МНОГОСЛОЙНАЯ БРОНЕПРЕГРАДА

Предлагаемая полезная модель относится к броневым конструкциям для изготовления средств индивидуальной защиты (СИЗ), защите стационарных объектов и транспортных средств от баллистических поражающих элементов, в том числе бронебойных пуль, снарядов и осколков, и может применяться самостоятельно или в качестве дополнительно накладываемой (навесной) брони.
В течение многих лет для защиты человека и техники использовали металлическую броню из специальных броневых сталей. Эта броня была эффективна для защиты от пуль и снарядов с «мягким» сердечником, выполненным из свинца, медных сплавов или нелегированных неупрочненных сталей. По мере развития баллистических поражающих элементов, броня, изготовленная из указанных традиционных материалов, становится все более стойкой к проникновению. Стойкость к поражающим элементам достигается за счет увеличения толщины брони и повышения ее характеристик стойкости к удару и проникновению, что, однако, делает броню тяжелее. В ответ на необходимость использования брони для случаев защиты, при которых требуется пониженный вес, например в различных видах летательных аппаратов, разработаны более прочные (стойкие), но более легкие типы броневых материалов, которые широко используются на настоящее время. Например, материал Ti-6Al-4V (номинально 6 вес.% алюминия, 4 вес.% ванадия, баланс в основном из титана) комбинирует высокую стойкость к проникновению и более низкую плотность, чем броня на базе железа, что позволило ему получить широкое распространение в качестве броневого материала. Данный сплав, являющийся относительно легким, в частности, поглощает энергию снаряда за счет рассеивания энергии по своей массе, вследствие чего кончик снаряда затупляется и возникает сопротивление проникновению. В качестве примера следует указать, что в военном стандарте США MIL-DTL-46077F NOT 1 сформулированы требования к броне из титанового сплава. Кроме того, были предложены различные улучшения и модификации композиции, металлургических свойств и морфологии различных видов брони на основе титана.
Однако после создания и внедрения баллистических поражающих элементов с элементами конструкций из упрочненных сталей или специальных твердых материалов, твёрдостью 62-64 HRC и выше, такая броня стала неэффективной. В ответ были разработаны высокотемпературные типы брони на базе керамических соединений. Керамику используют для изготовления брони по причине типично высокой температуры плавления, хорошей высокотемпературной прочности и ударной вязкости, причем броня керамического типа имеет относительно малый вес и обладает высокой твердостью. Например, в военном стандарте США MIL-P-46199P NOT 1 установлены требования к броне из пластин оксида алюминия. Наряду с определенными достоинствами, одним из недостатков керамической брони является то, что она рассеивает энергию баллистических поражающих элементов частично за счет растрескивания. Следовательно, керамическая броня не обладает способностью выдерживать повторный удар. Иными словами, такой тип брони не обладает стойкостью к проникновению, если удары баллистических поражающих элементов направлены несколько раз в один и тот же участок поверхности. Кроме того, стоимость керамической брони обычно намного выше, чем стоимость других типов брони.
Известны различные виды комбинированной брони, например слоистая броня по патенту (Патент США №6497966, МКИ В32В 15/08, F41Н 5/02, Н Кл. 428/626, публ. 2002 г.), состоящая из наружного слоя, выполненного из керамики или сплава с твердостью выше 27HRC, промежуточного слоя из алюминиевого или другого сплава с твердостью менее 27HRC и тыльного слоя из полимерного композиционного материала, причем все три слоя скреплены между собой полимерным намоточным композиционным материалом. Недостатками данного технического решения является большой вес, низкая эксплуатационная надежность и малая живучесть конструкции. Низкая эксплуатационная надежность обусловлена тем, что при падении, ударах или вибрации происходит отслоение керамического слоя от остальных и резкое снижение баллистической стойкости. Аналогичное явление происходит при попадании баллистических поражающих элементах, что обусловливает снижение баллистической стойкости при последующих попаданиях (низкая живучесть).
