדי לחזק את המורכבים באנרגיה מתחדשת.

מקור וגילוי של Aramid Fibers

הבסיס המולקולרי של סיבים ארמאים נח על פולימדיקים ארומטיים - פולימרים סינתטיים ארוכי שרשרת שבו לפחות 85% של קישורי amide מחוברים ישירות לשתי טבעות ארומטיות.הסינתזה המוצלחת הראשונה של a ביצועים באמת גבוה ביצועים גבוהים של aramid הגיע בשנת 1965 ב FLT:0 DuPontFLT:1 מעבדות.

תגליתו של קואוליק הייתה עצומה.הניסיונות המוקדמים לספין את הפולימרים היו מאתגרים כי הפתרון היה ⁇ וענן, בניגוד למגבונים פולימרים ברורים קונבנציונליים, הסיבים המתקבלים היו חזקים פי חמש מפלדה על בסיס משקל שווה.דפונט זיהה במהירות את הפוטנציאל והשיק תוכנית מחקר מסיבית כדי להגדיל את הייצור ולזהות יישומים מעשיים.

מבנה כימי המספק ביצועים

(התכונות יוצאות דופן של סיבים ארמידים נובעות מהאדריכלות המולקולרית שלהם.היחידות החוזרות - בעיקר (p-phenylene terephthalamide) עבור פר-ארמידים כמו Kevlar - יוצרות רשתות קשיחות, ליניאריות היישרות במהלך סיבוב.קשר מימן חזק בין שרשראות לידות (Gapampleedial) לבין מבנה גבישי גבוה (RValrfd) של GP-Flastal Rel:0) ל-Flows (R2 (Flows) (R).

מטא-פרמידים, כגון Nomex, יש סידור מולקולרי שונה (poly(m-phenylene isophthalamide) המעביר יציבות תרמית גבוהה יותר והתנגדות להבות במקום כוח מכני קיצוני. Nomex אינו מתמס או תומך בבעירה, והוא עומד בפני חשיפה מתמדת לטמפרטורות עד 370 מעלות צלזיוס.

תפוצה מוקדמת וחדירה לשוק (1970s–1980s)

דופונט הציג את Kevlar 29 בשנת 1971 עבור חיזוק צמיגים וחגורת תעשייה, אבל המאפיינים הייחודיים של סיבי מצאו במהירות יישומים דרמטיים יותר. סוכנויות הצבא והרשויות אכיפת החוק בארה"ב החלו להעריך את Kevlar עבור שריון גוף. בדיקות הבליסטיות הראשוניות הראו כי שרידים רבים של Kevlar יכולים לעצור כדורי אקדח תוך כדי להיות הרבה יותר קל וגמיש יותר מאשר ניילון או פתרונות המבוססים על פלדה עד סוף 1970, Kevlars, היו חסיני רכב סטנדרטי, קסדות חומר, ⁇ סטנדרטי, ⁇ חומר סטנדרטי, היה סטנדרטי, ו ⁇ חומר סטנדרטי, היה ⁇ .

[Nex] הציגה עוד לפני 1967, מצאה את נישה שלה בבגדים מוגנים באש עבור מכבי האש, נהגי רכב גזע ועובדי תעשייה.התנגדות הלהבה הטבועית של הסיבים - היא לא נמסת או טפטופה - הפכה אותו הכרחי עבור ציוד הגנה אישי (PPE) באותה תקופה, מהנדסי חלל החלו לשלב מסובלים מעוקבים לתוך מבנים.

התפתחות תהליכי הייצור

ייצור סיבים ארמאים מוקדם היה אנרגיה אינטנסיבית ויקר.הפולימר היה מסונתז ב פותר כגון חומצה סרוגרית מרוכזת בטמפרטורות נמוכות, ואז נסחף דרך ספיןנרט לתוך אמבטיה coagulation.ההופעתן של טכניקות ספינינג טובות יותר - במיוחד יבשה יבשה-ג'ט רטוב - הן מוכחות סיבים ופגמים מופחתים.

התקדמות גדולה נוספת הגיעה עם התפתחות של סיבים אחרים בעלי ביצועים גבוהים (כמו פחמן או זכוכית) יצרה תרכובות מאוזנות, קשיחות, והשפעה של טיפולים על פני השטח, כולל פלזמה ותפקוד כימי, שיפור הדבקות בין סיבים אחרים (כמו פחמן או זכוכית) ויצרו תרכובות מאוזנות, והשפעה של עמידות למשטח, כולל פלזמה ותפקוד כימי, שיפור הדבקות בין סיבים פולימרים מורכבים בתהליך מסחרי רחב יותר.

יישומים הנדסיים בתעשיות

כיום, סיבים חד-צדדיים הם חלק בלתי נפרד ממגוון רחב של שדות הנדסיים.אימוץם מונע על ידי הצורך בהפחתת משקל, עמידות ובטיחות.

תעופה ואוויר

לוחות פנים, radomes, ופאנלים פנימיים לעתים קרובות להשתמש סיבים aramid מורכב.בואינג 787 Dreamliner, למשל, משלב מרכיבים Kevlar-reinforced ב Wingtips ו- nacelles כדי לעמוד בשבית ציפורים והריסות. מוליכות החשמל הנמוכה של הסיבים גם עושה את זה שימושי עבור מבנים לא-metlic כי להפחית חתימות בפלטפורמות לגנוב.

