МНОГОСЛОЙНАЯ БРОНЕПРЕГРАДА
MULTI-LAYER ARMOURED BARRIER

Изобретение относится к броневым конструкциям, которые могут быть использованы в индивидуальных и транспортных средствах защиты от воздействия бронебойных пуль стрелкового оружия.
В настоящее время актуальной задачей является создание защитных устройств от пулевого воздействия с минимально возможными габаритно-массовыми характеристиками. Как правило, бронезащитные преграды представляют собой двух- или многослойную композиционную структуру. При этом основной, или фронтальный слой, принимающий на себя удар высокоскоростного поражающего элемента, формируется из металлических или керамических пластин, т.е. из материала, обладающего высокой твердостью и ударной вязкостью. Следующий наиболее значимый слой защитной преграды - это подложка. Она служит основанием для фронтального слоя. Главная функция подложки - это поглощение и частичное рассеивание энергии удара поражающего элемента, результатом которого является деформация твердого слоя. Обычно в качестве подложки используют металлы, стекло- или органопластики (т.е. ткани или композиционные материалы на основе стеклянных и синтетических волокон, пропитанных полимерными связующими). Например, известна многослойная бронепреграда для средств индивидуальной защиты (патент РФ 2296288 С2, F41H 1/02, F41H 5/04, 10.06.2005), которая содержит фронтальный керамический слой из оксида алюминия или карбида кремния или карбида бора, толщиной 1,5 мм, и подложку из высокопрочной конструкционной стали, снабженную тыльным слоем из тканевого бронепакета - ТСВМ. Изобретение направлено на создание многослойной бронепреграды, обеспечивающей защиту от пули Б3-43, по 5 классу защиты. Поэтому она не пригодна для защиты от бронебойных 7,62 мм пуль Б-32 летящих со скоростью до 840 м/с (6а класс защиты ГОСТ Р 50963-96).
Известен также бронезащитный элемент (патент РФ № 2072083 С1, F41H 1/02, F41H 5/04, 20.01.1997), содержащий керамический слой из оксида алюминия или карбида кремния или карбида бора, установленный на подложку, жесткость которой меняется от центра к краям: наименьшая в центре, наибольшая - в зоне шарниров, установленных по краям керамического слоя, и заключенных в вязкую на удар оболочку из композита или металла (сталь, алюминий) с образованием компактного блока, который может быть установлен на мягкую демпфирующую подкладку. Такой бронезащитный элемент не пробивается при поражении бронебойно-зажигательной пулей Б-32 калибра 7,62 мм со скоростью до 750 м/с (5а класс защиты ГОСТ Р 50963-96). Недостатком известного бронезащитного элемента является сложность его изготовления и ремонт, обусловленные в том числе наличием шарниров. Данный бронезащитный элемент не может быть применен по 6а классу защиты ГОСТ Р 50963-96 против бронебойных 7,62 мм пуль Б-32 с большей кинетической энергией, летящих со скоростью до 840 м/с.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является многослойная бронепреграда (патент РФ 2180426 С1, F41H 5/04, 10.03.2002), содержащая подложку из алюминиевого сплава АМГ6-М, слой керамических пластин из оксида алюминия, примыкающих одна к другой, и наружную облицовку. Керамические пластины скреплены с наружной облицовкой, подложкой и между собой в слое и в местах примыкания их торцов один к другому с помощью клея, а наружная облицовка выполнена из двух слоев ткани, например стеклоткани.
2
Недостатком данного изобретения является достаточно большая удельная масса (поверхностная плотность бронеэлемента ~53 кг/м при толщине керамического слоя 8 мм и толщине подложки 8 мм), что делает ее не пригодной для использования в средствах индивидуальной бронезащиты (СИБ). Также следует отметить, что в данном патенте соотношение толщины керамического слоя к толщине металлической подложки находится в диапазоне 0,8-1,2, а керамические пластины и подложка должны иметь толщину 7-8 мм. При толщине керамического слоя и подложки, равных 7 мм, бронепреграда имеет толщину 15 мм, и может обеспечить защиту, в лучшем случае по 5 классу защиты только по ГОСТ Р 50963-96.
