БРОНЕПАНЕЛЬ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКАЯ

Предлагаемая полезная модель относится к бронепреградам и может быть использована для изготовления средств индивидуальной защиты (СИЗ) (бронежилеты, бронещиты, броненакладки и др.) от бронебойных пуль стрелкового оружия и осколков разорвавшихся боезарядов, а также для использования при защите стационарных объектов и транспортных средств (бронемашин, БМП, БТР, автомобилей, летающих аппаратов, емкостей, контейнеров и др.).
Известна броня для защитного жилета от поражения пулями с высокой кинетической энергией с целью снижения травмы человека от их воздействия (Патент RU 2062430). Броня выполнена в виде нескольких расположенных одна рядом с другой плит из твердого материала, помещенных в вязкую на удар оболочку, и образующих компактный блок при соотношении массы блока к площади его тыльной поверхности не менее 0,28 кг/дм2, причем площадь блока не менее 2,5 дм2.
У данного технического решения есть ряд недостатков, а именно, бронепанель не монолитна, а разделена на секции (плиты), плита, даже если она не будет пробита, нанесет сильнейшую травму человеку в связи с тем, что площадь плиты значительно меньше площади всего блока. Кроме этого, если плита выполнена из стали, то с учетом веса вязкой оболочки ее толщина должна находится в пределах 3,0-3,5 мм, что не является препятствием для пуль с закаленными стальными сердечниками, имеющими остроконечную головную часть. Если твердым материалом является керамика, то для обеспечения ее работоспособности в составе бронепанели необходим ее жесткий подпор с тыльной стороны, так как в противном случае она будет просто раскалываться ввиду очень низкой пластичности, пропуская сердечник пули. При попадании сердечника пули в стык, между блоками, он практически беспрепятственно проходит через бронепанель, поражая человека.
Известна бронепреграда (Патент RU 2102688), состоящая из высокопрочной конструкционной легированной стали, с лицевой стороны которой размещена пластина из средне- или высокопрочного титанового сплава, а с тыльной стороны также пластина из титанового сплава и затем многослойный пакет из баллистической ткани.
Бронепанель по данному техническому решению не рассчитана для защиты от пуль с высокотвердым закаленным сердечником из стали или твердого сплава обладающего высокими физико-механическими свойствами, имеющими остроконечную головную часть. В силу того, что титановые сплавы имеют невысокий уровень твердости и предела прочности, не превышающий 1150-1200 МПа, поэтому не представляют серьезного препятствия для высокотвердых сердечников, которые при соударении с более мягким материалом не разрушаются и не деформируются при прохождении через него.
По мнению авторов патента RU №2296288 бронепанель должна обладать двумя важными свойствами, а именно, высокой твердостью поверхностного слоя, способного разрушить острый нос термоупрочненного стального сердечника пули Б3-43 и необходимой вязкостью металла стальной бронепанели, достаточной для поглощения энергии удара пули без образования трещин и разрушения стальной брони, т.е. бронепреграда должна быть многослойной. Исходя из совокупности данных свойств ими предлагается техническое решение бронепреграды, состоящее из композиционной системы, состоящей из четырех слоев: лицевого высокотвердого слоя керамики толщиной 1,5±0.2 мм одного из материалов: оксид алюминия - Al2O3, карбид кремния - SiC, карбид бора - В4O, подслоя, состоящего из пластичного и вязкого никель-алюминиевого (Ni+Al) сплава толщиной 0,1-0,15 мм, бронепанели из высокопрочной конструкционной стали и тканевого бронеслоя из ткани ТСВМ.
1c
1/2
Проведенные авторами предлагаемого изобретения исследования механизма пробития аналогичных бронепреград бронебойными патронами с сердечником из твердого сплава, имеющего остроконечную головную часть, показали, что высокопрочная сталь не является преградой для твердосплавного сердечника. В месте контакта сердечника и преграды, это достаточно малая площадь контакта, концентрируется огромное количество энергии, которой достаточно, что бы расплавить высокопрочную сталь, с сохранением остроконечной формы головной части сердечника. Тонкий поверхностный слой из высокопрочной керамики дает множество мелких осколков, в силу низкой трещиностойкости (коэффициент интенсивности напряжений K не более 4-5 МПа*м) и также не разрушает сердечник из твердого сплава.
