МНОГОСЛОЙНАЯ БРОНЯ ДЛЯ БРОНЕЖИЛЕТА

Предлагаемое техническое решение относится к броневым преградам и может быть использовано для изготовления средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) (бронежилеты, бронещиты, броненакладки, бронеплитки и др.) от бронебойных пуль стрелкового оружия.
Анализ, проведенный авторами монографии (Григорян В.А, Кабылкин И.Ф и др. «Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования». 2008 г. - 406 с в главе 7 «Анализ противопульной стойкости многослойных преград с внешним керамическим слоем».) показал, что броневая панель должна обладать двумя важными свойствами, а именно, высокой твердостью поверхностного слоя, способного разрушить острый нос термоупрочненного стального сердечника, и необходимой вязкостью металла тыльной стальной броневой панели, достаточной для поглощения энергии удара пули без разрушения стальной броневой панели. В работе (В.С. Селиверстов «Оценка и оптимизация стойкости к пробитию многослойных преград», (vniitf.ru›rig/konfer/6zst/dokl/sec1/34.pdf) показано, что в многослойной композиции слои должны идти по возрастанию величины «предельной скорости пробития» от внутреннего слоя к наружному, т.е. наружный слой должен иметь максимально предельную скорость пробития.
2
Такой подход к созданию многослойной композиции реализован в техническом решении (патент на полезную модель №9519 по заявке 98102608 от 17.02.1998 г., «Тонкая слоистая металлическая броня»). Броня состоит их двух слоев металла соединенных между собой, и тканевого пакета. Первый наружный слой имеет твердость, выше твердости материала пули. Второй -внутренний слой металла, имеет твердость ниже твердости металла наружного слоя, а так же толщину существенно ниже толщины первого слоя. Броня имеет поверхностную плотность 40-45 кг/м и класс защиты от пуль калибра 5,45-мм патрона 7Н10 с пулей ПП с термоупрочненным стальным сердечником автомата АК-74, что соответствует 4 классу защиты по ГОСТ Р 50744-95 с Изменениями №1, 2, 3.
Недостатком данного технического решения заключается в том, что броневая панель не монолитна, наружный и внутренний слой соединены между собой склеиванием, что приводит к снижению защитного действия поверхностного слоя.
Известно техническое решение (патент RU №2296288, заявка: 2005117979 от 10.06.2005, «Многослойная бронепреграда для средств индивидуальной защиты»). Данное техническое решение содержит бронепанель из высокопрочной конструкционной стали, на тыльной стороне расположен слой тканевого бронепакета - ТСВМ, на лицевой стороне бронепанели размещен подслой из никель-алюминиевого сплава марки ВКНА толщиной 0,1-0,15 мм и наружный слой керамики из оксида алюминия или карбида кремния, или карбида бора толщиной 1,5±0,2 мм. Кроме этого, подслой из никель-алюминиевого сплава и слой керамики нанесены на поверхность бронепанели методом плазменного напыления с использованием порошка фракцией 20-100 мкм, бронепанель термически обработана на конечные свойства с твердостью 52-57 ед. по Роквеллу, а твердость наружного слоя керамики составляет 3000-5000 ед. по Викерсу, наружный слой керамики представляет собой монолитную поверхность с одинаковой противопульной стойкостью по всей площади. Многослойная бронепреграда обеспечивает пятый класса защиты по ГОСТ Р 50744-95 с Изменениями №1, 2, 3. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком данного технического решения является то, что наружный слой керамики при баллистическом воздействии имеет большую область разрушения, что значительно снижает такой показатель броневой панели, как живучесть, т.е. способность бронепанели обеспечивать защиту при многократном попадании в панель без пробития Задачей заявляемого технического решения является повышение защитного действия многослойной брони для бронежилета.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в увеличении времени сохранения жесткости слоя броневой керамики превышающей контактное давление сердечника в процессе взаимодействия сердечника с керамическим слоем, и как следствие, более интенсивное срабатывание сердечника, уменьшении явления выпучивания тыльного слоя бронепанели из высокопрочной конструкционной стали, повышение живучести броневой преграды для бронежилета.
