СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУРИРОВАННОЙ КЕРАМИЧЕСКОЙ БРОНИ И БРОНЯ, ПОЛУЧЕННАЯ ТАКИМ СПОСОБОМ
METHOD TO MANUFACTURE STRUCTURED CERAMIC ARMOUR AND ARMOUR PRODUCED BY THIS METHOD

Группа изобретений относится к композитным керамическим броневым конструкциям, которые могут использоваться в качестве средств защиты как авиационной техники, так и других транспортных средств и защитных сооружений, а также в качестве индивидуальных защитных средств от высокоскоростных кинетических снарядов, и способу их изготовления.
Из уровня техники известно устройство дискретно-композитной броневой пластины для поглощения и рассеивания кинетической энергии высокоскоростных снарядов. Указанная пластина содержит одинарный внутренний слой керамических гранул, которые объединены и находятся в упругом эластичном материале таким образом, что в нескольких разнесенных друг от друга рядах и столбцах гранулы взаимосвязаны. При попадании снаряда в гранулу она контактирует с четырьмя соседними гранулами из соседних рядов и столбцов, которые ее удерживают, воспринимая на себя часть передаваемой энергии. Рассеяние происходит путем передачи взаимодействия от первой гранулы, в которую направлен удар снаряда, к периферийным гранулам из отдаленных рядов и столбцов (US 7117780, МПК F41H 5/02, опубликован 10.10.2006).
Недостатком такого устройства является большое, в сравнении с керамическим моноблоком, запреградное смещение дискретной композитной панели в силу невысокой эффективности процесса поглощения энергии снаряда. Это делает ее малоприменимой для средств индивидуальной бронезащиты. Дискретная композитная броня, в основном, применяется для защиты наземных транспортных средств.
В качестве ближайшего аналога выбрано известное устройство керамической брони, в котором баллистическая структура, обеспечивающая защиту от снаряда, состоит из цельной монолитной керамической пластины, имеющей выпуклую лицевую и вогнутую тыльную сторону, и первоначальной группы отверстий (щелей) шириной, меньше или приблизительно равной 1/10 толщины этой пластины, проходящих по всей глубине пластины и имеющих некоторую длину отверстия. Упомянутая группа отверстий образует первоначальный узор (паттерн), состоящий из системы двумерных многоугольников, впечатанных в выпуклую лицевую сторону пластины. Каждый многоугольник первоначального типа ограничен прямыми линиями и вершинами так, что конечные точки каждой прямой не пересекаются с конечными точками смежных прямых. Таким образом, стороны каждого многоугольника первого типа остаются открытыми при каждой вершине, а первоначальные смежные многоугольники пересекаются в одной или более чем в одной вершине, а первоначальный узор делит пластину на множество баллистических сегментов с целью не допустить распространения трещин от снаряда на соседние сегменты и обеспечить защиту против второго снаряда. Щели в указанном устройстве создают, например, гидроабразивной или лазерной фрезеровкой, тем самым формируя указанные многоугольные сегменты. Известная керамическая броня может служить вставкой в бронежилет, предназначенный для защиты от поражающих элементов (снарядов), в частности легкого стрелкового оружия (US 7617757, МПК F41H 5/08, опубликован 17.11.2009).
Недостатком ближайшего аналога является то, что для единичного сегмента, подвергшегося воздействию кинетического снаряда, поглощение энергии происходит аналогично единичной керамической плитке сравнимого размера в мозаичной бронеплите, т.е. без увеличения эффективности процесса поглощения, поскольку структура сегмента однородна.
Другим недостатком ближайшего аналога является сложность и высокая стоимость затрат на осуществление способа получения в цельной монолитной керамической пластине щелей, предназначенных для формирования вышеописанных многоугольных сегментов. Особенно это относится к изготовлению крупноформатных объемно-криволинейных монолитных керамических броневых устройств.
Техническим результатом для объекта «устройство» является повышение надежности в эксплуатации, иными словами «живучести», керамической брони при многократных попаданиях в нее поражающих средств благодаря обеспечению эффективности поглощения и рассеяния энергии кинетического снаряда при взаимодействии с броней, обусловленных ее внутренней структурой, обеспечивающей управляемое разрушение керамической матрицы в процессе взаимодействия с кинетическим снарядом.
Техническим результатом для объекта «способ» помимо вышеназванного (для объекта «устройство») является упрощение процесса формирования брони с одновременным сокращением затрат на внедрение этого изделия, включая производство этого изделия в виде крупноформатных объемно-криволинейных монолитных керамических броневых элементов.
