Kevlar: Một loại sợi đã thay đổi ngành công nghiệp chiến tranh.

Nếu ai đó hỏi về áo chống đạn, áo giáp, đồ bảo hộ, bộ đồ du hành vũ trụ, hay mũ bảo hiểm xe đua Công thức 1, thì cái tên Kevlar hầu như ai cũng biết. Bởi vì, sợi Kevlar đã làm thay đổi ngành công nghiệp chiến tranh cũng như lịch sử. Loại sợi này được sử dụng rộng rãi để sản xuất quần áo bảo hộ .

Với sự tiến bộ của khoa học, các nhà khoa học không ngừng nỗ lực biến khoa học viễn tưởng thành hiện thực. Trong quá trình đó, các công nghệ mới liên tục được phát minh; các thiết bị hiện đại mới được chế tạo. Ngành công nghiệp quốc phòng và chiến tranh cũng không ngoại lệ. Cũng giống như các loại vũ khí tiên tiến nhất đang được phát triển, nhiều vật liệu có khả năng chống lại vũ khí cũng được chế tạo. Vật liệu chống vũ khí đa năng nhất là Kevlar.

Hình: Hệ thống bảo vệ Kevlar cho người lính

Kevlar là gì?​

Kevlar là một loại sợi aramid đặc biệt. Nó là một loại sợi tổng hợp được dệt thành vật liệu dệt, cực kỳ bền chắc và nhẹ, đồng thời có khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt. Nó là một loại nhựa đủ mạnh để chống lại đạn và dao. Kevlar thường được mô tả là "mạnh hơn thép gấp năm lần nếu xét trên cùng trọng lượng". Kevlar được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như công nghiệp quốc phòng, áo giáp, áo chống đạn, phanh ô tô, kỹ thuật hàng không vũ trụ, thân máy bay và tàu thuyền, v.v.

Một biến thể của para-aramid Kevlar có tên thương mại là Nomex . Nó được DuPont giới thiệu để sử dụng trong các ứng dụng chịu nhiệt và chống cháy. Kevlar có cấu trúc định hướng para nên các phân tử có thể được sắp xếp thẳng hàng và đạt được độ bền cao.

Tuy nhiên, các polyme meta-aramid không thể sắp xếp thẳng hàng trong quá trình hình thành sợi và do đó có độ bền kém. Nomex phủ polyme có thể được sử dụng trong trang phục bảo hộ, có khả năng chịu nhiệt cao, chống cháy với lượng khói sinh ra thấp và được sử dụng để bảo vệ môi trường.

Tại sao áo chống đạn và Kevlar lại ra đời?​

Con người đã tham gia vào chiến tranh từ thời cổ đại. Họ đã sử dụng áo giáp để tự vệ trong các cuộc chiến tranh từ thời cổ đại. Trước tiên, chúng ta sẽ nói về áo giáp làm từ sắt, đồng hoặc các hợp kim khác. Nhưng theo các nhà nghiên cứu, vào thế kỷ 11 trước Công nguyên, người ta đã sử dụng da tê giác.

Bộ giáp này của Trung Quốc được coi là bộ giáp cổ nhất. Các chiến binh Hy Lạp thời đó cũng sử dụng một loại giáp tương tự. Người ta biết rằng nó được làm từ đồng và sáp. Rất khó để nói chính xác khi nào việc sử dụng giáp sắt bắt đầu. Sau đó, ở châu Âu thời trung cổ, các chiến binh tinh nhuệ đã sử dụng giáp nặng làm bằng các tấm thiếc mỏng để tự vệ. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ, giáp làm bằng thép dễ mang theo đã được phát minh cho các chiến binh vào giữa thế kỷ XIV, giúp bảo vệ từ đầu đến chân.

Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã phát triển những bộ giáp tinh vi, tiên tiến và mạnh mẽ để chống lại sự tấn công của các loại vũ khí hiện đại này. Trong quá trình đó, một loại sợi mới được phát hiện có tên là Kevlar. Loại sợi này thường được biết đến với đặc tính "mạnh hơn thép gấp năm lần nếu xét trên cùng một trọng lượng".

Sợi Kevlar hoạt động như thế nào trong áo giáp chống đạn?​

Ví dụ, bạn đã bao giờ thấy một cầu thủ bóng đá ghi bàn bằng cú sút cực mạnh chưa? Quả bóng đập vào lưới khung thành với tốc độ rất cao. Mặc dù quả bóng chỉ đập vào một phần của lưới, nhưng toàn bộ lưới đã hấp thụ lực tác động của quả bóng tại thời điểm đó. Bạn có thể dễ dàng hiểu vấn đề hơn bằng cách lấy ví dụ về việc ném đá xuống ao.