1c
1/2
Исследования показали, бронепреграда должна иметь твердость сопоставимую с твердость сердечника пули, иметь высокую трещиностойкость (коэффициент интенсивности напряжений K МПа*м) сопоставимую с трещиностойкостью твердого сплава марки ВК8, чтобы при соударении не происходило мелкой дефрагментации элементов бронепреграды. Данное техническое решение не обладает данными свойствами. Вследствие этого, при попадании в бронепреграду твердосплавного сердечника, защищаемый объект имеет высокую степень вероятности быть разрушенным.
Известна конструкция пулезащитной панели позволяющая решить задачу пулестойкости и живучести средств бронезащиты, в частности бронежилета (Патент RU №2130159). Пулезащитная панель для средств бронезащиты, содержит оболочку и керамическую плиту, расположенную на слоистом основании, при этом она дополнительно содержит промежуточный слой, выполненный на основе усадочной ткани или из упруго деформированного отвержденного эластомерного вещества, а керамическая плитка размещена в промежуточном слое в состоянии всестороннего сжатия величиной 6-18% от разрушающего напряжения керамики при растяжении.
2
Указанная конструкция пулезащитной панели для бронежилета, принятая в качестве прототипа, позволяет в основном решить задачи обеспечения пулестойкости и живучести бронепанелей от патронов имеющих стальные сердечники. Керамическая плитка, принимающая основную часть кинетической энергии пули, размещенная в промежуточном слое панели и находящаяся в состоянии всестороннего сжатия на величину 6-18% от разрушающего напряжения материала керамики при растяжении, при соударении с сердечником пули из твердого сплава разрушается на мелкие фрагменты. Любой керамический материал обладает низкой трещиностойкостью. Практически при повторном попадании пули в данную пластину, сердечник свободно ее проходит. Напряжение всестороннего сжатия, в котором находится керамическая плитка в промежуточном слое, безусловно создает дополнительный потенциальный энергетический барьер, препятствующий разрушению керамики под действием растягивающих сил при ударе пули. Но если этот энергетический барьер превышен, что происходит при соударении с твердосплавным сердечником, имеющим остроконечную головную часть, то происходит разрушение всей керамической плитки на мелкие фрагменты. Тем самым снижается живучесть бронежилета, особенно после двух попаданий пули на 1 дм поверхности.
Однако, современные тактико-технические требования к средствам бронезащиты формулируют более высокие показатели живучести при воздействии высокоэнергетических бронебойных пуль и пуль повышенной пробиваемости винтовочных патронов калибром 7,62 и выше. Одновременно повышаются требования к уровню защиты человека от контузионной травмы при непробитии защитной композиции, при этом изделия должны быть технологичны, относительно легкими и экономичными при производстве.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение защиты живой силы и объектов техники от бронебойных пуль с сердечниками, имеющими высокую твердость и остроконечную головную часть.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в образовании многофрагментарного разрушения сердечника, и как следствие снижение его бронебойных свойств, в образовании крупных фрагментов при разрушения пластинок бронепанели, и как следствие, уменьшении вероятности получения заброневой контузионной травмы, при повторных воздействиях пули в данный участок бронепанели, нарушенная монолитность пулезащитных металлокерамических плиток, имеет крупную фрагментацию и как следствие, уменьшается деформации тыльной стороны, уменьшения рикошета, при попадании пули в бронепанель под углом.
