БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА С МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРОЙ, ВКЛЮЧАЮЩАЯ В СЕБЯ МНОЖЕСТВО ЖЕСТКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
BALLISTIC PROTECTION WITH MULTILAYER STRUCTURE, INCLUDING PLURALITY OF RIGID MEMBERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к структуре для изготовления баллистической защиты, в частности к многослойной структуре, объединяющей отдельные жесткие элементы.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области баллистической защиты известны текстильные структуры, останавливающие пули, выпускаемые из оружия; они, в основном, изготавливаются из волокон, обладающих высоким пределом прочности на разрыв, и текстильных структур, которые включают в себя, например: уточную и основовязаную ткань, однонаправленную ткань, ткань с волокнами различной направленности и т.д. Эти структуры могут быть использованы для изготовления жестких или эластичных баллистических защит, в соответствии с типом пули, которую требуется остановить.
Очень важно, чтобы баллистические структуры, направленные на защиту человека, не только останавливали пули, но также важно, чтобы удар от пули (и последующая вытекающая из этого деформация) не наносил существенных травм человеку, который ее носит: такие существенные травмы, при превышении допустимого порога, могут быть фатальными, или, в любом случае, не позволят человеку, носящему защиту, должным образом отреагировать на атаку, из-за сильного шока, испытываемого телом человека.
Эластичные структуры, в основном, используются в гражданских или военизированных областях для защиты от пуль, выпускаемых из ручного огнестрельного оружия. Эти пули легко деформируются и, следовательно, их проще остановить, также их коррелированная энергия и скорость, как правило, меньше 1500 Джоулей и 500 м/сек.
Эти эластичные структуры зачастую связаны с жесткими структурами существенно меньших размеров, если сценарий риска включает в себя также защиту от пуль, выпускаемых из винтовки, которые сложно деформировать и энергия которых даже выше 4000 Джоулей, а скорость больше 1000 м/сек.
Такие композитные структуры, очевидно, более тяжелые и не позволяют пользователю реагировать быстро.
В соответствии с решениями, известными в данной области техники, например, описанными в Международной патентной заявке WO2013/021401, Filli Citterio SpA, комбинация жесткой части, даже меньшего размера, с эластичной частью большего размера допускает высокую степень травматизма, но все же в приемлемых пределах.
Благодаря возможному устранению эластичных частей последующие недопустимые степени травматизма должны быть компенсированы путем введения дополнительных небаллистических элементов, которые, тем не менее, будут увеличивать вес.
Существует уже хорошо известная тенденция использовать лишь твердые пластины, защищающие от основного риска, хоть и на меньшей поверхности.
Тем не менее, несмотря на то, что в комбинации мягкой структуры/жесткой структуры степень травматизма может контролироваться благодаря мягкой структуре, там, где используется только жесткая структура, травма, наносимая пулей, выпущенной из винтовки, намного превышает допустимые значения.
Поэтому желательно обеспечить баллистическую структуру, способную обеспечить высокую сопротивляемость пробивке и уменьшенную деформацию (и результирующую травму), но в то же время обладающую ограниченным весом благодаря устранению небаллистических элементов.
ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является преодоление по меньшей мере некоторых проблем предшествующего уровня техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает способ и систему, определенные в прилагаемой формуле изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается баллистическая защита, содержащая множество отдельных жестких элементов, взаимодействующих, но не соединенных друг с другом, каждый из жестких элементов включает в себя множество слоев из высокомолекулярных полимеров, при этом по меньшей мере часть из множества слоев из высокомолекулярных полимеров по меньшей мере одного из жестких элементов включает в себя слоистые материалы из высокомолекулярных полиуретановых лент или полос в форме однонаправленных листов и по меньшей мере часть из множества слоев из высокомолекулярных полимеров по меньшей мере одного из жестких элементов включает в себя волокнистые слоистые материалы, пропитанные смолой, выполненные из высокомолекулярных полиэтиленовых волокон; отличающаяся тем, что: вес на единицу площади поверхности первого жесткого элемента относительно направления случайной пули больше, чем вес на единицу площади поверхности жесткого элемента или жестких элементов, которые следуют за первым слоем; и значение удельного модуля изгиба первого жесткого элемента относительно направления случайной пули меньше, чем удельный модуль изгиба жесткого элемента или жестких элементов, которые следуют за первым.
В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения вес на единицу площади поверхности жестких элементов уменьшается, начиная от первого жесткого элемента относительно направления случайной пули. Более того, предпочтительно, значение удельного модуля изгиба жестких элементов повышается, начиная от первого жесткого элемента относительно направления случайной пули.
