Ketahui tentang komposit gentian aramid, termasuk rintangan hentaman, sifat ringan, kekakuan, rintangan lelasan dan aplikasi ketenteraan dan perindustrian utama.
Gentian aramid, juga dikenali sebagai "poli(p-phenylene terephthalamide)," mempunyai sifat yang sangat baik seperti kekuatan ultra-tinggi, modulus tinggi, rintangan suhu tinggi, rintangan asid dan alkali, dan ringan. Gentian Aramid telah berjaya dibangunkan dan dikomersialkan pada tahun 1960-an oleh DuPont (di bawah nama dagangan Kevlar), dan oleh itu, sebelum kemunculan gentian karbon, gentian aramid menguasai pasaran gentian berprestasi tinggi.
1. Sejarah Ringkas Perkembangan Serat Aramid
Pada tahun 1960-an, DuPont merupakan syarikat pertama di dunia yang memperkenalkan dan mengeluarkan serat aramid di bawah tanda dagangan berdaftar Kevlar. Fiber Aramid telah dijual di pasaran sejak tahun 1973. Aramid ditemui oleh seorang ahli kimia wanita kelahiran Poland, Stephanie Kwolek, yang sedang menjalankan penyelidikan dengan harapan untuk mencari bahan yang ringan dan sangat kuat untuk menggantikan nilon dalam pembuatan tayar.
Pencipta serat Kevlar - ahli kimia wanita kelahiran Poland Stephanie Kwolek
Hari ini, bahan komposit aramid yang paling terkenal ialah gentian Kevlar DuPont. Dari masa ke masa, pembekal lain juga telah membekalkan aramid di bawah nama dagangan yang berbeza, termasuk: Nomex dari DuPont, Twaron dan Technora dari Teijin dari Jepun, Arawin dari Toray dari Korea Selatan, Kolon dari Heracron dari Korea Selatan dan beberapa produk dari syarikat China.
Oleh itu, sebarang bahan yang dipanggil Kevlar, Twaron, atau Nomex sebenarnya merujuk kepada aramid, yang mempunyai ciri-ciri istimewa, termasuk hentaman dan rintangan lelasan yang sangat baik, rintangan suhu tinggi dan berat rendah. Disebabkan oleh ciri-ciri ini, bahan ini kerap digunakan dalam tentera, tentera udara, sukan air, dan sukan permotoran, serta dalam pembuatan tayar, pakaian, sarung tangan pelindung, dan banyak lagi aplikasi lain.
Sarung tangan pelindung diperbuat daripada bahan serat aramid
2.1 Kesan Tinggi dan Rintangan Retak
Gentian Aramid mempunyai rintangan hentaman yang sangat baik dan tidak retak di bawah tekanan kerana keliatan dan keupayaannya untuk menyerap sejumlah besar tenaga. Ia digunakan secara meluas dalam pembuatan jaket kalis peluru, bot, kayak, dan perisai untuk komponen kenderaan tentera. Rintangan hentaman komposit gentian aramid adalah lima kali ganda daripada komposit gentian karbon (diuji menggunakan kaedah hentaman berat jatuh). Rintangan hentaman atau keupayaan kalis peluru yang luar biasa ini disebabkan oleh rantai atom yang panjang yang membentuk struktur aramid.
Memandangkan sifat rintangan hentaman yang sangat baik, gentian aramid digunakan secara meluas dalam aplikasi ketenteraan untuk pembuatan jaket kalis peluru dan bahan perisai kereta kebal. Jaket kalis peluru biasanya diperbuat daripada bahan yang terdiri daripada berpuluh-puluh lapisan aramid (seperti Kevlar), dengan plat seramik disertakan di antara dua lapisan. Perisai pelindung yang digunakan dalam beberapa kenderaan berperisai diperbuat daripada bahan keluli-aramid-keluli, yang boleh menahan peluru berpandu anti-kereta kebal sehingga diameter 700mm.
Gentian aramid digunakan secara meluas dalam jaket kalis peluru.
Tambahan pula, selain melindungi tangki itu sendiri, perisai keluli-aramid-keluli juga melindungi anak kapal dengan menyerap tenaga kinetik yang dihasilkan oleh peluru berpandu menembusi. Satu lagi aplikasi Kevlar adalah dalam Boeing AH-64, sebuah helikopter serangan tentera AS yang dilengkapi dengan bilah pemutar Kevlar. Di sini, Kevlar menyediakan perlindungan terhadap peluru sehingga diameter 23 mm.
Gentian Aramid menyediakan perlindungan kalis peluru untuk helikopter.
Oleh kerana rintangan hentamannya yang tinggi, Kevlar digunakan secara meluas dalam pembinaan bot dan kayak, seperti badan kapal layar yang direka untuk Perlumbaan Lautan Volvo, salah satu cabaran sukan yang paling mencabar. Kebanyakan kayak berprestasi tinggi untuk sukan air diperbuat daripada gentian aramid atau bahan komposit gentian karbon/aramid.
Gentian aramid melindungi kayak daripada kerosakan.
2.2 Ketumpatan Rendah/Berat Rendah
Gentian Aramid mempunyai berat yang sangat rendah, yang merupakan kelebihan dalam pembuatan bahan komposit. Walaupun komposit gentian karbon sendiri dianggap sangat ringan, komposit gentian aramid adalah lebih kurang 20% lebih ringan daripada komposit gentian karbon. Penggunaan fabrik aramid dalam bahan komposit meningkatkan rintangan hentaman dan rintangan haus, dan mengurangkan berat komponen komposit.