Названный технический результат достигнут в объекте изобретения «способ» с помощью следующей совокупности признаков.
Способ изготовления брони, выполненной в виде структурированной керамической панели, заключается в том, что в листовом элементе в заданных местах выполняют разрезы и/или прорези, после чего его подвергают непрерывной (без разрушения структуры листового элемента) деформации с получением пространственной конструкции и фиксируют последнюю в деформированном положении. Затем полученную пространственную конструкцию помещают в пресс-форму, которую заполняют керамической массой таким образом, чтобы она полностью (со всех сторон) закрывала указанную пространственную конструкцию. После этого обычным путем осуществляют керамизацию заготовки с получением брони, имеющей заданную топологию структурной неоднородности, которая обусловлена формой вышеназванной пространственной конструкции.
В соответствии с вариантом осуществления способа до керамизации заготовку могут подвергать прессованию.
Также, в соответствии со следующим вариантом осуществления способа, спрессованную заготовку могут подвергать обжигу, при этом обжиг ведут в воздушной среде при температуре 1100÷2700°С.
На листовой элемент перед образованием разрезов могут наносить, в том числе напылением, реакционноспособные в отношении керамической массы вещества.
Согласно варианту осуществления предложенного способа керамическую массу выполняют на основе вяжущих цементов.
В качестве материала для листового элемента могут использовать водорастворимую бумагу.
Названный технический результат достигнут в объекте изобретения «устройство» с помощью следующей совокупности признаков.
Броня выполнена в виде структурированной керамической панели с заданной топологией структурной неоднородности, полученной путем предварительного заключения внутрь панели пространственной конструкции, выполненной из листового элемента с проделанными в нем разрезами и подвергнутого непрерывной деформации с образованием между этими разрезами отверстий, заполненных в процессе формирования панели керамической массой.
Листовой элемент может быть выполнен из бумаги или картона толщиной 50÷3000 мкм.
Кроме того, листовой элемент может быть выполнен из водорастворимой бумаги.
Также, в соответствии с другим вариантом выполнения брони, листовой элемент может быть выполнен из полимерной пленки толщиной 25÷500 мкм.
Кроме того, листовой элемент может быть выполнен из волокнисто-керамического ровинга или из тонко- или толстолистового керамического сырья.
Согласно варианту брони, в листовом элементе может быть выполнена перфорация.
Изобретение поясняется чертежом и фотографиями.
На фиг.1(а, б, в) показаны некоторые из вариантов форм разрезов и прорезей, образованных в листовом элементе; на фото 1(а, б, в) показана последовательность получения из листового элемента пространственной конструкции; на фото 2(а, б, в, г) показан вариант осуществления способа получения брони.
Листовой элемент 1 выполняют, например, из плоского волокнисто-керамического ровинга, тонко- или толстолистового керамического сырья, бумажного листа, ткани, пленки или комбинации указанных материалов. До выполнения разрезов на листовой элемент могут наносить, в том числе путем напыления, реакционноспособные в отношении керамической массы вещества.
В листовом элементе 1 выполняют разрезы и/или прорези 2 (фиг.1a; фото 1а). Листовой элемент 1 с разрезами и/или прорезями 2 подвергают непрерывной, т.е. без разрывов, пространственной деформации путем осуществления одной из нижеперечисленных операций: сдавливания, растягивания, скручивания, изгибания или совмещения некоторых из перечисленных операций. Деформация, как указывалось, ведется без разрывов элемента 1 по линиям разрезов и/или прорезей.
Показанный на фото 1 листовой элемент 1 подвергают деформации путем его растягивания в ширину с образованием пространственной конструкции 3 (фото 1б), которую фиксируют механическим путем или с помощью подходящего для этих целей вещества, например компаунда, клея и т.п. (фото 1в). После чего зафиксированную пространственную конструкцию 3 помещают в пресс-форму (фото 2а).
В пресс-форму подают сухой порошкообразный или мокрый субстрат 4, содержащий керамическую массу (в т.ч. вяжущие цемента), который заполняет пресс-форму вместе с указанной пространственной конструкцией 3 (фото 2б). Полученную заготовку 5 могут подвергать прессованию или иному механическому воздействию, например вибрации, которое компактизирует субстрат 4 с целью получения керамического компакта (фото 2в).
Керамический компакт 6, в зависимости от рецептуры субстрата и процесса керамизации, может быть подвергнут или не подвергнут обжигу. После завершения процесса керамизации получают керамическую броню с заданной топологией структурной неоднородности (фото 2г).
