Кевлар: что это за материал и почему он держит удар

Кевлар — торговая марка DuPont для пара-арамидного волокна, по химии это поли-пара-фенилентерефталамид, или ПФТА. Волокно синтетическое, и само по себе оно ещё ни во что не превращено: из него уже потом тянут нити, ткут полотна, вьют канаты, льют композиты. Главное его свойство — прочность на разрыв при смешном весе: по удельной прочности кевлар примерно в пять раз впереди стали. Забавно другое. При всей этой репутации лоскут кевларовой ткани перерезается обычными ножницами — криво, с трудом, но перерезается.

Кевлар: что это за материал простыми словами

В терминах путаница страшная. Арамид — целый класс полимеров, ароматические полиамиды. Кевлар — одна из торговых марок пара-арамида, и принадлежит она DuPont. Соотношение примерно как у «ксерокса» с копировальным аппаратом: имя бренда стало нарицательным, и теперь любую жёлтую арамидную тряпку зовут кевларом. Тот же класс материалов делают и другие: Twaron и Technora у японской Teijin, Heracron, отечественные волокна СВМ, Русар, Армос, Терлон. Химия у них близкая, а конкретные цифры зависят от технологии прядения. Так что если речь не о продукции DuPont, честнее говорить «пара-арамид».

Всё началось в середине 1960-х, когда химик Стефани Кволек в лабораториях DuPont получила необычный раствор нового полимера (1965). Задача при этом стояла до скучного приземлённая: заменить стальной корд в автомобильных шинах, чтобы машина стала легче и меньше жрала топлива. Промышленную технологию отрабатывали несколько лет, и в начале 1970-х волокно пошло в коммерческое производство под именем Kevlar.

Узнать его легко. Естественный цвет волокна золотисто-жёлтый, ткани обычно полотняного переплетения или «рогожка», плотность полотен от 60 до 600 г/м². Плотность самого материала — 1,44 г/см³: чуть тяжелее воды и в разы легче стали.

Химический состав и молекулярное строение

ПФТА получают поликонденсацией двух мономеров, пара-фенилендиамина и терефталоилхлорида, при температуре около 0 °C в органическом растворителе с добавкой соли. В цепи полимера всего четыре элемента: углерод, водород, азот, кислород. Состав, прямо скажем, скучный. Вся соль в геометрии.

В основной цепи стоят бензольные кольца — жёсткие плоские фрагменты, которые не дают молекуле складываться и скручиваться, как это делает обычный нейлон. Цепь получается вытянутой, почти как стержень. Добавьте «пара»-ориентацию: заместители сидят на кольце с противоположных сторон, поэтому цепь растёт строго линейно, без изломов. У мета-арамида (Nomex) цепь ломаная, он мягче и идёт в основном на термостойкую одежду, а не на броню.

Между соседними цепями возникают водородные связи через амидные группы. Множество параллельных «стержней», прошитых поперёк водородными связями, складывается в упорядоченные ламели, почти в кристалл. Представьте канат, в котором каждое волокно — вытянутая молекула, и все они лежат строго вдоль оси и держатся друг за друга. Тянуть такой канат вдоль — значит рвать ковалентные связи, а это работа тяжёлая. У геометрии есть и обратная сторона: при сжатии и поперечном срезе те же вытянутые цепи быстро теряют устойчивость. Отсюда и растёт главное свойство кевлара — анизотропия: вдоль волокна материал работает на растяжение блестяще, а на сжатие и изгиб куда слабее. Этим объясняются и его подвиги, и его провалы.

Как производят кевларовое волокно и ткань

1. Синтез. Низкотемпературная поликонденсация мономеров в растворе, полимер выделяют в виде крошки или геля, промывают, сушат.
2. Приготовление прядильного раствора. Полимер растворяют в концентрированной серной кислоте, и вот тут случается то, за что и ценят открытие Кволек: раствор ведёт себя как лиотропный жидкий кристалл, жёсткие молекулы выстраиваются параллельно ещё в жидкости, до всякого формования.
3. Формование. Раствор продавливают через фильеру мокро-сухим методом (dry-jet wet spinning): струйки проходят воздушный зазор, где течение дополнительно ориентирует молекулы вдоль оси, и попадают в осадительную ванну, где полимер затвердевает.
4. Отделка. Промывка от кислоты, сушка, термовытяжка под натяжением, которая поднимает модуль упругости, и намотка.

Кислотное прядение и возня с утилизацией серной кислоты делают производство энергоёмким. Одна из причин, почему арамиды стоят как чугунный мост.

Из готового волокна делают кучу форм: непрерывный филамент и нить, пряжу, ровинг, короткое волокно (флок), войлок, арамидную пульпу, арамидную бумагу для сотовых панелей (линейка Nomex/Kevlar), тканые полотна и преформы для композитов. «Кевларовая ткань» — только одна из этих форм. В шине или в композитном корпусе катера тот же материал живёт кордом либо армирующими слоями в смоле.