Ketumpatan gentian aramid adalah lebih kurang 1.45 g/cm³, manakala ketumpatan bahan komposit resin aramid-epoksi adalah lebih kurang 1.3 g/cm³. Pengiraan ini adalah berdasarkan ketumpatan campuran resin epoksi dan pengeras (~1.1 g/cm³) dan teknologi canggih yang digunakan dalam pengeluaran bahan komposit, iaitu autoklaf prepreg. Walaupun komposit gentian karbon, umumnya dianggap sangat ringan, mempunyai ketumpatan lebih kurang 1.55 g/cm³, komposit gentian aramid adalah 20% lebih ringan.
Bagaimanakah berat komposit gentian aramid dibandingkan dengan logam? Aluminium ialah 2.7 g/cm³, titanium ialah 4.5 g/cm³, dan keluli ialah 7.9 g/cm³. Oleh itu, komposit gentian aramid adalah dua kali lebih ringan daripada aluminium, tiga atau empat kali lebih ringan daripada titanium, dan enam kali lebih ringan daripada keluli.
2.3 Kekakuan Sederhana, Antara Gentian Kaca dan Gentian Karbon
Komposit gentian aramid mempunyai kekukuhan yang lebih tinggi daripada komposit gentian kaca, tetapi jauh lebih rendah daripada komposit gentian karbon. Serupa dengan gentian karbon, gentian aramid terdapat dalam pelbagai jenis, termasuk gentian standard, sederhana dan modulus tinggi, yang menawarkan kekukuhan dan kekuatan yang berbeza.
Kekakuan pelbagai jenis gentian ditunjukkan di bawah:
Fabrik gentian kaca – daripada 72 GPa (E-kaca standard) kepada 87 GPa (fabrik kaca kekuatan bertetulang S);
Fabrik gentian karbon – daripada 230 GPa (Toray T300) hingga 588 GPa (Toray HM gred M60J);
Fabrik gentian aramid – daripada 96 GPa (aramid standard, iaitu, Kevlar 129) kepada 186 GPa (aramid digunakan dalam industri pesawat/aeroangkasa, iaitu, Kevlar 149).
Secara ringkasnya, komposit aramid yang diperbuat daripada fabrik standard mempunyai kekukuhan 30-40% lebih tinggi daripada komposit gentian kaca, tetapi 50% lebih rendah berbanding komposit gentian karbon.
2.4 Rintangan Lelasan
Komposit gentian Aramid telah digunakan secara meluas dalam komponen mudah haus, seperti plat gelincir yang melindungi enjin kereta lumba. Aramid biasanya digunakan dalam industri ekstraktif (seperti perlombongan) untuk mengukuhkan tali pinggang penghantar getah, memastikan kekuatan yang lebih tinggi dan rintangan lelasan. Menurut pengeluar Kevlar, tetulang ini boleh meningkatkan rintangan lelasan sebanyak 50-70%. Disebabkan sifat ini, bahan tersebut boleh digunakan dalam komposit serta pakaian kerja, seperti sarung tangan keselamatan tahan potong menggunakan fabrik aramid seperti Twaron atau Kevlar. 2.5 Pemalar Dielektrik Rendah
Komposit gentian aramid mempunyai pemalar dielektrik rendah kira-kira 3.85 (pada 10 GHz), memastikan penembusan dan kekuatan isyarat yang baik melalui penutup pelindung/radome aramid. Antena jenis ini digunakan secara meluas untuk tujuan ketenteraan, seperti pada pesawat tentera.
Serat aramid yang digunakan dalam radomes tentera
Selongsong/radomes komposit gentian aramid melindungi antena daripada kerosakan dan memastikan prestasi isyarat yang baik. Sebaliknya, komposit gentian kaca E menawarkan pemalar dielektrik 6.1 (pada 10 GHz), menghasilkan pengurangan 60% dalam kuasa dan prestasi isyarat antena. Selain aramid, gentian kuarza juga digunakan, dengan pemalar dielektrik 3.78 (pada 10 GHz).
2.6 Ciri-ciri Lain
Gentian aramid mempunyai ciri pengembangan haba yang rendah, sangat stabil pada suhu tinggi, dengan pengembangan haba hampir sifar, dan pekali pengembangan haba yang sedikit negatif, bersamaan dengan (-2.4 x 10⁻⁶ /°C). Gentian Aramid adalah penebat yang sangat baik dan tidak mengalirkan elektrik.
Sifat istimewa komposit gentian aramid adalah berkaitan dengan penyerapan getaran, menjadikannya sesuai untuk pembuatan komponen yang menahan getaran, seperti komponen struktur pesawat.
2.7 Komposit Campuran dengan Fabrik Lain
Fabrik gentian aramid boleh dilaraskan secara parametrik mengikut keperluan untuk digunakan dalam komposit gentian karbon dan komposit gentian kaca, memberikan pembekal produk komposit dengan pelbagai kemungkinan.
Untuk komposit gentian karbon, rintangan hentaman boleh dipertingkatkan dengan menambahkan beberapa lapisan fabrik gentian aramid. Komposit hibrid yang terdiri daripada 50% gentian karbon dan 50% gentian aramid menunjukkan peningkatan sebanyak 25% dalam rintangan hentaman berbanding komposit yang dibuat semata-mata daripada gentian karbon.
Fabrik hibrid gentian-karbon gentian aramid