2
Технический результат достигается заявляемой многослойной броневой преградой для бронежилета содержащей бронепанель из высокопрочной конструкционной стали, на тыльной стороне которой расположен слой тканевого бронепакета - ТСВМ, на лицевой стороне бронепанели размещен подслой из никель-алюминиевого сплава и броневой слой керамики из оксида алюминия или карбида кремния, или карбида бора, при этом броневой слой керамики имеет толщину 2,5-3,5 мм состоит из отдельных элементов, расположенных в ячейках образованных на поверхности броневой панели, высота стенок ячеек ровна толщине слоя керамики, на слое керамики расположен слой наружной облицовки из высокопрочного сплава, имеет толщину 1,5-3,5 мм, и твердость по Роквеллу 65-68 HRC, МПа, подслой из никель-алюминиевого сплава имеет толщину 0,25-0,50 мм, бронепанель из высокопрочной конструкционной стали имеет толщину 2,20-6,50 мм, твердость по Роквеллу НКС 54 - 58 НКС, и ударную вязкость KCU (120-250) Дж/см. Кроме этого, слой никель-алюминиевого сплава, броневой слой керамики и облицовочный слой из высокопрочного сплава нанесены на поверхность броневой панели методом плазменного напыления, стенки ячеек сформированные на броневой панели наплавлены из высокопрочного сплава.
2
стенки ячеек разделяющих броневой слой керамики имеют форму треугольника с основанием 1,0-2,5 мм, или форму прямоугольника с толщиной стенки 0,5-1,5 мм, стенки ячеек на броневой панели образованы приваренной сеткой из высокопрочного сплава, элементы броневой керамики имеют площадь от 220 до 2500 мм, элементы броневой керамики имеют различную площадь, элементы с меньшей площадью расположены в центре броневой панели, с большей площадью на периферии броневой панели, элементы броневой керамики имеют равную площадь, на всей площади броневой панели, броневая керамика имеет микротвердость слоя не ниже 3000 ед. по Виккерсу, слой наружной облицовки выполнен из высокопрочного сплава, коэффициент термического расширения (КТР) которого больше КТР слоя броневой керамики.
В работе (Григорян В.А, Кабылкин И.Ф и др. «Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования». 2008 г. - 406 с), в главе 7 «Анализ противопульной стойкости многослойных преград с внешним керамическим слоем» на стр. 165 приведена качественная зависимость (рис. 6.3) изменения твердости керамики (жесткости слоя броневой керамики) и контактного давления создаваемого сердечником от времени в процессе проникновения его в керамическую преграду.
Исходя их данных условий, должны формулироваться требования к свойствам наружного поверхностного слоя. Поверхностный слой, в этом случае, должен не только разрушать сердечник при его проникновении через данный слой, но и как можно больше времени сохранять поврежденный слой керамики жестким до такой степени, что бы жесткость керамического слоя превышала контактное давление сердечника и не возможным было его проникание через слой керамики.
При встрече сердечника пули с многослойной преградой, происходит жесткое баллистическое взаимодействие, головной части сердечника с наружным облицовочным слоем, имеющим твердость сравнимую с твердостью сердечника. В момент соударения выделившееся тепло не может быть мгновенно отведено в облицовку и в тело сердечника. Такой тепловой удар приведет к изменению структуры поверхностного слоя головной части сердечника и внутренних поверхностей пробиваемого отверстия с образованием множества полос адиабатического скольжения. Глубина проникновения таких полос может достигать нескольких десятков микрон. Произойдет изменение структуры поверхностного слоя материала сердечника, в нем образуются множество субмикротрещин и полос скольжения, т.е. его механические свойства снизятся. Данная структура обладает повышенной хрупкостью.