Технические характеристики и свойства

Параметр	Значение
Прочность при растяжении	2,8–3,6 ГПа (по ряду источников до ~3620 МПа)
Модуль упругости	70–180 ГПа (Kevlar 49 — около 112–125 ГПа)
Удлинение при разрыве	2–4 %
Плотность	1,44 г/см³
Рабочая температура	от −196 °C до 150–200 °C
Разложение	~430–450 °C (по части источников до 480 °C), без плавления
Гигроскопичность	4–7 %

Удельная прочность, то есть прочность на единицу массы, примерно в 5 раз выше стальной и вдвое выше, чем у стекловолокна. Знаменитое «в пять раз прочнее стали» справедливо только при равной массе: при одинаковой несущей способности арамидная нить окажется в разы легче стального троса. Сравнивать одинаковые сечения смысла мало — результат зависит и от марки стали, и от марки арамида, и от конструкции нити.

С температурой у него свои отношения: кевлар не плавится, он при сильном нагреве разлагается. Горение не поддерживает, самозатухает, кислородный индекс LOI около 29 %. Мороз ему безразличен, прочность и упругость держатся до криогенных −196 °C, без охрупчивания. А вот длительный нагрев выше примерно 160 °C потихоньку съедает прочность, поэтому верхнюю границу эксплуатации и указывают размыто, в диапазоне 150–200 °C.

Химически волокно спокойно переносит масла, бензин, органические растворители, слабые солевые растворы, не корродирует. Убивают его концентрированные кислоты и щёлочи, хлорсодержащая химия вроде отбеливателей и реагентов химчистки, и ультрафиолет: незащищённый арамид на солнце со временем сдаёт. Электричество проводит плохо, это диэлектрик, и кабельщикам такое свойство только в радость.

Почему кевлар держит удар: механика защиты

Мягкая броня из кевлара работает как сетка футбольных ворот: удар не отражается, он размазывается по времени и по площади.

Скорость распространения волны деформации в арамидном волокне выше скорости пистолетной пули. Пуля бьёт в ткань, и натяжение мгновенно разбегается по нитям во все стороны от точки удара, в работу включается не пятачок под пулей, а большая область «паутины» переплетения. Часть кинетической энергии уходит на растяжение и разрыв нитей, часть рассеивается в тепло за счёт высокого внутреннего трения между волокнами. Одним слоем пулю не остановить: в мягких бронепакетах обычно 16–32 слоя ткани. Первые серийные бронежилеты 1970-х, сделанные при поддержке Национального института юстиции США, несли 7 слоёв и держали пули .38 Special и .22 LR.

Пределы у этой защиты жёсткие. По американскому стандарту NIJ 0101.06 мягкие арамидные пакеты собирают под классы IIA, II и IIIA — пистолетные боеприпасы вплоть до 9×19 мм и .44 Magnum; по российской классификации ГОСТ Р 50744 это примерно классы Бр1–Бр2. Класс определяет не сам материал, а конструкция: марка волокна, поверхностная плотность ткани, переплетение, число слоёв, пропитка. Одна и та же нить в разных пакетах даёт разный результат. Винтовочную пулю ткань не держит, тут нужны жёсткие пластины из керамики или стали плюс амортизирующие слои.

Есть ещё две болячки. Первая — колющее: тонкое остриё шила, стилета или иглы раздвигает нити вместо того, чтобы их рвать, и проходит сравнительно легко. Вторая — заброневая травма: даже остановленная пуля вдавливает пакет внутрь, деформация тыльной стороны никуда не исчезает, и контузия мягких тканей вполне возможна.

Так что миф про непробиваемый и неразрезаемый кевлар можно закрывать. Это материал с выдающейся прочностью на растяжение, которую в защиту превращает конструкция.

Виды и марки кевлара

DuPont держит целое семейство марок под разные задачи:

• Kevlar 29 (K-29) — базовая баллистическая марка: мягкая броня, тросы, кабели, тормозные колодки.
• Kevlar 49 (K49) — высокомодульная, идёт в композиты для авиации и судостроения, в оплётку оптоволокна, в канаты.
• Kevlar 100 (K100) — пряжа, окрашенная в массе.
• Kevlar 119 (K119) — повышенное удлинение и усталостная прочность.
• Kevlar 129 (K129) — повышенная энергоёмкость для бронезащиты.
• Kevlar 149 (K149) — максимальная кристалличность и модуль, минимальное влагопоглощение.
• KM2 и KM2plus — под шлемы и каски.
• Kevlar AP — примерно +15 % прочности к K-29; Kevlar XP — KM2plus плюс смола повышенной вязкости; отдельно живёт линейка Protera.

Где применяют кевлар

Самая известная работа — бронезащита: мягкие бронежилеты, шлемы, вставки в экипировку. Рядом стоит спецодежда, и её заметно больше по объёму: костюмы пожарных, сварщиков, металлургов, порезостойкие перчатки и чулки, стойкость которых к порезу классифицируется по EN 388.

