МНОГОСЛОЙНАЯ БРОНЕВАЯ ПРЕГРАДА ДЛЯ БРОНЕЖИЛЕТА
MULTILAYER ARMOUR BARRIER FOR ARMOUR VEST

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/secl/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 также 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 броневой преградой для бронежилета.
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 металлической подложки, увеличении живучести, т.е. способности бронепанели обеспечивать защиту при многократном попадании в панель без пробития.
2
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, отличающийся тем, что 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 HRC 65-68, 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 HRC 54-58 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 на броневую панель наплавлены из высокопрочного сплава, 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.
Из анализа приведенных зависимостей вытекают следующие условия не проникновения сердечника сквозь слой керамики.
Первое - слой керамики должен иметь, возможно, максимальную твердость, превышающую твердость сердечника пули.
Второе - жесткость (твердость) поврежденного слой керамики должна находиться, максимально долго по времени, в состоянии, когда жесткость керамического слоя превышает контактное давление сердечника в процессе взаимодействия сердечника с керамическим слоем, чтобы сердечник за данный период времени мог сработаться или дефрагментироваться на мелкие частицы.
Исходя их данных условий должны формулироваться требования к свойствам наружного поверхностного слоя. Задача поверхностного слоя, в этом случае, будет заключаться не только в разрушении сердечника при его проникновении через данный слой, но и как можно дольше времени сохранять поврежденный слой керамики жестким до такой степени, чтобы жесткость керамического слоя превышала контактное давление сердечника и не возможным было его проникание через слой керамики. Данный эффект максимально достигается, если слой керамики будет находиться в замкнутом объеме. В предлагаемом техническом решении броневой слой керамики состоит из отдельных элементов, расположенных в ячейках, образованных на поверхности броневой панели, и сверху закрыт слоем наружной облицовки из высокопрочного сплава, что, с одной стороны, повышает стойкость броневой панели, а с другой стороны, значительно повышает живучесть броневой панели.
При встрече сердечника с многослойной преградой происходит жесткое баллистическое взаимодействие головной части 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 пробитого отверстия с образованием множества полос адиабатического сдвига. 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 (Наймарк О.Б., Соковиков М.А. «О механизме адиабатического сдвига при высокоскоростном нагружении материалов». Математическое моделирование систем и процессов, 1995 г., №3, стр. 71-76).
Наличие острой головной части сердечника не приводит к образованию упругих волн сжатия и разряжения в теле сердечника и в облицовочном слое, следовательно, сердечник дойдет до керамической поверхности целым, но уменьшенным по длине на величины сработавшейся части, и имеющий плоскую площадку в головной части и структурой поверхностного слоя, имеющей высокую хрупкость.
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. Чтобы произошло такое разрушение слоем керамики толщиной 2,5-3,5 мм, необходимо иметь жесткую подложку с высокими физико-механическими свойствами. Чем жестче будет соударение сердечника и преграды, тем большее число фрагментов образуется при разрушении сердечника, тем большая площадь броневой панели будет подвергаться давлению, тем меньше будет выпучивание подложки. При такой конструкции покрытия возрастает вероятность срабатывания фрагментов сердечника до момента, когда жесткость керамического слоя станет равной контактному давлению, создаваемому сердечником. При наличии поверхностных адиабатических полос скольжения в поверхностном слое материала сердечника будет происходить интенсивное срабатывание сердечника. Жесткость разрушенного керамического слоя достигается тем, что внешний слой облицовки, внутренний слой броневой панели и стенки ячеек ограничивают площадь разрушения слоя керамики и препятствуют увеличению объема слоя керамики при растрескивании. Высокая адгезия на межмолекулярном уровне между всеми слоями композиции броневой преграды повысит жесткость тыльного слоя и уменьшит образование выпучены. Имеются сведения, что керамический слой, подвергнутый разрушению, увеличивается в объеме до 1%.
Поэтому слой керамики, который располагается между слоями броневой панели и облицовочного слоя, должен обладать высокой твердостью, ударной прочностью, высоким пределом прочности на изгиб. Свойства материалов в композиционной преграде и их геометрические параметры подобраны таким образом, чтобы происходило срабатывание 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.
Наличие дополнительного промежуточного слоя из никель-алюминиевого сплава позволяет создать композицию многослойной броневой преграды, оптимальной по термическим напряжениям, которые образуются в слое броневой керамике и облицовочном слое в силу различия КТР материалов данных слоев. 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. При образовании тыльной откольной части увеличится площадь контакта разрушенного слоя броневой керамики и броневой панели, что снижает удельное давление на броневую панель и уменьшает величину выпучены.
Таким образом создается многослойная броневая преграда, работающая как единое целое, обладающая высокой живучестью.