При встрече с более твердым керамическим слоем, сердечник испытает еще более жесткий удар, чем при встрече с облицовочным слоем, к этому времени контактная поверхность поверхности будет иметь плоскую контактную поверхность, следовательно, при соударении возникнут волны сжатия и растяжения в теле сердечника. В этом случае возможно разрушение сердечника на несколько отдельных частей. Такой вариант возможен, если удар произойдет о слой керамики имеющей твердость выше твердости сердечника пули. Что бы произошло такое разрушения слоем керамики толщиной 2,5-3,5 мм, необходимо иметь жесткую подложку с высокими физико-механическими свойствами. Чем меньше будет выпучивание подложки, тем жестче произойдет удар сердечника о броневую керамику, тем больше вероятность разрушения сердечника на отдельные фрагменты и срабатывание фрагментов сердечника до момента, когда жесткость керамического слоя станет равной контактному давлению создаваемым сердечником. При наличии поверхностных адиабатических полос скольжении будет происходить интенсивное срабатывание сердечника. Жесткость разрушенного керамического слоя достигается тем, что внешний слой облицовки, внутренний слой броневой панели и стенки буртов ограничивают площадь разрушения, будут препятствовать увеличению объема разрушенного слоя керамики. Высокая адгезия на межмолекулярном уровне между всеми слоями композиции броневой преграды повысит жесткость тыльного слоя и уменьшит образование выпучены. Поэтому слои, между которыми располагается слой броневой керамики, должны обладать высокой, твердостью, ударной прочностью, высоким пределом прочности на изгиб. Свойства материалов в композиционной преграде и их геометрические параметры подобраны таким образом, чтобы происходило срабатывания сердечника полностью или он должен распадаться на мелкие части. Оставшиеся мелкие фрагменты сердечника легко задерживаются тыльной броневой панелью, так как их масса и скорость значительно уменьшаются. Тем не менее, конструктивно толщина внутреннего слоя броневой панели берется с некоторым увеличением, с целью уменьшения образования выпучены.
Промежуточный слой никель-алюминиевого сплава, между слоем броневой керамики и броневой панелью увеличен до 0,25-0,50 мм, с целью уменьшения термических напряжений в слое броневой керамики и, по возможности, образования тыловой откольной части в слое броневой керамики при соударении сердечника о слой броневой керамики.
Основная задача броневого тыльного слоя заключается в высоком сопротивлении образования выпучены, и задержке мелких частиц керамики и фрагментов сердечника. Исходя из данных задач была определена толщина слоя и его физико-механические свойства.
Наличие на броневой панели образующих сетки из наплавленных буртов или приваренной проволоки позволяет увеличить живучесть многослойной броневой преграды.
Броневая панель работает следующим образом. При попадании, по нормали к поверхности бронежилета, пули с термически упрочненным стальным сердечником, последний взаимодействует с бронеприградой. Процесс взаимодействия характеризуется следующими этапами. Головная часть сердечника пули с твердостью 54-58 HRC, имеющая остроконечную головную часть, пробивает облицовочный слой из высокопрочного сплава большей твердости (твердость облицовочного слоя бронепреграды HRC 65-68) и ударяется в броневой слой, выполненный из керамики. Стальной сердечник последовательно разрушается. Слой керамики также разрушается на отдельные фрагменты. Из-за невозможности удаления фрагментов керамического слоя, он расположен между облицовочным слоем и бронепанелью, керамический слой
сохраняет свою геометрическую целостность.
Предлагаемое техническое решение реализуется следующим образом.
На лицевую поверхность бронепанели термообработанной на конечные свойства на специальной наплавляются сетка сетки из высокопрочного сплава высотой 1,5-3,5 мм. Сетка может быть сформирована и другим способом, например точечной приваркой проволоки из высокопрочной стали. Далее плазменным методом, путем сканирования поверхности, наносится слой никель -алюминиевого металла, а затем слой керамики из порошков оксидов или карбидов фракцией не более 100 микрон. После нанесения слоя керамики повторно наносится слой из порошков металлов, образующих в процессе напыления слой 1,5-3,5 мм из высокопрочного сплава.
Проведена оценка живучести многослойной брони в зависимости от размера площади элемента броневой керамики, с уменьшением площади живучесть броневой панели увеличивается.
пор
Результаты испытаний образцов броневых плиток (размер 120×120 мм) с многослойными покрытиями изготовленными по варианту прототипа и предлагаемому техническому решению представлены в таблице 1. В каждую плитку производился один выстрел. Сравнение производили по трем плиткам, Определялась площадь S разрушенного покрытия и пробитие плитки.
Повышение защитных свойств бронепанели и живучести многослойной преграды по предлагаемому техническому решению с лицевым слоем из высокопрочного сплава, слоя керамики связующим подслоем из никель-алюминиевого сплава и броневой панели на поверхность которой нанесена сетки наплавкой высокопрочного сплава, можно объяснить высоким сопротивление разрушению слоя керамики. Производство многослойной брони по предлагаемому техническому решению может быть осуществлено на действующих машиностроительных и металлургических заводах.