Баллистическая защита в соответствии с настоящим изобретением имеет преимущество, заключающееся в том, что структуры, состоящие из элементов, которые обладают неудовлетворительными свойствами с точки зрения баллистики, таких как, например, элементы, выполненные из полос из лент из высокомолекулярного полиэтилена, при введении в немонолитные структуры, позволяют значительно уменьшить степень травматизма, не ухудшая способности останавливать пули. При помощи баллистической защиты в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, степень травматизма, наносимого из-за удара пули, по меньшей мере на 20% снижается относительно степени травматизма, вызванного пулей, в структуре, имеющей тот же состав, но монолитной. Применение элементов, которые обладают худшими свойствами с точки зрения баллистики, привносит другое преимущество, заключающееся в снижении стоимости благодаря лучшей эффективности при изготовлении лент или полос, по сравнению со стоимостью производства нитей.
Предпочтительно жесткий элемент, включающий в себя волоконные слоистые материалы, состоящие из высокомолекулярных полиэтиленовых волокон, расположен на стороне, обращенной по направлению к случайной пуле.
В предпочтительном варианте выполнения слоистые материалы из высокомолекулярных полиэтиленовых лент или полос в форме однонаправленных листов размещаются так, чтобы однонаправленные листы в одном слое были наклонены под углом около 90° относительно листов следующего слоя, и у каждого слоя была по меньшей мере одна поверхность, покрытая клеем.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения для получения необходимой жесткости каждый элемент отдельно прессуется под давлением от 1 до 300 бар и при температуре от 50°С до 200°С.
В предпочтительном варианте выполнения текстильные элементы полностью или частично пропитаны одним или несколькими из следующих полимеров: термопластичный, термоусадочный, эластомерный, вязкостный или вязкоэластичный.
При необходимости баллистическая защита может включать в себя по меньшей мере один керамический элемент, подобным образом встроенный в полимерную структуру и расположенный снаружи и перед первым жестким элементом относительно направления случайной пули.
В соответствии с другим объектом настоящего изобретения обеспечивается баллистическое защитное изделие, включающее в себя вышеописанную баллистическую защиту.
Настоящее изобретение позволяет изготавливать структуру баллистической защиты с высокой сопротивляемостью пробивке и сниженной деформацией (и последующей травмой), и, в то же время, обладающую ограниченным весом при помощи исключения небаллистических элементов.
Более того, элемент защиты в соответствии с изобретением позволяет достигнуть уменьшения степени травмы, не ухудшая способности остановки случайных пуль, и в то же время позволяет снизить вес защиты и ее стоимость.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и прочие преимущества, задачи и признаки настоящего изобретения станут понятнее для специалистов в данной области техники из следующего описании и прилагаемых чертежей со ссылкой на не ограничивающие отдельные варианты выполнения, описанные в виде иллюстративных примеров, которые, таким образом, не должны рассматриваться как ограничение его пределов, на которых:
фиг.1 изображает схематичный вертикальный разрез структуры для изготовления баллистической защиты в соответствии с возможным вариантом выполнения настоящего изобретения;
фиг.2 изображает схематичный вертикальный разрез структуры для изготовления баллистической защиты в соответствии с возможным альтернативным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
В своей основной форме и со ссылкой на прилагаемые чертежи баллистическая защита для персональной защиты в соответствии с настоящим изобретением включает в себя множество жестких структур, отделенных одна от другой, в которых по меньшей мере один жесткий элемент включает в себя наслоение листов, состоящих из лент высокомолекулярного полиэтилена, расположенных параллельным и однонаправленным образом, при этом указанные листы имеют перекрестное расположение волокон и прессуются при высокой температуре, при этом клейкий полимер наносится по меньшей мере на одну поверхность каждого листа, и при этом по меньшей мере один другой жесткий элемент включает в себя наслоение однонаправленных нитей, пропитанных смолой, при этом каждый слой однонаправленных нитей расположен перекрестно соседнему, и они подвергаются воздействию температуры и давления. В предпочтительном варианте выполнения, жесткая конструкция, по которой первой ударяет пуля, изготовлена из жесткого элемента, состоящего из ультравысокомолекулярных полиэтиленовых нитей. Степень травмы, получаемой ударом пули, существенно снижена по сравнению с монолитным наслоением такого же веса.
Баллистическая защита в соответствии с настоящим изобретением включает в себя по меньшей мере два жестких слоя, разделенных, взаимодействующих и не соединенных друг с другом. Вес на единицу площади поверхности жесткого элемента, помещенного первым в направлении случайной пули (т.е. первого, по которому ударяет пуля) больше, чем вес на единицу площади поверхности другого следующего жесткого элемента или элементов; значение удельного модуля изгиба жесткого элемента, по которому сначала ударяет пуля, меньше, чем удельный модуль изгиба следующего жесткого элемента или элементов.
