アラミド繊維は「ポリ（p-フェニレンテレフタルアミド）」とも呼ばれ、超高強度、高弾性率、耐高温性、耐酸・耐アルカリ性、軽量などの優れた特性を持っています。アラミド繊維は、1960 年代にデュポン社によって開発および商品化に成功しました (商品名ケブラー)。そのため、炭素繊維が出現する前は、アラミド繊維が高性能繊維市場を独占していました。
1. アラミド繊維開発の歴史
1960 年代に、デュポンは登録商標ケブラーの下でアラミド繊維を導入し、生産した世界初の企業でした。アラミド繊維は 1973 年から市場で販売されています。アラミドは、タイヤ製造においてナイロンに代わる軽量で非常に強力な材料を見つけることを望んで研究を行っていたポーランド生まれの女性化学者、ステファニー クレックによって発見されました。
ケブラー繊維の発明者 – ポーランド生まれの女性化学者ステファニー・クレック
現在、最も有名なアラミド複合材料はデュポン社のケブラー繊維です。時間の経過とともに、他の供給業者も異なる商品名でアラミドを供給するようになりました。これには、デュポン社のノーメックス、日本の帝人のトワロンおよびテクノーラ、韓国の東レのアラウィン、韓国のヘラクロン社のコーロン、および中国企業の一部の製品が含まれます。
したがって、ケブラー、トワロン、またはノーメックスと呼ばれるすべての材料は、実際には、優れた耐衝撃性と耐摩耗性、高温耐性、軽量などの特別な特性を備えたアラミドを指します。これらの特性により、この材料は陸軍、空軍、ウォータースポーツ、モータースポーツだけでなく、タイヤ、衣類、保護手袋などの製造にも頻繁に使用されています。
アラミド繊維素材を使用した保護手袋
2.1 高い耐衝撃性と耐クラック性
アラミド繊維は、強靱で大きなエネルギーを吸収する能力があるため、耐衝撃性に優れ、圧力がかかっても割れません。防弾チョッキ、ボート、カヤック、軍用車両部品の装甲の製造に広く使用されています。アラミド繊維複合材の耐衝撃性は、炭素繊維複合材の 5 倍です (落下重量衝撃法を使用してテスト)。この並外れた耐衝撃性または防弾能力は、アラミド構造を形成する長い原子鎖によるものです。
アラミド繊維は、その優れた耐衝撃特性により、防弾チョッキや戦車の装甲材料の製造など軍事用途で広く使用されています。防弾チョッキは通常、数十層のアラミド (ケブラーなど) で構成された素材で作られており、2 つの層の間にセラミック プレートが含まれています。一部の装甲車両で使用される保護シールドは、直径 700 mm までの対戦車ミサイルに耐えることができる鋼鉄アラミド鋼素材で作られています。
アラミド繊維は防弾チョッキに広く使用されています。
さらに、スチールアラミドスチールシールドは戦車自体を保護するだけでなく、ミサイルの貫通によって発生する運動エネルギーを吸収して乗組員を保護します。ケブラーのもう 1 つの用途は、ケブラー ローター ブレードを装備した米軍攻撃ヘリコプターであるボーイング AH-64 です。ここでは、ケブラーが直径 23 mm までの弾丸から保護します。
アラミド繊維はヘリコプターに防弾保護を提供します。
ケブラーはその高い耐衝撃性により、最も要求の厳しいスポーツ課題の 1 つであるボルボ オーシャン レース用に設計されたヨットの船体など、ボートやカヤックの製造に広く使用されています。ウォーター スポーツ用の高性能カヤックのほとんどは、アラミド繊維またはカーボン繊維/アラミド繊維複合材料で作られています。
アラミド繊維がカヤックを損傷から守ります。
2.2 低密度/軽量
アラミド繊維は非常に軽量であるため、複合材料の製造において有利です。炭素繊維複合材料自体は非常に軽量であると考えられていますが、アラミド繊維複合材料は炭素繊維複合材料よりも約 20% 軽いです。複合材料にアラミド繊維を使用すると、耐衝撃性と耐摩耗性が向上し、複合部品の重量が軽減されます。