Известна многослойная бронепреграда, содержащая подложку, слой примыкающих друг к другу керамических пластин, керамические пластины выполнены размером от 45×45 до 100×100 мм из реакционносвязанного карбида кремния, при этом пластины смещены в слое относительно друг друга на половину их габаритного размера, подложка выполнена из алюминиевого сплава или титана, или органокомпозита на основе высокомодульной органической ткани, или их комбинации (Патент РФ №2393416, МПК F41H5/04, публ. 27.06.2010). Указанное изобретение, по мнению авторов, является ближайшим аналогом
Вместе с тем, техническое решение по приведенному выше патенту недостаточно эффективно обеспечивает защиту объекта от травматического воздействия элементов разрушенной защитной конструкции в результате действия баллистических поражающих элементов, так как гашение кинетической энергии удара происходит в основном за счет прочности керамических пластин. Однако этот фактор отрицательно влияет на живучесть бронепреграды при повторном воздействии баллистического поражающего элемента. Конструкция нетехнологична, имеет высокую стоимость, что существенно ограничивает ее использование в массовом производстве.
Технической проблемой, решаемой настоящей полезной моделью, является снижение массогабаритных характеристик устройства, при повышении его конструкционной прочности, живучести и повышенной бронестойкости с сохранением стабильных свойств на всей площади поверхности в условиях неоднократного воздействия баллистических поражающих элементов, в том числе бронебойных пуль, снабженных высокотвердыми сердечниками и остроконечной головной частью.
Указанный технический результат достигается тем, что многослойная бронепреграда включает передний слой, содержащий керамические материалы и подложку. Передний слой бронепреграды выполнен в виде монолитного гетерогенного листа из титанового сплава, содержит фронтальный и тыльный слои. Фронтальный слой содержит керамическое многоэлементное химическое соединение титана в матрице из титанового сплава, а тыльный слой листа состоит из титанового сплава.
Признаками, отличающими настоящую полезную модель от ближайшего аналога являются выполнение переднего слоя бронепреграды в виде монолитного гетерогенного листа из титанового сплава, наличие в переднем слое фронтального и тыльного слоев, наличие во фронтальном слое керамическое многоэлементное химическое соединение титана в матрице из титанового сплава, выполнение тыльного слоя из титанового сплава.
Полезная модель характеризуется рядом дополнительных признаков.
В первом частном случае выполнения, бронепреграда дополнительно характеризуется тем, что фронтальный слой листа выполнен с твердостью не менее 58 HRC.
Второй частный случай выполнения характеризуется тем, что тыльный слой листа имеет твердость не выше 40 HRC.
Бронепреграда в третьем частном случае выполнения дополнительно характеризуется тем, что толщина фронтального слоя составляет от 0,3 до 0,8 от общей толщины монолитного гетерогенного листа.
Целесообразно выполнение подложки бронепреграды из металла, в соответствии с пятым частным случаем выполнения.
Одним из частных случаев предусмотрено выполнение подложки бронепреграды из органического композиционного материала на основе высокомодульной органической ткани.
В развитие указанных частных случаев возможен вариант выполнения подложки бронепреграды комбинацией слоев органического композиционного материала на основе высокомодульной органической ткани и металла.
Иным частным случаем выполнения многослойной бронепреграды является применение в качестве многоэлементного химического соединения титана нитрида титана.
Следующим частным случаем выполнения предусмотрено применение в качестве многоэлементного химического соединения титана карбида титана.
Кроме того, другими частными случаями описано применение в качестве в качестве многоэлементного химического соединения титана следующих композиций: карбонитрид титана, комбинации карбида и нитрида титана.
Целесообразно дополнительно включать в состав фронтального слоя монолитного гетерогенного листа из титанового материала мелкодисперсного борида титана.
Частным случаем предусмотрено снабжение переднего слоя бронепреграды наружной облицовкой, которая размещена на поверхности переднего слоя.