В одном варианте выполнения баллистическая защита включает в себя по меньшей мере два отдельных жестких элемента, в которых вес на единицу площади поверхности первого элемента, по которому ударяет пуля, больше, чем удельный вес на единицу площади поверхности всех прочих элементов: удельный вес на единицу площади поверхности элемента, который следует за первым элементом, составляет от 95% до 5% относительно первого элемента.
фиг.1 представляет баллистическую защиту, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения, которая включает в себя первый жесткий элемент 101 и второй жесткий элемент 103. Возможный альтернативный вариант выполнения, включающий три жестких элемента 101, 103 и 105, представлен на Фиг.2 (фиг.2 также изображает необязательный керамический элемент, который будет описан далее).
Предпочтительно, вес на единицу площади поверхности жесткого элемента, который следует за первым, составляет от 70% до 20% относительно веса на единицу площади поверхности первого элемента.
В результате, толщина первого элемента больше, чем толщина всех остальных.
В варианте выполнения, включающем в себя три отдельных жестких элемента, вес на единицу площади поверхности второго жесткого элемента составляет от 95% до 5% от веса на единицу площади поверхности первого элемента, предпочтительно – от 70% до 20%; вес на единицу площади поверхности третьего жесткого элемента составляет от 95% до 5% относительно веса первого жесткого элемента.
2
2
2
Например, в решении с тремя жесткими и отдельными элементами, вес на единицу площади поверхности первого элемента составляет 13 кг/м, вес на единицу площади поверхности второго элемента составляет 3,5 кг/м, и третьего элемента – 2,5 кг/м.
2
2
2
В другом возможном варианте выполнения настоящего изобретения, с тремя жесткими и отдельными элементами, вес на единицу площади поверхности первого элемента составляет 13 кг/м, вес на единицу площади поверхности второго жесткого элемента составляет 1,5 кг/м и вес на единицу площади поверхности третьего жесткого элемента составляет 3,5 кг/м.
В предпочтительном варианте выполнения удельный модуль изгиба жесткого элемента, по которому пуля ударяет в первую очередь, по меньшей мере на 10% ниже, чем удельный модуль изгиба следующего элемента или элементов. При такой комбинации, меньший модуль изгиба первого элемента, по которому пуля ударяет в первую очередь, позволяет деформации поглощать энергию, в то время как более высокий модуль изгиба следующих слоев контролирует причиняемую деформацию и, следовательно, связанную с ней травму.
В предпочтительном варианте выполнения удельный модуль изгиба возрастает, начиная от первого элемента к последнему.
2
2
Типичные значения модуля для жестких слоистых материалов на основе волокнистых материалов лежат в диапазоне от 50 до 150 килофунт/дюйм, типичные значения удельного модуля изгиба для слоистых материалов на основе лент или пластин лежат в диапазоне от 200 до 400 килофунт/дюйм.

В одном варианте выполнения настоящего изобретения первый жесткий элемент состоит из текстильного элемента, состоящего из нитей с пределом прочности на разрыв выше 10 г/ден, удлинение до разрыва составляет более 1% и модуль прочности на разрыв выше 40ГПа. Такой первый жесткий текстильный элемент, предпочтительно, включает в себя ультравысокомолекулярные полиэтиленовые волокна, такие как, например, волокна типа Spectra или Dyneema, обладающие молекулярным весом более 500000. В предпочтительном варианте выполнения молекулярный вес больше 2000000 (двух миллионов). Эти волокна, предпочтительно, пропитываются термопластичными эластомерными смолами, например, типа Kraton, и затем наслаиваются для образования непрерывного листа с двунаправленной структурой, с перекрестными волокнами, например, под углами 0°/90° или +/-45°. Эти слоистые материалы включают в себя слоистые материалы, известные как, например, НВ50 Dyneema или Spectra 3137. Некоторые из этих листов, также перемешанные в отношении веса и качества, накладываются друг на друга и объединяются с помощью давления, как правило, от 1 до 300 Бар, и предпочтительно при температуре в диапазоне от 50 до 200°С.
Формы, получающиеся в результате такого прессования, могут быть плоскими, с простой кривизной или с множеством искривлений, в зависимости от конкретных потребностей.

