Природа дала нам дивовижні матеріали. Є деревина: матеріал настільки міцний і універсальний, що ви можете використовувати його для всього, від виготовлення паперу до будівництва будинків. Є також вовна з настільки ефективною ізоляцією , що дозволяє вівцям стояти надворі на снігу всю зиму. Або як щодо шкіри: матеріалу, який відновлюється автоматично і часто абсолютно непомітно всього за лічені дні? Хоча ці матеріали справді неймовірні, вони далеко не ідеальні. Особливо в сучасному світі, де природа ніколи не могла передбачити наявності русні. Ось чому ми зараз покладаємося на синтетичні матеріали, такі як кевлар для каски (Kevlar®).
Це пластик: достатньо міцний, щоб зупиняти кулі та ножі. Часто описується як «у п’ять разів міцніший за сталь за однакової ваги». Він також має багато інших застосувань, від виготовлення човнів і тятив до зміцнення шин і гальмівних колодок. А ще можна купити шолом військовий з кевлару. Давайте ближче розглянемо, що робить його таким міцним.
Що таке кевлар для каски?
Кевлар — один із тих чарівних сучасних матеріалів, про які люди постійно говорять, не пояснюючи нічого. «Шолом виготовлений із кевлару», — кажуть вони, наче всім і так зрозуміло, про що мова.
Кевлар — це просто надміцний пластик. Якщо це звучить не вражаюче, пам’ятайте: існує декілька сотень синтетичних пластмас, виготовлених шляхом полімеризації (з’єднання молекул з довгим ланцюгом), і вони мають дуже різні властивості. Дивовижна міцність кевлару частково пояснюється його внутрішньою структурою (те, як його молекули природно розташовані в правильні паралельні лінії), а частково завдяки тому, як з нього утворюються волокна, що щільно пов’язані між собою.
Кевлар для каски — запатентований матеріал, права на який належать компанії DuPont™. Він представлений у двох основних різновидах, які називаються Kevlar 29 і Kevlar 49 (інші різновиди виготовляються для спеціальних застосувань).
За хімічною структурою кевлар дуже схожий з іншим універсальним захисним матеріалом під назвою номекс (Nomex). Кевлар і номекс є прикладами хімічних речовин, які називають синтетичними ароматичними поліамідами або, скорочено, арамідами.
Як і Nomex, кевлар для каски є «далеким родичем» нейлону, який відносять до перших комерційно успішних «суперполіамідів». Він теж, до речі, належить компанії DuPont і був розроблений у 1930-х роках.
Кевлар був представлений у 1971 році, а відкрила його на початку 1960-х років американська хімік Стефані Кволек (1923–2014). Вона отримала патент США 3 287 323 на свій винахід разом із Полом Морганом у 1966 році. Спочатку арамід був розроблений як легка заміна сталевих кріплень на автомобільні шини. Проте, найбільш відомим кевлар став завдяки використанню в таких речах, як бронежилети. До моменту смерті Кволек в 2014 році було продано один мільйон кевларових жилетів і врятовано незліченну кількість життів.
Що хорошого в кевларі?
Ось деякі з властивостей, які має кевлар для каски:
- Він міцний, але відносно легкий. Питома міцність на розтяг (міцність на розтягування або витягування) Kevlar 29 і Kevlar 49 у вісім разів більша, ніж у сталевого дроту.
- На відміну від більшості пластмас, він не плавиться: він досить добре витримує температуру та розкладається лише при температурі 450°C.
- На відміну від спорідненого матеріалу Nomex, кевлар можна запалити, але горіння зазвичай припиняється після видалення джерела тепла.
- Дуже низькі температури не впливають на кевлар: компанія DuPont не виявила «крихкості або деградації» до −196°C.
- Як і в інших пластмасах, тривалий вплив ультрафіолетового світла (наприклад, сонячного світла) спричиняє зміну кольору та деяку деградацію волокон кевлару.
- Кевлар може протистояти впливу багатьох різних хімічних речовин, хоча тривалий вплив сильних кислот або лугів з часом погіршує його якість.
У тестах DuPont кевлар залишався «практично незмінним» після впливу гарячої води протягом більше ніж 200 днів, а його надміцні властивості «практично не змінювалися» вологою.
А що поганого?
Варто відзначити, що кевлар також має свої недоліки. Незважаючи на те, що він має дуже високу міцність на розтяг (витягування), він має дуже низьку міцність на стиск (опір розчавлюванню чи стисканню). Ось чому кевлар не використовується замість сталі як основний будівельний матеріал у таких речах, як будівлі, мости та інші конструкції, де діють звичайні сили стиснення.
Як виготовляється кевлар?
Виготовлення кевлару складається з двох основних етапів. Спочатку ви повинні отримати основний пластик, з якого виготовлено кевлар (хімічна речовина, що називається поліпарафенілентерефталамід). По-друге, ви повинні перетворити його на міцні волокна. Отже, перший крок — це хімія; другий — про перетворення вашого хімічного продукту на більш корисний, практичний матеріал.