アラミド繊維の密度は約 1.45 g/cm3 ですが、アラミド - エポキシ樹脂複合材料の密度は約 1.3 g/cm3 です。この計算は、エポキシ樹脂と硬化剤の混合密度 (約 1.1 g/cm3) と、複合材料の製造に使用される高度な技術、つまりオートクレーブ プリプレグに基づいています。一般に非常に軽量であると考えられている炭素繊維複合材の密度は約 1.55 g/cm3 ですが、アラミド繊維複合材は 20% 軽量です。
アラミド繊維複合材料の重量は金属とどのように比較されますか?アルミニウムは2.7 g/cm3、チタンは4.5 g/cm3、スチールは7.9 g/cm3です。したがって、アラミド繊維複合材料はアルミニウムの 2 倍、チタンの 3 ～ 4 倍、鋼鉄の 6 倍の軽さになります。
2.3 グラスファイバーとカーボンファイバーの中間の適度な剛性
Aramid fiber composites have higher stiffness than glass fiber composites, but are significantly lower than carbon fiber composites.炭素繊維と同様に、アラミド繊維には標準、中、高弾性率繊維など多くの種類があり、それぞれ異なる剛性と強度を提供します。
さまざまな種類の繊維の剛性を以下に示します。
ガラス繊維織物 – 72 GPa (標準 E ガラス) から 87 GPa (S 強化強度ガラス織物)。
カーボンファイバーファブリック - 230 GPa (東レ T300) ～ 588 GPa (東レ HM グレード M60J)。
アラミド繊維ファブリック – 96 GPa (標準アラミド、つまりケブラー 129) から 186 GPa (航空機/航空宇宙産業で使用されるアラミド、つまりケブラー 149)。
要約すると、標準的な生地から作られたアラミド複合材は、ガラス繊維複合材よりも 30 ～ 40% 高い剛性を持っていますが、炭素繊維複合材と比較すると 50% 低くなります。
2.4 耐摩耗性
アラミド繊維複合材は、レーシングカーのエンジンを保護するスキッドプレートなど、摩耗しやすい部品に広く使用されています。アラミドは採掘産業 (鉱山など) でゴム製コンベア ベルトを補強するために一般的に使用され、より高い強度と耐摩耗性を確保します。ケブラーのメーカーによると、この強化により耐摩耗性が 50 ～ 70% 向上する可能性があります。これらの特性により、この材料は複合材料だけでなく、トワロンやケブラーなどのアラミド繊維を使用した耐切創性安全手袋などの作業服にも使用できます。 2.5 低誘電率
アラミド繊維複合材は誘電率が約 3.85 (10 GHz 時) と低く、アラミド保護カバー/レドームを通過する良好な信号透過性と強度を確保します。このタイプのアンテナは、軍用機などの軍事目的で広く使用されています。
軍用レドームに使用されるアラミド繊維
アラミド繊維複合材のケーシング/レドームはアンテナを損傷から保護し、良好な信号性能を保証します。対照的に、E グラスファイバー複合材の誘電率は 6.1 (10 GHz で) であり、アンテナ信号の電力とパフォーマンスが 60% 低下します。アラミドの他に、比誘電率 3.78 (10 GHz 時) の石英ファイバーも使用されています。
2.6 その他の特性
アラミド繊維は低熱膨張特性を持ち、高温でも非常に安定しており、熱膨張はほぼゼロで、わずかに負の熱膨張係数 (-2.4 x 10-6 /°C) に相当します。アラミド繊維は優れた絶縁体であり、電気を通しません。
アラミド繊維複合材の特殊な特性は振動吸収に関連しているため、航空機の構造部品など、振動に耐える部品の製造に適しています。
2.7 他の生地との混合複合材
アラミド繊維織物は、炭素繊維複合材やガラス繊維複合材での使用に必要に応じてパラメトリックに調整できるため、複合材製品のサプライヤーに幅広い可能性を提供します。
炭素繊維複合材料の場合、アラミド繊維織物を複数層追加することで耐衝撃性を向上させることができます。 50% の炭素繊維と 50% のアラミド繊維で構成されるハイブリッド複合材料は、炭素繊維のみで作られた複合材料と比較して、耐衝撃性が最大 25% 向上します。
アラミド繊維とカーボン繊維のハイブリッド生地