При деформации листового элемента 1, имеющего разрезы, образуется регулярная структура, которая после описанных выше процедур формирования компакта образует в керамическом компакте 6 топологическую структуру пространственно связанных неоднородностей. Указанные неоднородности в монолитном броневом элементе являются зоной управляемого разрушения в процессе диссипации энергии удара кинетическим снарядом. Это происходит вследствие того, что скорость распространения упругих колебаний в керамическом монолите дифференцирована по значению (выше или ниже) в матрице и в зоне неоднородности.
На границах участков монолита с разным акустическим импедансом происходит ударно-волновая интерференция упругих колебаний. Управление интерференцией производится за счет задания в керамической матрице топологии структурной неоднородности. При этом удается получить оптимальное значение размеров и форм регулярных структур неоднородностей в керамическом монолите.
На фиг.1 показаны некоторые варианты разрезов и/или прорезей, обеспечивающих последующую деформацию листового элемента 1, для получения керамической брони с заданной топологией структурной неоднородности. Например, на фиг.1а показана плоскостная фигура с параллельными разрезами и прорезями 2, подобная образцу, показанному на фото 1, а также с наличием дополнительных перфораций 7, предназначенных для получения крупных регулярных сегментов для деталей изделия среднего и большого формата, подобного представленному выше ближайшему аналогу.
Технический результат изобретения для брони обеспечивается благодаря управляемому разрушению единичных сегментов, для чего используются, в частности, плоскостные фигуры с прямолинейными прорезями 8 или прорезями в виде логарифмической спирали 9, подобные тем, что показаны на фиг.1б и фиг.1в соответственно, позволяющие получить в процессе взаимодействия брони с кинетическим снарядом динамическое возникновение субструктурных элементов керамической матрицы с поведением, подобным указанному ранее ближайшему аналогу. При этом в предложенной монолитной керамической броне с заданной топологией структурной неоднородности обеспечивается минимизация запреградного смещения.
Примеры реализации способа.
Пример 1.
В этом примере листовой элемент выполняли из бумаги или картона. Керамическую броню с заданной топологией структурной неоднородности против воздействия термоупрочненных и бронебойных ударников получали путем установки над нижним пуансоном пресс-формы размером 240×144 мм непрерывно деформированного листового элемента с разрезами, выполненного из бумаги или картона. Толщина листового элемента для ударников калибром 7,62 мм составляла около 150 мкм, а для ударников калибром 7,62 мм - около 3000 мкм. С помощью выбора бумажного или картонного листа различной толщины регулировали геометрические параметры области структурной неоднородности с учетом усадки керамического материала при спекании.
Пример 2.
В этом примере листовой элемент выполняли по керамической технологии тонко- или толстопленочного листа толщиной от 25 до 500 мкм. Аналогично примеру 1, в матрицу пресс-формы размером 240×144×12 мм устанавливали конструкцию в виде непрерывно деформированного листового элемента с разрезами толщиной около 150 мкм. На поверхность установленной в матрицу пресс-формы конструкции предварительно был нанесен реакционноспособный в отношении керамической массы порошок оксида магния (MgO).
2
3
Затем в снаряженную вышеописанным образом полость пресс-формы засыпали пластифицированный корундовый порошок материала АЛ-1 (97% оксида алюминия (AlO)) со средним размером зерна 2,5 мкм.
2
Под давлением от 0,6 т/см на верхний пуансон пресс-формы получали полуфабрикат, который в дальнейшем подвергали сушке при температуре 100°С.
2
3
2
Высушенный полуфабрикат обжигали в воздушной среде при температуре 1350°С до нулевой открытой пористости. В процессе обжига (спекания) временные структурные части листового элемента выгорали, обеспечивая заданные форму и размер сегментов керамического образца, а на их месте формировалась область структурной неоднородности из более прочного материала на основе AlO - TiO - MgO, чем основная матрица, что повысило прочность композита на 10÷30% (со 190 МПа до 230 МПа).
Пример 3.
В этом примере листовой элемент выполняли из водорастворимой бумаги. Этот пример характеризует безобжиговую технологию получения брони толщиной 50 мм, предназначенной против воздействия тяжелого ударника калибром 30 мм. Такую броню получали путем установки над нижним пуансоном матрицы 200×120 мм непрерывно деформированного листового элемента с разрезами, изготовленного из водорастворимой бумаги.
Затем в снаряженную вышеописанным образом полость пресс-формы заливали водный шликер керамического материала, соответствующий ГОСТ 5802-86, полученный на основе вяжущих цементов. В качестве дополнительных наполнителей использовали корундовые цильпебсы диаметром 5 мм и высотой 7 мм.