Проведенные авторами многочисленные исследования пробития брони сердечниками с различной головной частью показали, что даже не значительное изменение формы головной части приводит к изменению пробивной способности сердечника. Наибольшей пробивной способность обладают сердечники с оживальной головной частью, которые практически не создают откольной части при проникновении через преграду. В случае пробития преграды сердечником с образованием откольной части с тыльной стороны реализуется менее энергоемкий механизм разрушения преграды. Чтобы образовалась откольная часть, необходимо, чтобы слой имел высокую твердость и низкую ударную прочность. Выполнение облицовочного слоя из высокопрочного сплава при соударении с сердечником, имеющим равную твердость с поверхностным слоем, может привести к образованию откольной части в облицовочном слое. Образование такой откольной части малой площади приведет к увеличению площади контакта при воздействии сердечника на слой броневой керамики. Она увеличит зону контакта, вовлечет в движение значительно больше количества материала броневой керамики. Поэтому твердость облицовочного поверхностного слоя должна быть не менее HRC=65-68 ед. по Роквеллу, чтобы разрушить острие носа сердечника и образовать площадку. Чтобы удерживать длительное время слой керамики в состоянии высокой плотности облицовочный слой должен обладать высоким пределом прочности и иметь толщину слоя в пределах 1,5-3,5 мм
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. Материал должен обладать максимальным пределом текучести с одной стороны и максимальной ударной вязкостью с другой.
2
Наличие наплавленных ячеек на броневой панели, образующих сетку, позволит увеличить живучесть многослойной броневой преграды. Такое исполнение значительно сократит площадь разрушения керамического слоя. Наплавка буртов из высокопрочного сплава с высотой бурта 1,5-3,5 мм, с образование ячеек на броневой панели площадью от 220 до 2500 мм позволяет создавать ячейки различной площади и располагать их в различных частях броневой панели.
Броневая панель работает следующим образом. При попадании по нормали к поверхности бронежилета сердечник пули с термически упрочнением взаимодействует с бронеприградой. Процесс взаимодействия характеризуется следующими этапами. Головная часть сердечника с твердостью 54-58 HRC, имеющая остроконечную головную часть, пробивает высокопрочный сплав большей твердости (твердость облицовочного слоя бронепреграды 65-68 HRC) и ударяется в броневой слой, выполненный из керамики. Стальной сердечник последовательно разрушается. Возникшие сдвиговые напряжения в зоне сжатия под сердечником вызывают сеть кольцевых трещин в слое керамики. Проникание сердечника во внутренний слой не происходит, и он сохраняет свою геометрическую целостность. Идет дальнейшее разрушение сердечника и слоя керамики. Напряжение в зоне контакта высокотвердого наружного слоя достигает критических значений (динамической прочности материала при сжатии). В результате образуются радиальные трещины, начинается фрагментация материала под сердечником. Оставшаяся часть сердечника разрушается на отдельные фрагменты. Слой керамики также разрушается на отдельные фрагменты. Из-за невозможности внедрения фрагментов сердечника и фрагментов керамического слоя в броневой слой он сохраняет свою геометрическую целостность.
Предлагаемое техническое решение реализуется следующим образом. На лицевую поверхность бронепанели, термообработанной на конечные свойства, на специальном оборудовании наплавляются стенки ячеек высотой 1,5-3,5 мм. Ячейки могут быть сформированы и другим способом, например, точечной приваркой сетки из проволоки из высокопрочного сплава. 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, для получения высокопрочного сплав облицовочного слоя, толщиной слоя 1,5-3,5 мм. Таким образом, создается многослойная броневая преграда для бронежилета. Проведена оценка живучести многослойной броневой панели в зависимости от площади отдельных элементов, расположенных в ячейках. С уменьшением площади отдельных элементов, расположенных в ячейках, живучесть броневой панели увеличивается.
пop
Результаты испытаний образцов броневых плиток с многослойными покрытиями, изготовленными по варианту прототипа и предлагаемому техническому решению (рекомендуемые параметры многослойного покрытия), представлены в таблице 1. В каждую плитку размером 120×120 мм производился один выстрел. Сравнение производили по трем плиткам. Определялась площадь S разрушенного покрытия и пробитие плитки.
Таблица1
Вариант
Состав броневой плитки
Средства поражения
Состав композиции
АКМ, калибр 7,62, патрон 57-Н231, сердечник стальной термоупрочненный
Лицевой слой
Наличие сетки, мм
Подслой
Толщина броневой стали, мм
Тканевый пакет
S<sub>пор</sub>, мм<sup>2</sup>
Пробитие/число плиток
Скорость, м/сек
Состав
Толщина, мм
Прототип
А1<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
1,5
-
0,2
4,75
-
9250
1/3
730
Предлагаемое техническое решение
Высокопрочный сплав+А1<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
1,5+2,0
15×15
0,5
4,25
2130
0/3
730
Высокопрочный сплав+А1<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
1,5-2,0
30×30
0,5
4,25
3570
0/3
739
Высокопрочный сплав
1,5-2,0
0,5
4,25
5625
0/3
730
+А1<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
Эффективность защитных свойств бронепанели, высокая живучесть по предлагаемому техническому решению с лицевым слоем из высокопрочного сплава, слоя керамики и подслоем из никель-алюминиевого сплава и наличием сетки на поверхности броневой панели, выполненной наплавкой высокопрочного сплава, можно объяснить длительным сохранением жесткости поврежденного слоя керамики до такой степени, когда жесткость керамического слоя превышала контактное давление сердечника и не возможным было его проникание через слой керамики. Данный результат максимально достигается в предлагаемом техническом решении, когда слой керамики состоит из отдельных элементов, расположенных в ячейках, образованных на поверхности броневой панели, и сверху закрыт слоем наружной облицовки из высокопрочного сплава. Производство многослойной броневой преграды для бронежилета брони может быть осуществлено на действующих машиностроительных и металлургических заводов РФ.