רכב ותחבורה

מכוניות ביצועים גבוהים להשתמש צמיגים מאוישים, כריות בלמים, ולוחיות מצמדות.הכוח העפיל והתנגדות החום לשפר ביצועים וארוכות.בכלי רכב חשמליים (EVs), סיבים ארמונים נחקרים עבור תסרוקות סוללות קלות משקל ו בידוד כבל שיכול לעמוד באירועים מפלט תרמי.

הגנה צבאית ובוליסטית

שריון גוף נשאר היישום האיקוני.האפרים המודרניים משתמשים בשכבות מרובות של ארג'ר עם קרמיקה או פוליאתילן לוחיות הגנה על הרובה. Helmets, שריון רכב ואפילו חליפות מפוצצות מסתמכות על תרכובות ארמידיות.היכולת של הסיבים לספוג ולבטל אנרגיה קינטית מפרויקטים הצילה אינספור חיים.

הנדסה אווירית ו Offshore

Ropes, כבלים וקווים מתפתלים עשויים סיבי aramid משלבים כוח גבוה עם התנגדות למים מלוחים ושפל UV.הם משמשים בחקר ים עמוקים, פלטפורמות שמן offshore, ו מפרש עבור יאכטות מירוץ. המשקל הנמוך מקטין את גרר ומשפר את הטיפול.

הנדסה תעשייתית ואזרחית

Aramid-reinforced בטון, כבלי גשר, ורצועות רטרוfit סיסמיות לנצל את המודולולים הגבוהים של הסיבים כדי לחזק מבנים ללא תוספת מסה משמעותית.גשר הרגל הפריזאית בÉcole Polytechnique השתמש כבלים aramid עבור עיצוב טנילי החדש שלה.In מחזקת פלסטיק, ממריצים ramid לשפר את ההתנגדות בהילוךים ונושאים.

מגמות נוכחיות: קיימות והפחתה של עלויות

תעשיית הסיבים של ארמידי מגיבה ללחץ סביבתי.הייצור המסורתי משתמש בחומצות חזקות ומייצרת זרמי פסולת.חוקרים מפתחים נתיבי פולימריזציה ללא פתרון ושיטות מחזור סגורות של כישרונות.חברות כמו FLT:0TeijinigearFLT:1 ו DuPont הם חוקרים מברקים המבוססים על bio-ידי פחמן כדי להפחית את טביעת הרגל.

מגמה נוספת היא שילוב של סיבים ramid לתוך FLT:0additive הייצור FIRLT:1 . . סיבי aramid קצרים מעורבים סדקים תרמופלסטיים עבור הדפסה תלת מימדית, מניב חלקים עם כוח משופר ודה חום השתקפות.זה מאפשר פשטות מהירה של רכיבים ביצועים גבוהים ב aerospace ו- Auto R&D.

מרקים חכמים ורב-תפקודיים

החוקרים מטביעים אלמנטים מוליכים (כמו צינורות פחמן או ציפוי מתכת) לתוך בדים ארמידיים כדי ליצור טקסטיל שיכול לחוש מתח, טמפרטורה או לחץ. אלה "חכמים" יש פוטנציאל בחיישנים לבישים עבור עובדים בסביבה מסוכנת או עבור ניטור בריאות מבני בזמן אמת של חלקים מורכבים.

כיוונים עתידיים בהנדסה

האבולוציה של הנדסה בסיבים ארמונים היא רחוקה מלהיות מלאה.כמה אזורים מתעוררים מבטיחים להרחיב את ההישג של החומר:

  • (FLT:0)Nanoscale aramid fibrils:BuildpLT 1 1 Isolating ננופיברים בודדים מתשואות גדולות של חומר עם שטח משטח גבוה מאוד פוטנציאל חיזוק מכני.הם נחקרים כתוספים בסוללה מפרידים ובאפיות ביו-רפואיות.
  • (FLT:0) מורכב מגראפין עם גרפן:ראהFLT:1) שילוב aramid עם תחמוצת גרפן או צינורות פחמן יכול ליצור תרכובות מרובות פונקציונליות עם מוליכות חשמלית מוגברת ונוקשות, מתאים עבור מערכות הגנה אלקטרומגנטית או דה-icing.
  • (FLT:0) יישומים אנרגיה מתחדשת:FLT:1rea טורבינות הרוח יותר ויותר לשלב סיבים ארמונים כדי להפחית במשקל ולהגביר את חיי העייפות.
  • (FLT:0) מבני חלל במשקל אור: ⁇ 1) פריחה חדה, תומך בפליג סולארי, ופרטים למעליות חלל הם כולם מעוצבים סביב הכוח הספציפי הגבוה של ארמד.

מסקנה

מ-Stephenie Kwolek פריצת הדרך במעבדה ווילמינגטון למערכת האקולוגית התעשייתית העולמית המספקת סיבים ארמונים כיום, ההיסטוריה של חומרים יוצאי דופן אלה משקפת עשרות שנים של חדשנות שיתופית בכימיה, עיבוד ועיצוב הנדסי. סיביים של ארמידי הוכיחו הכרחי בסביבה שבה אי-אפשרות - השפעה בליסטית, חום קיצוני, לחץ האוקיינוס העמוק, ומרחב חיצוני.

המסע שלהם מסקרנות מעבדה להנדסת מסכמת הוא עדות לכוח של מדע פולימרים והעקשנות של מהנדסים שראו פוטנציאל שבו אחרים ראו רק פתרונות מוזרים ומטושטשים.