Поліаміди, такі як кевлар, — це полімери (великі молекули, що складаються з багатьох ідентичних частин, об’єднаних у довгі ланцюги), утворені повторенням амідів. Аміди — це просто хімічні сполуки, в яких частина органічної (на основі вуглецю) кислоти заміщує один із атомів водню в аміаку (NH3). Отже, основний спосіб виготовлення поліаміду полягає в тому, щоб взяти хімічну речовину, подібну до аміаку, і ввести її в реакцію з органічною кислотою. Це приклад того, що хіміки називають реакцією конденсації, оскільки дві речовини зливаються в одну.
Хімічна структура кевлару природним чином формує крихітні прямі стрижні, які щільно прилягають один до одного, як багато нових жорстких олівців, щільно запханих у коробку (тільки без коробки). Ці стрижні утворюють між собою додаткові зв’язки (відомі як водневі), що надає додаткову міцність, ніби ви також склеїли олівці разом. Ця зв’язана структура стрижня, по суті, надає кевлару його дивовижні властивості.
Ви, мабуть, знаєте, що природні матеріали, такі як вовна, повинні бути спрядені у волокна, перш ніж їх можна буде перетворити на корисні текстильні вироби. Те саме стосується штучних волокон, таких як нейлон, кевлар і номекс. Основний арамід перетворюється на волокна за допомогою процесу, званого мокрим прядінням, який передбачає пропускання гарячого, концентрованого та дуже в’язкого розчину полі-пара-фенілентерефталаміду через фільеру (металевий формувач, трохи схожий на сито), щоб зробити тонкі, міцні і жорсткі волокна, які намотуються на барабани. Потім волокна розрізають на потрібну довжину та сплітають у міцний мат, щоб отримати надміцний, наджорсткий кінцевий матеріал, який ми знаємо як кевлар.
Для чого використовується кевлар?
Кевлар можна використовувати окремо або як частину композитного матеріалу (один матеріал поєднується з іншими) для додання додаткової міцності. Ймовірно, він найбільш відомий завдяки використанню в бронежилетах і касках, але він також має десятки інших застосувань. Він використовується як арматура автомобільних шин, автомобільних гальм і кузовів автомобілів, човнів і навіть літаків. Він навіть використовується в будівлях і спорудах, хоча не в якості основного конструкційного матеріалу.
Чому кевлар є таким хорошим антибалістичним матеріалом?
Кевлар для каски є чудовим антибалістичним (стійким до куль і ножів) матеріалом, оскільки для того, щоб ніж або куля пройшли крізь нього, потрібна велика кількість енергії. Щільно сплетені волокна високоорієнтованих (вишикованих) полімерних молекул надзвичайно важко роз’єднати: для їх роз’єднання потрібна енергія. У кулі «викрадається» енергія, коли вона намагається пробитися крізь кевлар. Якщо їй все ж вдається проникнути в матеріал, вона значно сповільнюється і завдає набагато менше шкоди.
Незважаючи на те, що кевлар міцніший за сталь, він приблизно в 5,5 разів менший за щільністю (щільність кевлару становить приблизно 1,44 грами на кубічний сантиметр, порівняно зі сталлю, яка становить приблизно 7,8–8 грамів на кубічний сантиметр). Це означає, що певний об’єм кевлару буде важити в 5–6 разів менше, ніж той самий об’єм сталі. Згадайте середньовічних лицарів із їхніми громіздкими обладунками: теоретично сучасний кевлар забезпечує такий самий захист, але він досить легкий і гнучкий, щоб носити його набагато довше.
Більше шарів = більше захисту
Якщо ви думаєте, що кевлар для каски «поглинає» енергію кулі, цілком очевидно, що чим більша товщина кевлару — тим кращий захист.
Скільки араміду потрібно, щоб зупинити кулю? Це залежить від кевлару, ваги, типу та швидкості кулі. Кевлар буває різної ваги, і кулі також бувають різних типів і ваги та рухаються з дуже різними швидкостями та з різною кількістю енергії. Чим більша куля і чим швидше вона рухається, тим більшу кінетичну енергію вона має, тим далі вона проникатиме й тим більше шкоди завдасть. Вам потрібно більше шарів кевлару, щоб зупинити більші, швидші кулі.
Взагалі кажучи, чим більше у вас шарів важчого кевлару, тим більше захищає ваша «куленепробивна» броня, але тим важчою, об’ємнішою та біль незручною вона стає. Ви можете покрити себе мільйоном шарів кевлару, який може зупинити більшість повсякденних куль, але це навряд чи буде практичним. Таким чином, необхідно знайти компроміс між захистом і зручністю використання.
Так, кевлар для каски FAST без проблем зупиняє кулю з пістолету Макарова, випущену в упор. При цьому шолом важить трохи більше за 1,5 кг і підходить для довгого багатогодинного носіння. Цього цілком достатньо для виконання більшості бойових завдань та захисту від більшості загроз на полі ьою (а це зовсім не кулі, а уламки та будівельне сміття, що розлітається від вибухів). Тому кевларові шоломи FAST — вибір сучасних захисників.