3
1/2
1c
Указанная цель достигается тем, что бронепанель металлокерамическая содержащая оболочку, промежуточный слой, в котором размещены плитки, расположенный на основании, при этом, основание состоит из последовательно расположенных слоев ткани из высокомодульного волокна, пропитанного полимерным связующим, слоя толщиной 0,5-5,0 мм из высокопрочной стали с твердостью 40…57 HRC и слоя войлока из натуральных или искусственных волокон, или вспененного полимера, оболочка состоит из последовательно расположенных слоев ткани из высокомодульного волокна, пропитанного полимерным связующим, и промежуточного слоя выполненного из низкоуглеродистой стали с твердостью не более 20 HRC, сторона оболочки, обращенная к защищаемому объекту имеет слой баллистической ткани, промежуточный слой, в котором размещены плитки, выполнен из эластомерного вещества, слой обращенный к наружному слою оболочки, со стороны поражения пулей, армирован металлическими элементами в виде колец и/или пластин с отверстием, и/или металлической сеткой, плитки выполнены из металлокерамического сплава на металлической связке TiC-TiN-Ni-Mo с соотношением TiC:TiN как (30-100):(70-0), соотношением Ni:Mo как (5,5-3,0):1 и содержанием (Ni-Mo) по маc. (6-40)%. Кроме этого не менее 60%, объема металлокерамического сплава имеет зернистость (0,4-5,0) мкм, пористость металлокерамического сплава составляет не более 0,3% объема, толщина металлокерамических плиток находится в пределах 1,5-30,0 мм, зазор между контактирующими гранями плиток в пределах 1,0 мм, металлокерамические плитки со стороны, обращенной к наружному слою оболочки, со стороны поражения пулей, шлифованы и имеют шероховатость поверхности не более Ra 1,6, керамический материал дополнительно содержит карбид молибдена, и/или карбид хрома, и/или карбид ванадия, и/или карбид циркония, металлическое связующе дополнительно содержит металл Со, и/или Cr, и/или Fe, и/или А1, и/или Ti, и/или их смеси и/или соединения, содержание металлического связующего составляет 6-60% по массе, в панели металлокерамические плитки уложены, как минимум, в один слой и, как минимум, двух типоразмеров отличающихся по толщине на 0,8-5,0 мм, металлокерамические плитки двух типоразмеров и уложены в бронепанели в шахматном порядке, промежуточный слой выполненный из металла или стали с твердостью не более 20 HRC имеет толщину 0,5-15,0 мм, металлические элементы выполнены из высокопрочных не хрупких металлических материалов, что плитка имеет с плотность не более 6,4 г/см с предел прочности при изгибе не ниже 1600 МПа, твердость по Роквеллу, HRA не ниже 89, и коэффициент интенсивности напряжений K не ниже 8 МПа*м.
Большинство бронепанелей имеют недостаточный уровень живучести и защиты от заброневой контузионной травмы, особенно при повторных воздействиях ввиду нарушения монолитности и, как следствие, увеличения деформации защитных слоев тыльной стороны. Этих недостатков практически лишена предлагаемая конструкция бронепанели металлокерамической, позволяющая существенно улучшить показатели прототипа - эффективность защиты.
На основе проведенных авторами исследований по механизмам разрушения бронепанелей изготовленных из различных материалов и проведенных математических расчетов разрушения преград при соударении с твердосплавными сердечниками, были определены требования к механическим свойствам бронепанели, к микроструктуре металлокерамических плиток, их геометрическим размерам, взаимному положению. Также были определены материалы, из которых возможно изготовление металлокерамических пластинок, способных противостоять пулям с сердечниками из твердого сплава. Наличие дополнительных оболочек и слоев, выполненных из различных материалов, которые способствуют значительному повышения защитных свойств бронепанели и расширяют область их использования от бронежилетов до использования при защите стационарных объектов и транспортных средств (бронемашин, БМП, БТР, автомобилей, летающих аппаратов, емкостей, контейнеров и др.).
На чертеже схематично представлена бронепанель металлокерамическая, где позициями обозначены следующие элементы: 1 - оболочка, 2 - промежуточный слой, 3 - основание на котором расположен промежуточный слой, керамическая плитка, 4 - слой баллистической ткани.
Оболочка 1 состоит из последовательно расположенных слоев 1.1 ткани из высокомодульного волокна, пропитанного полимерным связующим, и промежуточного слоя 1.2 выполненного из низкоуглеродистой стали с твердостью не более 20 HRC. Слои 1.1, могут выполняться на основе ткани из волокна СВМ, а также терлона или кевлара и полимерного связующего, например эпоксидного эпоксифенольного или эластомерного (ЭДТ-10, ЭНФБ, СКУПФЛ).