В автопроме кевлар делает то, ради чего его вообще придумали, — работает брекером шин. Плюс безасбестовые тормозные колодки и диски сцепления, ремни ГРМ, армированные шланги. Авиация и космос берут сотовые панели, обтекатели и тросы, там каждый килограмм считают поштучно. Флот и судостроение — корпуса катеров, парусина, швартовные и буксирные тросы: такой трос примерно впятеро легче стального той же несущей способности. Само волокно чуть тяжелее воды, так что плавучесть даёт не материал, а конструкция троса — оболочка или наполнитель.

Но чаще всего кевлар попадается людям дома, и они об этом не знают. Силовой элемент оптоволоконных и медных кабелей — арамидная оплётка: она забирает на себя всё растяжение и не даёт хрупкому волокну лопнуть, когда кабель дёргают ногой из-под стола.

Дальше по мелочи, но густо. Спорт: каяки и доски, велопокрышки с антипрокольным слоем, кроссовки, лыжи, бильярдные кии, мотоэкипировка. Акустика: мембраны динамиков, те самые жёлтые диффузоры, и корпуса. Строительство: армирование бетона и усиление конструкций.

Плюсы и минусы кевлара, сравнение с альтернативами

Сильная сторона у него одна, зато решающая — удельная прочность на разрыв. К ней прикладывается набор: негорючесть и самозатухание, морозостойкость до криогенных температур, равнодушие к маслам и растворителям, отсутствие коррозии, диэлектрические свойства и высокое внутреннее трение, которое прямо кормит баллистику.

Список претензий длиннее. Цена в разы выше, чем у стекловолокна. УФ его старит. Намокший бронепакет держит удар хуже — насколько именно, зависит от конструкции и влагозащиты, но гигроскопичность 4–7 % никуда не спрятать. На сжатие и изгиб слаб настолько, что несущие сжатые детали из чистого арамида просто не делают. Резать мучение, шить тоже. Красится плохо. Концентрированные кислоты, щёлочи и хлор для него смертельны. В композитах есть отдельная засада: гладкая поверхность волокна смачивается смолами хуже, чем стекло, и адгезию приходится вытягивать отдельно.

Теперь соседи по нише. Сталь держит сжатие и не боится изгиба, но проигрывает по весу в разы и корродирует. Стекловолокно дешевле, а по удельной прочности уступает примерно вдвое. Углеволокно жёстче, модуль выше, зато при ударе хрупче, поэтому в спортивных корпусах их и мешают друг с другом. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен, известный по маркам Dyneema и Spectra, легче и не боится воды, но нагрев переносит заметно хуже. Выбирать приходится по тому, что жмёт сильнее: вес, температура, влага или бюджет.

Уход, срок службы и как резать кевлар

Враги у арамида три: солнце, влага, хлор. Отсюда и правила. Хранить без прямого солнечного света, бронепакеты — во влагозащитном чехле. Сам бронепакет стирать нельзя, чистится только внешний чехол. Горячая глажка и химчистка агрессивными растворителями отменяются, хлорсодержащая химия волокно убивает. Гарантийный срок мягких бронепакетов — обычно 5 лет: волокно стареет само, и защитные свойства через это время уже никто не подтвердит, даже если жилет с виду как новый.

Резать арамидную ткань обычными ножницами тяжело, нити не столько режутся, сколько расползаются и лохматятся. Для раскроя берут ножницы с зубчатой, серрейторной кромкой, керамические и роликовые дисковые ножи, электронож; на производстве идёт лазер и гидроабразив. Композитные детали с арамидом закрывают от ультрафиолета гелькоутом или УФ-стойким покрытием, а при механической обработке стоит надеть респиратор: арамидная пыль в лёгких ни к чему.

FAQ: частые вопросы о кевларе

Кевлар и арамид — это одно и то же? Не совсем. Арамид — класс полимеров, кевлар — торговая марка пара-арамида от DuPont. Twaron, Technora, СВМ, Русар — тот же класс, только под другими именами.

Кевлар прочнее стали? При равной массе да, примерно в 5 раз по прочности на растяжение. При одинаковой несущей способности арамидный элемент окажется намного легче стального.

Правда, что кевлар нельзя порезать? Нет. Резать трудно, край выходит лохматым, но зубчатые ножницы и дисковый нож справляются. А тонкое остриё, шило или иглу, ткань пропускает между нитями почти без сопротивления, поэтому колющий удар мягкая броня держит плохо.

Почему кевлар жёлтый? Золотисто-жёлтый — его собственный цвет. Красится арамид неохотно, поэтому окрашенную в массе пряжу выпускают отдельной маркой, Kevlar 100.

Чего кевлар боится? Ультрафиолета, концентрированных кислот и щелочей, хлорсодержащей химии. Мокрая ткань удар держит хуже, хотя многое зависит от влагозащиты пакета. И собственной геометрии: вдоль волокна арамид работает на растяжение отлично, а на сжатие и поперечное воздействие держится заметно слабее.