Первый монолитный элемент может также включать в себя частично волокнистые слоистые материалы на основе ультра высокомолекулярного полиэтилена, в комбинации со слоистыми материалами, изготовленными из лент или полос, состоящих из высокомолекулярного полиэтилена, со слоистыми материалами, изготовленными из арамидных, сополиарамидных, полибензоксазольных, жидкокристаллических волокон, таких как, например, Kevlar, Twaron, Artec, пиперонилбутоксид (PBO), полибутилентерефталам (PBT), Vectran волокна.
Элементы, включающие в себя ленты или полосы, изготовленные из высокомолекулярного полиэтилена, включают в себя множество слоев из однонаправленных слоистых материалов, которые затем объединяются в один с помощью давления и температуры, при этом углы наложения составляют от 0°/90° до +/-45°.
Эти слои могут быть объединены друг с другом с помощью применения тепла и давления благодаря присутствию клейкого вещества на по меньшей мере одной поверхности.

Эти ленты или полосы, расположенные однонаправлено, такие как, например, производит компания Teijin под названием Endumax, имеют типовую толщину 50/60 микрон, прочность на разрыв от 20 до 26 сН/децитекс, и удлинение от 1,5 до 2%, модуль выше 1400 г/децитекс и молекулярный вес более 2000000.
Такие слоистые материалы прессуются при температуре в диапазоне от 50° до 200° и при давлении от 1 до 300 Бар.

Подобные продукты также изготавливает DuPont под названием Tensylon или DSM под названием BT10.
В возможном варианте выполнения, требующем повышенной защиты от пробивания бронебойными пулями, в частности усиленными пулями пробивного типа, сердцевины которых изготовлены из стали с твердостью по Шору равной 60, или из сплавов на основе карбида вольфрама (например, 7.62х51АР), один или несколько керамических или стеклокерамических элементов 111 могут быть присоединены к вышеописанной конструкции (как показано на фиг.2).
Указанные керамические элементы 111, которые могут быть выполнены, например, из керамики на основе карбидов, оксидов или нитридов, могут быть монолитными или быть изготовлены из наложенных друг на друга керамических суб-элементов. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения по меньшей мере один керамический элемент встроен в полимерную структуру.
Такие керамические элементы могут находиться в непосредственном контакте с первой жесткой структурой или могут быть разделены прерывистым слоем (не показанным на фиг.2).
Керамический элемент, как правило, защищен дополнительной структурой для того, чтобы максимально возможно избежать фрагментации указанного элемента.
Возможны дополнительные комбинации, в зависимости от желаемого показателя деформации задней поверхности, и в соответствии с энергией пули.
Например, в показанных примерах настоящего изобретения сделана ссылка на жесткую структуру, включающую в себя два или три жестких элемента, отделенных один от другого. Первый из таких жестких элементов изготовлен (в показанных примерах) из волокнистого материала, в то время как второй и/или третий элементы изготовлены из слоистых материалов из высокомолекулярных полиэтиленовых лент или полос.
Однако возможны другие варианты выполнения, содержащие, например, более трех элементов. Более того, первый элемент (повернутый в направлении случайной пули), может включать в себя как волокнистые слои, так и слои из слоистых материалов из высокомолекулярных полиэтиленовых лент или полос, или лишь слои из слоистых материалов из высокомолекулярных полиэтиленовых лент или полос.
На практике, в любом случае, детали исполнения могут изменяться соответствующим образом как с точки зрения описанных и показанных отдельных элементов конструкции, так и с точки зрения природы указанных материалов, не нарушая концепцию адаптированного решения и, следовательно, они остаются в пределах настоящего изобретения.
Очевидно, что изменения и модификации могут быть выполнены в описанном выше, не нарушая пределов изобретения. Конечно, для того чтобы удовлетворить особым требованиям, специалист в данной области техники может применить к вышеописанному решению множество модификаций и изменений. В частности, несмотря на то, что настоящее изобретение было описано с определенной степенью точности со ссылкой на его предпочтительные варианты выполнения, следует понимать, что допустимы возможные исключения, замены и изменения в его форме и деталях, а также другие варианты выполнения; более того, явно определено, что отдельные элементы и/или этапы производственного метода, описанного со ссылкой на любое из указанных вариантов выполнения изобретения, могут быть включены в любой другой вариант выполнения, в зависимости от пожелания проектировщика.
Например, одинаковые принципы применимы в случаях, когда компоненты имеют различную структуру или включают в себя эквивалентные блоки.
ПРИМЕРЫ И ИСПЫТАНИЯ
Сравнительные испытания были проведены с помощью известных структур и структур, предлагаемых настоящим изобретением, не только для оценки степени травматизма, но также для оценки баллистических пределов.