В данном патенте не решена проблема защиты зоны стыков бронерегарады. Бронепреграда имеет двойные и четверные стыки. Четверные стыки наиболее опасны. Следует отметить, что при стрельбе по движущейся цели (транспортному средству или летящему вертолету) вероятность попадания пули в четверной стык пластин, при угле встречи пули с броней, близкому к нормали, к поверхности брони, весьма мала и полуразрушенная пуля, попавшая в стык, после того как пробьет броню транспортного средства, уже не нанесет особого ущерба. Однако для СИБ это не приемлемо, даже при минимальной ширине зазора между пластинами, попадание пули в четверной стык нанесет непоправимый ущерб здоровью человека.
Задачей, решаемой изобретением, является снижение массовых характеристик и повышение конструкционной прочности при сохранении защитных свойств многослойной бронепреграды.
2
Технический результат, полученный при использовании изобретения, выражается в обеспечении защиты объекта от нескольких бронебойных пуль Б-32 калибра 7,62 мм СВД, летящих со скоростями до 840 м/с, при расстоянии между попаданиями в объекте не менее 100 мм, что соответствует 6а классу ГОСТ Р 50744-95, ГОСТ Р 50963-96. Поверхностная плотность многослойной бронепреграды составляет не более 42-43 кг/м. Запреградное воздействие - не более 20 мм.
3
Поставленная задача достигается за счет того, что в многослойной бронепреграде, содержащей подложку из алюминиевого сплава, слой примыкающих друг к другу керамических пластин и наружную облицовку, причем керамические пластины скреплены с наружной облицовкой, подложкой и между собой в слое, в местах примыкания их торцов друг к другу с помощью герметика, керамические пластины выполнены из реакционно-связанного карбида кремния с плотностью 2,9-3,1 г/см, микротвердостью 26-29 ГПа. Керамические пластины в слое смещены относительно друг друга на половину их габаритного размера. На поверхность керамической пластины», которая механически обработана на толщину 0,05-1,5 мм, для снятия поверхностных концентраторов напряжения, нанесены насечки в виде сетки, для улучшения адгезии с подложкой. Толщина клеевого слоя между керамическими пластинами не превышает 0,4 мм. Облицовка выполнена из двух слоев высокомодульной органической ткани, пропитанной клеем на эпоксидном связующем.
Данное конструктивное решение и оптимальные характеристики керамики получены на основании большого числа экспериментов. В предложенной многослойной бронепреграде повышается эффективность работы керамического материала, который поглощает энергию сердечника пули за счет сочетания свойств, характерных только для реакционно-связанных материалов (высокая микротвердость, практически нулевая пористость, внутренние микронапряжения).
Элементарные представления о баллистическом сопротивлении керамики предполагают, что энергия пули затрачивается на деформацию и разрушение ударника, и разрушение керамики. Эффективность поглощения кинетической энергии пуль зависит от кинетики разрушения керамики, конфигурации возникающих трещин, размеров фрагментов и конфигурации области разрушенной керамики. Чем меньше фрагментация, количество трещин, выходящих на торцы керамических пластин и диаметр области разрушения, тем керамический материал эффективнее для брони.
3
Анализ баллистических испытаний показал, для реакционно-связанных керамических материалов при обстреле бронебойно-зажигательными 7,62 мм пулями Б-32 со скоростью до 840 м/с наблюдается дробление керамики на более мелкие фрагменты, а также уменьшение диаметра зоны разрушения, по сравнению со спеченной, горячепрессованной карбидокремниевой и алюмооксидной керамикой. Данное свойство самосвязанной керамики обусловлено внутренними микронапряжениями, которые возникают из-за разного ТКЛР расплава пропитывающего кремния и карбидокремниевой матрицы. Сочетание этого свойства реакционно-связанной керамики на основе карбида кремния с низкой плотностью 2,9-3,1 г/см, практически нулевой пористостью и высокой микротвердостью 26-29 ГПа, обеспечивает снижение поверхностной плотности многослойной бронепреграды по сравнению с прототипом, локализацию области удара, равномерное рассеивание энергии удара пули и уменьшение запреградного воздействия. Запреградное воздействие не более 20 мм, что делает ее пригодной для использования в СИБ.