3
1/2
1с
Промежуточный слой 2 состоит из металлокерамических плиток 2.1 и слоя 2.2. В зависимости от назначения бронепанели, толщина плиток 2.1 находится в пределах 1,5-30,0 мм. Плитки плотно прилегают друг к друг, что бы исключить межплиточное пробитие бронепанели, зазор «В» между контактирующими гранями плиток должен быть в пределах 0,01-1.0 мм. Что бы уменьшить явление рикошета, укладку плиток, имеющих различную толщину проводят в шахматном порядке, что позволяет «задержать» пулю в бронепанеле, при ее попадании под углом к поверхности плиток. Дополнительно для этих целей, а также для увеличения энергии рассеивания при прохождении пули на поверхность плиток нанесен слой 2.2, из эластомерного вещества, армированный металлическими элементами в виде колец и/или пластин с отверстием, и/или металлической сеткой, изготовленных высокопрочных не хрупких материалов. Поверхности «А» металлокерамических плиток со стороны, обращенной к наружному слою оболочки, со стороны поражения пулей, шлифованы и имеют шероховатость поверхности не более Ra 1,6. Шлифование поверхности значительно повышает прочность материала на изгиб и трещиностойкость. Материал из которого могут быть изготовлены плитки, это металлокерамические сплавы на металлической связке TiC-TiN-Ni-Mo с соотношением TiC:TiN как (30-100):(70-0), соотношением Ni:Mo как (5,5-3,0):1 и содержанием (Ni-Mo) по маc. (6-40)%. В зависимости от необходимых свойств металлокерамических пластин количество связки, а так же сочетание карбидов и нитридов металлов может быть различно, при этом металлического связующего в пределах 6-60% по массе. Что бы получить необходимые свойства материала плитки, такие как плотность не более 6,4 г/см, предел прочности при изгиб не ниже 1600 МПа, твердость по Роквеллу, HRA не ниже 89, и коэффициент интенсивности напряжений К не ниже 8 МПа*м. материал должен иметь зернистость не менее 60% объема в пределах 0,4-5,0 мкм, пористость сплава не более 0,3% объема и изготовлен из относительно легких материалов.
Основание 3 состоит из последовательно расположенных слоев 3.1 ткани из высокомодульного волокна, пропитанного полимерным связующим, слоя 3.2 толщиной 0,5-5,0 мм из высокопрочной стали с твердостью 40…57 HRC и слоя 3.3 войлока из натуральных или искусственных волокон, или вспененного полимера. Со стороны оболочки, обращенной к защищаемому объекту крепится слой 4 баллистической ткани.
Экспериментально проверено и расчеты показали, что при исполнении бронепанели металлокерамической с указанными свойствами ее пробитие пулей снаряженной твердосплавным сердечником не происходит.
При описании процесса взаимодействия бронепанели металлокерамической с летящей пулей рассматривается случай ее не пробития.
При попадании пули в бронепанели металлокерамической, например бронежилет, пули с высокой кинетической энергией, в нем происходит поэтапное поглощение энергии. Часть кинетической энергии пули затрачивается на пробитие оболочки 1 и превращение в потенциальную энергию свободной поверхности фрагментов оболочки. Задача оболочки уменьшить явление рикошета. При встрече пули с защитным слоем, армированным металлическими элементами в виде колец и/или пластин с отверстием, и/или металлической сеткой, изготовленных из высокопрочных не хрупких материалов происходит резкое торможение пули, ее скорость уменьшается. Безусловно, сердечник достигает слоя из металлокерамических плиток. Поскольку физико-механические свойства пули и плиток практически равны, происходит обоюдное разрушение и сердечника и плитки. При разрушении сердечника на фрагменты, скорость фрагментов резко падает. Расчеты показали, при скорости соударения 750 м/с сердечника из твердого сплава ВК8 весом 2.4 г с металлокерамической пластиной толщиной 5.0 мм скорость сердечника через 34 мкс упала до 26 м/с, при таких же параметрах, при соударении с броневой сталью «44С» скорость составила порядка 600 м/с. Далее поток фрагментов пули и керамической плитки передает свою кинетическую энергию основанию 3, оболочке 1 и баллистической ткани 4, где и поглощается неупругой и упругой составляющими деформации композита основания.
Предлагаемое техническое решение повышает живучесть средства бронезащиты, способного выдерживать до 4-5 попаданий пули на 1 квадратный дециметр поверхности.
Производство бронепанели металлокерамической технологично и может быть осуществлено на действующем оборудовании машиностроительных и металлургических заводов.