Bạn ném một hòn đá vào một điểm nhưng sóng xung kích lan rộng ra nhiều nơi. Điều tương tự cũng xảy ra nếu bạn ném hòn đá vào tường. (Nhưng bạn không thể nhìn thấy năng lượng bị hấp thụ bằng mắt thường). Điều tương tự cũng xảy ra với áo giáp Kevlar. Sợi Kevlar hấp thụ năng lượng của viên đạn sau khi va chạm. Kết quả là, viên đạn không thể xuyên qua nó. Nếu có thêm tấm gốm chống đạn, nó cũng hoạt động như một chất hấp thụ. Kevlar có thể được kết hợp với các loại sợi khác để tạo ra các vật liệu composite lai.

Lịch sử của Kevlar:​

Kevlar được Stephanie Kwolek phát minh vào năm 1965 tại DuPont. Bà đang thử nghiệm sự kết hợp giữa polyme và vải. Việc tạo ra Kevlar hoàn toàn là do tình cờ vào năm 1965, trong khi phân tích chuỗi phân tử ở nhiệt độ thấp. Bà đã tìm thấy một cấu trúc chuỗi phân tử đặc biệt bền và cứng. Dung dịch này rất kỳ lạ. Nó đục và loãng, không giống như polyme nylon, vốn trong suốt và đặc. Các sợi được tạo ra từ dung dịch này là những sợi mạnh nhất mà thế giới từng thấy. Đó là lịch sử của Kevlar.

Một ngành công nghiệp chiến tranh hoàn toàn mới đã ra đời từ phát minh Kevlar của bà. Đây là vật liệu chủ chốt đằng sau mọi áo chống đạn, đã cứu sống vô số người. Vật liệu cường độ cao Kevlar lần đầu tiên được sử dụng thương mại vào đầu những năm 1970 để thay thế thép trong lốp xe đua. Kevlar có nhiều ứng dụng, từ lốp xe đạp đến ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, tàu vũ trụ, máy bay, thuyền, ca nô, phanh ô tô, giày dép, và thậm chí cả cáp quang cho phép bạn đọc bài viết này trên internet.

Các loại Kevlar:​

1. Kevlar – Sợi bố lốp xe.
2. Kevlar 29 – Sợi đa năng.
3. Kevlar 49 – Sợi có độ đàn hồi cao.
4. Kevlar 68 – Sợi có mô đun đàn hồi trung bình.
5. Kevlar 100 – Sợi màu.
6. Kevlar 119 – Sợi có độ giãn dài cao.
7. Kevlar 129 – Sợi có độ bền cao.
8. Kevlar 149 – Sợi có độ đàn hồi cực cao.

Tính chất của sợi Kevlar:​

Kevlar sở hữu một số đặc tính độc đáo và đa dụng, như độ bền kéo cao, độ dẻo dai cao và tính ổn định hóa học ở nhiệt độ cao trong nhóm polyamit thơm. Đặc biệt, Kevlar có tỷ lệ độ bền kéo trên trọng lượng rất cao. Đó là lý do tại sao nó mạnh hơn thép từ 5 đến 8 lần. Kevlar được sử dụng rộng rãi làm vật liệu ma sát trong ngành công nghiệp quốc phòng và vật liệu chống cháy trong ngành hàng không vũ trụ.

Cấu trúc hóa học của Kevlar:​

Hình: Cấu trúc Kevlar​

Tính chất cơ học của sợi Kevlar:​

• Chịu được nhiệt độ khắc nghiệt
• Kháng hóa chất
• Khó tách rời
• Độ bền cao
• Độ bền cao (khả năng chịu tải trước khi đứt).
• Độ cứng mô đun cao.
• Độ dẻo thấp.
• Độ dẫn điện thấp.
• Hệ số giãn nở nhiệt thấp.
• Khả năng kháng hóa chất cao.
• Độ ổn định kích thước tuyệt vời.
• Chống cháy.
• Tự dập tắt, v.v.