Целесообразно разделение переднего слоя и подложки воздушным зазором, толщина которого составляет, по меньшей мере, 10 мм.
В качестве подложки возможно применение металлических конструкций защищаемого объекта.
Заявляемое устройство представляет собой гетерогенную монолитную конструкцию – передний слой, состоящую из двух основных слоев, обеспечивающих достижение заявленных технических параметров: высокопрочного твердого износостойкого и термостойкого фронтального слоя, обладающего, преимущественно, керамической структурой, и пластичного тыльного слоя, содержащего, в основном титан (титановый сплав). Фронтальный и тыльный слои прочно связаны между собой металлической связью. Сочетание в одном композиционном материале дисперсно-упрочненного металла слоев и многослойной структуры позволяет получить материал, сочетающий в себе положительные аспекты двух видов. Характер свойств готового материала определяется также дисперсией и размером фаз внедрения (карбид -, нитрид -, борид – содержащих композиций) в матрицу сплава. При получении материала размер и объем дисперсной фазы может задаваться искусственно. Высокая дисперсия прочных тугоплавких включений позволяет получить высокую прочность материала, не приводя к излишней хрупкости.
В соответствии с частным случаем, фронтальный слой обладает твердостью не менее 58 HRC, а, в совокупности с иным частным случаем, толщина фронтального слоя составляет от 0,3 до 0,8 от общей толщины переднего слоя бронепреграды, т.е. монолитного гетерогенного листа из титанового материала. Авторами экспериментально установлено, что выполнение фронтального металлического слоя твердостью менее 58 HRC и толщиной меньшей, чем 0,3 от толщины гетерогенного монолитного листа не обеспечивает разрушение баллистических поражающих элементов, имеющих высокую твердость. Выполнение фронтального слоя большей толщины, чем 0,8 от толщины монолитного листа, хотя и обеспечивает разрушение сердечника пули, приводит к значительному снижению сопротивления разрушению тыльного слоя.
Титановый сплав тыльного слоя состоит из не модифицированного титанового сплава. Для целей настоящей полезной модели, титановый сплав обладает относительно высокой пластичностью и хорошо подвержен термообработке.
В соответствии с частным случаем выполнения, применяют титановые сплавы с твердостью до 40 HRC. Превышение указанного значения по твердости, может привести к снижению пластичности материала тыльного слоя, способствуя образованию трещин при многократном воздействии ударных нагрузок на передний слой устройства.
Применение подложки для переднего слоя бронепреграды позволяет удерживать остатки продуктов взаимодействия баллистических поражающих элементов при их взаимодействии с передним слоем бронепреграды.
В нескольких частных случаев раскрыта конструкция устройства, в которых описана возможность выполнения подложки бронепреграды из металла, органического композитного соединения на основе высокомодульной органической ткани. Применение указанных материалов, как в отдельности, так в совокупности, в частности посредством их послойного чередования, позволяет эффективно удерживать продукты взаимодействия баллистических поражающих элементов с передним слоем бронепреграды. Целесообразно применение для металлической части подложки металлов и сплавов, обладающих высокой пластичностью.
3
Ряд частных случаев предусматривает возможность использования в качестве керамических соединений нитридов, карбидов, карбонитридов, боридов титана. Проявляемая реакционноспособность титана с азотом, углеродом, бором основана на том, что титан является сильнейшим карбидооброзователем (Саррак В.И. Хрупкое разрушение материалов. УФН, т. LXVII, вып. 2, февраль 1959 г., стр. 338-361), он может составить очень твердую двухфазную эвтектику TiC по типу карбида железа FeC (цементит) с титаном в качестве матрицы. Нитрид титана и карбонитрид титана образуется по такой же схеме и имеет близкие свойства. В основе прочности керамики и металлической матрицы лежат разные физические явления. Прочность керамики обусловлена энергетикой образования свободной поверхности (теория Гриффита), металлической матрицы наличием дислокации, но оба механизма связаны с величиной зерна, чем оно меньше, тем материал прочней (Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами. В.П. Жедь и др. Справочник. М., Машиностроение, 1987 г.).