При попадании пули в одну из керамических пластин происходит ее разрушение. Разрушение пластины сопровождается ударной и звуковой волнами. Расположение между керамическими пластинами слоя пластичного герметика, который выполняет функцию смазки как между самими пластинами, так и между керамическим слоем и подложкой, позволяет устранить трещинообразование на соседние керамические пластины. Чем меньше геометрические размеры керамической пластины, тем выше живучесть всей бронепреграды (т.е. количество попаданий на единицу площади). Оптимальные геометрические размеры пластин от 45*45 до 100*100 мм обеспечивают конструкционную прочность всего бронезащитного элемента от пуль Б-32 калибра 7,62 мм СВД, летящих со скоростями до 840 м/с, при расстоянии между попаданиями в объекте не менее 100 мм.
Смещением керамических пластин в слое относительно друг друга на половину их габаритного размера предотвращается образование наиболее уязвимых мест - четверных стыков (стыков четырех соседних пластин). Несмотря даже на самый минимальный зазор между пластинами, попадание пули в четверной стык приводит к пробитию всей конструкции. Уход от подобных стыков позволяет повысить конструкционную прочность бронепреграды и получить многослойную бронепреграду с одинаковой противопульной стойкостью по всей поверхности.
Внешний керамический слой должен обладать высокой твердостью, чтобы разрушить нос термоупрочненного стального сердечника пули Б-32. На поверхности пластин, получаемых методом реакционного связывания, могут оставаться дефекты (поры, раковины, микротрещины), в результате при попадании пули керамический слой может хрупко разрушаться, работая менее эффективно (чем меньше фрагменты керамики в пределах конуса разрушения, тем соответственно больше затраты энергии пули на ее разрушение). Механическая обработка поверхности керамической пластины на толщину 0,05-1,5 мм позволяет устранить все поверхностные дефекты. Для того чтобы при соударении пули с бронезащитным элементом керамический слой не отставал от подложки, для улучшения адгезии с подложкой и внешней облицовкой на поверхность керамических пластин дополнительно нанесены насечки в виде сетки (или она может обрабатываться пескоструйкой).
Подложка может выполняться как однослойной, так и многослойной, что позволяет более эффективно варьировать жесткостью и нерегулярностью поведения подложки и более эффективно затормаживать разрушенную пулю и осколки от разрушенной керамики за счет расслоения при ударе и последующей деформации каждого отдельного слоя с большей реализацией их прочностных свойств.
Облицовка, выполненная из двух слоев высокомодульной органической ткани, пропитанной клеем на эпоксидном связующем, исключает возможный разлет осколков керамики и пули и гасит их кинетическую энергию.
В зависимости от требуемой геометрии бронепреграды (например, для бронежилетов) керамические пластины и подложка могут выполняться с различной степенью кривизны.
2
Совокупность заявляемых признаков позволяет создать многослойную бронепреграду с поверхностной плотностью не более 42-43 кг/м, и запреградным воздействием - не более 20 мм, которая защищает объект от нескольких пуль Б-32 калибра 7,62 мм СВД, летящих со скоростями до 840 м/с, при расстоянии между попаданиями в объекте не менее 100 мм, что соответствует 6а классу ГОСТ Р 50744-95, ГОСТ Р 50963-96.
Заявляемая многослойная бронепреграда схематично изображена на фиг.1, где 1 - керамические пластины, 2 - подложка, 3 - пластичный материал, 4 - наружная облицовка. На фиг.2 показано как керамические пластины при раскладке смещены друг относительно друга на половину их габаритного размера с целью предотвращения образования стыков четырех соседних пластин.
3
Керамический слой 1 выполнен из реакционно-связанного карбида кремния с плотностью 2,9-3,1 г/см и микротвердостью 26-29 ГПа.