Все испытания проводились в соответствии с Американскими Нормами Национального Института Юстиций (NIJ) 0101.04 уровень III.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 1 (СТРУКТУРА ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ)
78 слоев из слоистых материалов Dyneema HB50 были спрессованы при давлении 200 бар и при 122°С для формирования монолитной пластины. Данная пластина была испытана для определения степени травмы, нанесенной ударом пули
Тип пули
Скорость
Удельный вес (кг/м<sup>2</sup>)
Травма мм
NATO 7.62X51
41
18,1
60
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 2 (СТРУКТУРА ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ)
56 слоев из слоистых материалов Dyneema HB50 и 50 слоев Tensylon T30A были спрессованы друг с другом при 200 бар и 122°С для формирования монолитной пластины. Пластина была испытана для определения степени травмы, нанесенной ударом пули
Тип пули
Скорость
Удельный вес (кг/м<sup>2</sup>)
Травма мм
NATO 7.62X51
40
18,3
64
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 3 (СТРУКТУРА ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ)
48 слоев Dyneema HB50 и 66 слоев Tensylon T30A были спрессованы друг с другом при 200 бар и 122°С для формирования монолитной пластины. Пластина была испытана для определения степени травмы, нанесенной ударом пули
Тип пули
Скорость
Удельный вес (кг/м<sup>2</sup>)
Травма мм
NATO 7.62X51
50
18,3
50
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 4 (СТРУКТУРА ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ)
66 слоев Tensylon T30A и 48 слоев Dyneema HB5 были спрессованы друг с другом при 200 бар и 122°С для формирования монолитной пластины. Пластина была испытана для определения степени травмы, нанесенной ударом пули
Тип пули
Скорость
Удельный вес (кг/м<sup>2</sup>)
Травма мм
NATO 7.62X51
48
18,3
55
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 5 (СТРУКТУРА ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ)
93 слоя ENDUMAX SHIELD XF22 были спрессованы друг с другом при 55 бар и 129°С для формирования монолитной пластины. Пластина была испытана для определения степени травмы, нанесенной ударом пули
Тип пули
Скорость
Удельный вес (кг/м<sup>2</sup>)
Травма мм
NATO 7.62X51
48
18,7
48
ПРИМЕР 6 (СТРУКТУРА В СООТВЕТСТВИИ С ОДНИМ ВАРИАНТОМ ВЫПОЛНЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ)
62 слоя Dyneema HB50 были спрессованы друг с другом при 200 бар и 122°C для формирования первой пластины,
36 слоев Tensylon T30A были спрессованы при 95 бар и при 122°C для формирования второй пластины.
Комбинация этих двух отдельных пластин была испытана для определения степени травмы, нанесенной ударом пули.
Тип пули
Скорость
Удельный вес (кг/м<sup>2</sup>)
Травма мм
NATO 7.62X51
45
18,5
27
ПРИМЕР 7 (СТРУКТУРА В СООТВЕТСТВИИ С ВАРИАНТОМ ВЫПОЛНЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ)
56 слоев Dyneema HB50 были спрессованы друг с другом при 200 бар и при 122°C для формирования первой пластины,
36 слоев Tensylon T30A были спрессованы при 95 бар и при 122°C для формирования второй пластины,
18 слоев Tensylon T30A были спрессованы при 95 бар и при 122°C для формирования третьей пластины.
Комбинация этих трех отдельных пластины была испытания для определения степени травмы, нанесенной ударом пули.
Тип пули
Скорость
Удельный вес (кг/м<sup>2</sup>)
Травма мм
NATO 7.62X51
42
18,8
24
ПРИМЕР 8 (СТРУКТУРА В СООТВЕТСТВИИ С ВАРИАНТОМ ВЫПОЛНЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ)
60 слоев Dyneema HB50 были спрессованы друг с другом при 200 бар и при 122°C для формирования первой пластины,
22 слоя Tensylon T30A были спрессованы при 95 бар и при 122°C для формирования второй пластины,
11 слоев Tensylon T30A были спрессованы при 95 бар и при 122°C для формирования третьей пластины.
Комбинация этих трех отдельных пластин была испытана для определения степени травмы, нанесенной ударом пули.
Тип пули
Скорость
Удельный вес (кг/м<sup>2</sup>)
Травма мм
NATO 7.62X51
33
17,8
26
Были проведены дополнительные испытания для определения способности останавливать пули (V50) типа NATO 7.62X51 при помощи спецификации Национального Института Юстиций (NIJ) 0101.04, со следующими результатами:
Сравнительный пример 2 V50=910 м/сек.
Сравнительный пример 3 V50=905 м/сек.
Пример 6 V50=908 м/сек.
Пример 8 V50=920 м/сек.