x
x
x
y
z
x
y
x
Керамические включения в модифицированном слое состоят из TiN и/или TiC и/или TiNC. В частном случае, керамические включения могут быть образованы соединением титана с бором (TiB, TiB). Азот- и/или углеродсодержащие и/или борсодержащие соединения, при имплантировании в титановую матрицу в процессе кристаллизации образуют высокодисперсные тугоплавкие соединения с титаном. При механическом воздействии на материал, содержащий в составе стабильные соединения титана с азотом и/или углеродом, сопротивление пластической деформации происходит за счет торможения дислокаций на препятствиях в виде наноразмерных частиц. Образование указанных соединений происходит через их выделение из пересыщенного твердого раствора, образующегося в процессе переплава.
В соответствии с одним из частных случаев, фронтальный слой бронепреграды дополнительно содержит соединения титана с бором. Добавления диборида титана во фронтальный слой монолитного гетерогенного листа, т.е. переднего слоя, из титанового материала повышает его твердость на 5-15% при незначительном снижении вязкости, что благоприятно влияет на устойчивость бронепреграды к воздействию баллистических средств поражения, имеющих в конструкции элементы с повышенной твердостью.
Применение облицовки для покрытия переднего слоя бронепреграды позволяет значительно снизить вредоносное воздействие от возможного разлета осколков керамического слоя и баллистического поражающего элемента, гасит их кинетическую энергию, а также формирует наружную поверхность требуемого качества.
Раскрытый в частном случае выполнения зазор увеличивает бронестойкость броневой преграды при воздействии броневых поражающих элементов, в частности при воздействии бронебойных пуль до 20%, за счет того, что монолитный гетерогенный титановый лист, т.е. передний слой принимает на себя основной импульс поражающего средства (пули), причем происходит дестабилизация бронебойного сердечника в направления вектора скорости. При этом подложка удерживает потерявший первоначальную ориентацию бронебойный сердечник или его фрагменты. Величина зазора и способы его реализации определяется из конструктивных соображений. Экспериментальным путем авторами установлено, что положительный эффект от наличия зазора начинает проявляться при его величине от 10 мм.
Примеры выполнения настоящего технического решения показаны на следующих фигурах.
Фиг. 1 - многослойная бронепреграда, содержащая металлическую подложку.
Фиг. 2 - многослойная бронепреграда, содержащая комбинированную подложку, дополнительно снабженная воздушным зазором.
Фиг. 3 - многослойная бронепреграда, содержащая металлическую подложку, дополнительно снабженная воздушным зазором.
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 - фронтальный слой монолитного гетерогенного титанового листа;
2 - тыльный слой;
3 - зазор;
4 - металлическая подложка;
5 - слой подложки из баллистической ткани;
6 - наружная облицовка.
Промышленную применимость бронепреграды по настоящей полезной модели подтверждают опытные данные. Реализация бронепреграды подтверждается следующими примерами выполнения.
В общем случае, монолитная бронепреграда состоит из переднего слоя, выполненного в виде монолитной гетерогенной пластины, изготовленной из псевдо- β-титанового сплава. Фронтальный слой 1 состоит из мелкодисперсного нитрида титана в титановой матрице твердостью 62 - 65 HRС. Тыльный слой 2 состоит из титанового сплава твердостью 31-33 HRC. Подложка 4 выполнена из алюминиевого сплава АМГ-6. Общий пример выполнения приведен на Фиг. 1.
3
Кроме того, бронепреграда может быть изготовлена в виде монолитной гетерогенной пластины из псевдо- β-титанового сплава, плотностью 4,5 г/см, толщиной 6,7 мм. Фронтальный композитный слой 1 толщиной 3,2-3,5 мм, состоит из мелкодисперсного нитрида титана в титановой матрице, твердостью 62 - 65 HRС. Тыльный слой 2 - титановый сплав толщиной 3,2-3,5 мм, твердостью 31-33 HRC.