Tính chất vật lý của Kevlar:​

Bảng: Các tính chất vật lý của Kevlar

Đặc tính của sợi	Kevlar & Kevlar 29	Kevlar 49	Kevlar 68	Kevlar 119	Kevlar 129	Kevlar 149
Độ bền kéo (gpA)	23	23	23	24	26,5	18
Mô đun ban đầu (gpA)	550	950	780	430	750	1100
Độ giãn dài (%)	3.6	2.8	3.0	4.4	3.3	1,5
Mật độ (g/cm³)	1,44	1,45	1,44	1,44	1,45	1,47
Độ hút ẩm (%)	6	4.3	4.3	—	—	1,5

Ứng dụng của sợi Kevlar:​

1. Giáp:​

Kevlar được sử dụng trong sản xuất các loại áo giáp cá nhân như: áo chống đạn, mũ bảo hiểm chiến đấu, mặt nạ chống đạn, áo gi lê chống đạn, v.v. Sợi Kevlar rất khó bị đứt, được xếp chồng lên nhau tạo thành nhiều lớp. Bằng cách này, nó có thể dễ dàng làm chậm lực động học của đạn và mảnh đạn cho đến khi chặn đứng chúng. Do độ bền cao của vật liệu này, nó được chế tạo thành áo giáp, áo chống đạn và các hình thức bảo vệ khác cho quân đội và các cơ quan thực thi pháp luật khác, hoặc các nhà báo đưa tin về các khu vực chiến sự.

Hình: Cách Kevlar bảo vệ áo giáp.​

2. Bộ đồ bảo hộ:​

Kevlar có khả năng chịu được nhiệt độ cao, cũng như một số hóa chất. Điều đó khiến nó trở thành vật liệu được sử dụng rộng rãi trong bộ đồ chống bom và thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE). Kevlar cũng được dùng để làm găng tay chống cắt, vật liệu cách nhiệt, chăn hoặc mũ chống cháy, v.v.

3. Thể thao đua xe:​

Kevlar được sử dụng trong sản xuất xe đua Công thức 1. Nó cũng được sử dụng trong mũ bảo hiểm của phi công, cấu tạo động cơ và bình nhiên liệu của xe trong ngành công nghiệp ô tô. Nó được sử dụng rộng rãi để gia cố trong bộ đồ bảo hộ xe máy. Khả năng chống mài mòn của vải Kevlar khiến nó trở thành một trợ thủ đắc lực chống lại các chấn thương ở khuỷu tay hoặc đầu gối.

4. Ngành công nghiệp thể thao:​

Tính nhẹ của Kevlar đã khiến loại sợi này trở nên phổ biến trong các thiết bị thể thao như áo khoác thể thao và mũ bảo hiểm. Trong ngành công nghiệp thể thao dưới nước, độ bền của Kevlar làm cho loại sợi này trở nên hoàn hảo cho buồm thuyền, thuyền buồm thi đấu. Nó cũng có thể được tìm thấy trong các vật liệu leo núi như giày hoặc dây thừng. Gần đây, Kevlar thường được sử dụng trong mũ bảo hiểm khúc côn cầu và vợt tennis siêu nhẹ.

5. Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ:​

Độ bền cao và trọng lượng nhẹ là những đặc tính quan trọng trong ngành hàng không. Đó là lý do tại sao Kevlar thường được sử dụng cho các bộ đồ du hành vũ trụ an toàn nhưng có trọng lượng nhẹ. Kevlar cũng được sử dụng như một phần của hệ thống hạ cánh của tàu vũ trụ. Công nghệ kết hợp Kevlar được sử dụng trong cánh máy bay và thậm chí cả lớp bảo vệ chống mảnh vỡ cho động cơ phản lực của máy bay.

6. Ngành công nghiệp thời trang:​

Kevlar thậm chí còn được sử dụng trong ngành thời trang. Tính đa dụng của Kevlar giúp nó được sử dụng trong sản xuất nhiều loại quần áo, phụ kiện thời trang và thiết bị, làm cho chúng an toàn hơn và bền hơn. Hầu hết thời gian, Kevlar được sử dụng cho mục đích an ninh, chứ không phải cho phong cách trong ngành thời trang.

Phần kết luận:​

Mặc dù Kevlar là thành phần không thể thiếu trong kỹ thuật dệt may và ngành công nghiệp quân sự, nhưng nó lại rất thú vị để nghiên cứu và đổi mới các loại sợi trong tương lai. Điều này có thể giúp tạo ra ứng dụng mang tính cách mạng tiếp theo của Kevlar, hoặc một loại vải đột phá khác để bảo vệ trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

Tài liệu tham khảo:​

1. SMM Amir, MTH Sultan, M.Jawaid và A. Hamdan “Phương pháp kiểm tra không phá hủy đối với Kevlar và sợi tự nhiên cũng như các vật liệu composite lai của chúng”, tháng 1 năm 2019, DOI: 10.1016/B978-0-08-102290-0.00016-7
2. Akovali, G. (2012). Những tiến bộ trong dệt may phủ polymer. Smithers Rapra.
3. textilelearner.net
4. www.edgeofyesterday.com
5. www.sciencedirect.com
6. www.explainthatstuff.com
7. materials-today.com
8. en.wikipedia.org

Nguồn: www.textileblog.com