Прилегающая к керамическому слою подложка 2 может быть выполнена из:
1) металла (алюминиевого сплава АМГ6-М или титана ВТ1) или
2) органокомпозита (на основе высокомодульной органической ткани), или
3) комбинации вышеперечисленных материалов (градиентная, слоистая подложка).
Действие бронепреграды заключается в следующем: пуля внедряется в защитный слой наружной облицовки 4, пробивает его и вступает в контакт с одной из нескольких керамических пластин 1. При этом происходит разрушение до 80% пули и ее торможение. Керамическая пластина 1 разрушается, но разделительный слой 3 гасит энергию ударной и звуковой волны, что предотвращает разрушение соседних плиток 1. Наружная облицовка 4 удерживает осколки керамики и пули от разлета, тем самым устраняя обратный выброс. Подложка 2 окончательно гасит кинетическую энергию осколков пули и керамики, задерживая их внутри бронепреграды.
Промышленную применимость заявляемой бронепреграды подтверждают опытные данные. Для примера рассмотрим бронезащитный элемент заявляемой конструкции.
Пример 1
3
Керамические пластины 1 70*70*8 мм выполнены из реакционно-связанного карбида кремния с плотностью 2,9 г/см и микротвердостью 28 ГПа.
Подложка 2 органокомпозитная толщиной 10 мм.
С помощью герметика ВГО-1 пластины прикреплены к подложке.
Керамический слой 1 и подложка 2 заключены в наружную облицовку 4, которая выполнена из двух слоев высокомодульной органической ткани типа ТСВМ, пропитанной клеем на эпоксидном связующем.
Толщина бронезащитного элемента составляет 18 мм.
2
Поверхностная плотность бронезащитного элемента - 37 кг/м.
Бронезащитный элемент был испытан тремя выстрелами из СВД калибра 7,62 мм, тип пули Б-32, скорость подхода первой пули - 810 м/с, второй - 800 м/с, третьей - -803 м/с. Выстрелы были произведены на расстоянии между собой не менее 100 мм.
Запреградное действие после попадания первой пули - 18 мм, второй пули - 19 мм, третьей пули - 20 мм.
При обследовании бронезащитного элемента установлено, что бронезащитный элемент не пробит насквозь после трех попаданий, осколки керамики и пуль находятся внутри бронезащитного элемента.
Пример 2
3
Керамические пластины 1 100*100*8 мм выполнены из реакционно-связанного карбида кремния с плотностью 2,9 г/см и микротвердостью 28 ГПа.
Подложка 2 выполнена из алюминия (АМГ6-М) толщина 7 мм.
С помощью герметика ВГО-1 пластины прикреплены к подложке.
Керамический слой 1 и подложка 2 заключены в наружную облицовку 4, которая выполнена из двух слоев высокомодульной органической ткани типа ТСВМ, пропитанной клеем на эпоксидном связующем.
Толщина бронезащитного элемента составляет 16 мм.
2
Поверхностная плотность бронезащитного элемента - 43 кг/м.
Бронезащитный элемент был испытан тремя выстрелами из СВД калибра 7,62 мм, тип пули Б-32, скорость подхода первой пули - 805 м/с, второй - 813 м/с, третьей - -823 м/с. Выстрелы были произведены на расстоянии между собой не менее 100 мм.
Запреградное действие после попадания первой пули - 17 мм, второй пули - 17 мм, третьей пули - 19 мм.
При обследовании бронезащитного элемента установлено, что бронезащитный элемент не пробит насквозь после трех попаданий, осколки керамики и пуль находятся внутри бронезащитного элемента.
2
Опытная проверка подтвердила достижение указанного технического результата: указанный бронезащитный элемент обеспечивает защиту от нескольких пуль Б-32 калибра 7,62 СВД, летящим со скоростями до 840 м/с, при расстоянии между попаданиями в объекте не менее 100 мм. Поверхностная плотность бронезащитного элемента не более 43 кг/м. Запреградное воздействие не более 20 мм.