3
2
Подложка 4 выполнена из алюминиевого сплава АМГ-6, плотностью 2,64 г/см, толщиной 4 мм и пакета 5 баллистической ткани Тексар ТТ (тварон, плотность 255±8 г/м), состоящей их 14 слоев, толщина пакета 6 мм. Передний слой бронепреграды дополнительно покрыт наружной облицовкой.
2
Толщина данной многослойной преграды находится в пределах 18 мм, поверхностная плотность составляет 44кг/м. Пример данной конструкции бронепреграды показан на Фиг. 2.
Многослойная бронепреграда была испытана двумя выстрелами из СВД калибра 7,62 мм, тип пули Б-32, скорость подхода первой пули - 776 м/с, второй - 803 м/с, дистанция 10 м, нормаль, нутация = 0, температура комнатная. Выстрелы были произведены на расстоянии между собой 50 мм.
При обследовании многослойной бронепреграды установлено, что бронепреграда не пробита на сквозь. Сердечники разрушены, а их остатки застряли в первом алюминиевом слое подложки.
Указанная многослойная бронепреграда обеспечивает защиту от нескольких пуль Б-32 калибра 7,62 СВД, при расстоянии между попаданиями в объекте не менее 35 мм.
Применение гетерогенной пластины на основе титанового сплава в многослойной бронепреграде вместо керамики дает значительное снижение цены, например относительная стоимость конструкций элементов из титана будет более чем в два раза ниже по сравнению с конструкциями аналогичного назначения с применением карбида кремния.
Авторами также приведен иной пример реализации бронепреграды.
Многослойная бронепреграда, состояла из первого слоя, т.е. монолитного гетерогенного титанового листа и расположенной с зазором 40 мм от него подложки (листа толщиной 10 мм из конструкционной стали низкой прочности). Исходная номинальная толщина гетерогенного титанового листа 10 мм. Фронтальный слой листа выполнен с твердостью 62-64 HRC, толщиной 5 мм в виде композитного материала, содержащего дисперсные керамические соединения нитрида титана. Тыльный слой выполнен с твердостью 33–35 HRC.
Многослойная бронепреграда была испытана двумя выстрелами из баллистического ствола Левашова, калибра 12,7 мм, тип пули Б-32, скорость подхода первой пули – 719 м/с, второй – 726 м/с, дистанция 10 м, нормаль, нутация = 0, температура комнатная.
По проведенным испытаниям, были достигнуты следующие результаты. В обоих случаях зафиксировано пробитие первого слоя бронепреграды и не пробитие металлической подложки. Пуля разрушена на множество мелких фрагментов, которые на 1-3 мм внедрились в сталь. Кратер на стали отсутствуют. Видимый откол на фронтальной поверхности титанового листа представлял воронку глубиной до 5 мм в радиусе 15-18 мм от точки попадания.
В ином примере выполнения, многослойная бронепреграда была выполнена по аналогии с приведенным выше примером.
Многослойная бронепреграда была испытана двумя выстрелами высокоскоростными осколками, изготовленными из твердосплавного материала массой 2 г. Скорость подхода первого осколка 1980 м/сек, второго - 2120 м/сек.
Результаты испытаний. В обоих случаях зафиксировано не пробитие монолитного гетерогенного титанового листа. Видимый откол на фронтальной поверхности титанового листа представлял воронку глубиной до 4 мм в радиусе 8-11 мм от точки попадания.
Проведенные испытания на моделях подтвердили заявляемый технический результат.
Необходимо понимать, что изделия по настоящей полезной модели могут быть реализованы в виде разнообразных воплощений. Приведенные в описании воплощения во всех отношениях следует рассматривать только как иллюстративные, а не ограничительные, и границы настоящего изобретения определяются приведенными пунктами формулы изобретения.