Мътен разтвор и упорит оператор
Технологичният процес изисква разтворът да бъде прекаран през предачна дюза — метална пластина с микроскопични отвори от порядъка на няколко стотни от милиметъра, за да се оформят нишките. Операторът на инсталацията, Чарлз Смулен, категорично отказва да пусне течността. Според неговата инструкция мътният вид означава наличие на суспендирани твърди частици, които моментално ще запушат скъпоструващото оборудване и ще блокират линията. Смулен настоява за изхвърляне на партидата.
Конфликтът продължава дни наред. Кволек прекарва течността през фин лаборатурен филтър и демонстрира, че в нея няма механични замърсявания или неутаени съставки. Мътността не е резултат от мръсотия, а от промяна в самата структура на течността. В крайна сметка Смулен отстъпва и пуска инсталацията. Резултатът изненадал дори самата Кволек — полученото влакно притежава модул на еластичност и якост на опън, каквито нито един лабораторен синтетичен полимер не е показвал до този момент.
Мътността се оказа не хаос, а ред
Причината за първоначалното объркване се крие в самата молекулярна архитектура. Обикновените синтетични полимери като найлона се състоят от гъвкави молекулярни вериги, които в разтвор се огъват, заплитат и хаотично спирализират. Синтезираният от Кволек поли-p-бензамид съдържа твърди бензолни пръстени, свързани с амидни групи. В разтвор тези молекули не се сгъват, а остават изпънати като твърди пръчки.
Когато концентрацията на тези твърди вериги надхвърли определен праг, те започват спонтанно да се подреждат успоредно една на друга в микроскопични домейни. Всеки домейн е с различна ориентация спрямо съседния, което води до различно пречупване на светлината и придава на течността мътния, опалов вид. В колбата на Кволек всъщност се намира течнокристален полимер — състояние, при което молекулите притежават подреденост, характерна за твърдото тяло, но запазват флуидността на течност.
При преминаване през тесните отвори на дюзата, хидродинамичното срязване подрежда всички домейни в една посока — по оста на бъдещата нишка. След отстраняване на разтворителя (концентрирана сярна киселина) и последващо термомеханично разтягане, веригите остават перфектно ориентирани. Изключителната здравина на опън се дължи на факта, че механичното натоварване се поема директно от здравите ковалентни връзки в гръбнака на полимера и от гъстата мрежа от междумолекулни водородни връзки между съседните вериги.
Физика на балистичния удар: Защо бронята спасява, но троши кости
Широко разпространеното твърдение, че кевларът е „пет пъти по-здрав от стоманата“, изисква сериозно техническо уточнение. Това съотношение важи единствено при сравнение на якостта на опън спрямо относителното тегло на материала (специфична якост) по дължината на нишката. Напречно на влакното или при натиск арамидните структури са значително по-слаби. Опитът да се изгради носеща конструкция от чист кевлар без матрична смола е инженерна грешка, тъй като материалът не реагира еднакво на различни типове натоварване.
При поразяване от проектил, меката арамидна жилетка действа като високоякостна мрежа. Поради високата скорост на звука във влакното (над 9000 метра в секунда), кинетичната енергия на куршума бързо се разпространява от точката на контакта към периферията на тъканта. Нишките се разтягат, абсорбират енергията чрез пластична деформация и триене, като постепенно деформират (гъбесто разпласкват) оловното или стоманеното ядро на проектила.
Тъканта обаче не неутрализира закона за запазване на импулса. Дори когато спира пистолетен куршум калибър .45 или 9 мм, енергията преминава през защитния пакет и се предава върху тялото на носещия го. Настъпва така наречената тупа телесна повреда (заднобронева деформация). В зависимост от разстоянието и калибъра, това води до сериозни хематоми, напукани или счупени ребра и в по-тежки случаи — до контузия на вътрешните органи.
Поради тази причина меките кевларени панели от клас IIA или IIIA са ефективни предимно срещу пистолетни боеприпаси с ниска или средна начална скорост. Срещу патрони за шурмови пушки (напр. 5.56x45 mm NATO или 7.62x39 mm), чиито проектили притежават високо съотношение на кинетична енергия спрямо площта на контакта, мекият кевлар е безпомощен. За тяхната защита се използват твърди плочи от силициев или борен карбид, подкрепени от арамиден или полиетиленов субстрат (UHMWPE).
Скритите дефекти и финансовият баланс
Арамидните влакна имат своите физически лимити. При температура над 430°C материалът не се топи, а започва бързо да се овъглява и разпада. Кевларът е изключително чувствителен към ултравиолетово лъчение — продължително излагане на слънчева светлина води до фотоокислителна деградация на полимерните вериги и загуба на над 50% от якостта му. Влагата и киселинните среди също влошават характеристиките на тъканта, което налага балистичните панели да бъдат запечатани в водонепроницаеми калъфи.
От финансова гледна точка, развойната дейност по внедряването на кевлара коства на DuPont стотици милиони долари в продължение на десетилетие, преди да започне да носи печалба. Самата Стефани Кволек, въпреки че фигурира като първи автор в основния патент за течнокристалния разтвор, не получава дял от търговските приходи. Всички права според тогавашното трудово законодателство и корпоративния договор принадлежат на DuPont. За откритието си тя получава стандартна месечна заплата, корпоративна премия от сто долара и вътрешни фирмени отличия.
През десетилетията кевларът намира приложение от подводните комуникационни кабели и самолетостроенето до противоосколковата защита на космическите апарати. Въпреки това, първоначалната хипотеза, че новото влакно напълно ще замени стоманените корди в гумите, се оказва икономически неизгодна поради високата цена на мономерите и сложната преработка в сярна киселина. Стоманата запазва позициите си в масовия автомобилен сектор, докато кевларът остава в нишата на критичните технологии и сигурността.
