СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БРОНЕПАНЕЛИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И БРОНЕПАНЕЛЬ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ
METHOD OF FABRICATING ARMORED PLATE FROM POLYMER COMPOSITES AND ARMORED PLATE MADE FROM POLYMER COMPOSITES

Изобретение относится к области вооружения, к разработкам средств защиты и может быть использовано для изготовления бронепанелей для защиты техники и личного состава.
7
Известна пулезащитная бронепреграда и способ ее изготовления по патенту ФРГ №2334941 от 31.10.72 г., МКИ F41H 1/04. Бронепреграда содержит противопульный экран и слои полимерного композита.
7
Известна противоосколочная броня, по патенту США №4664967 НКИ 428-220, МКП В32В 3/12, публ. 87 05 12.
7
Известна усиленная броня, содержащая стальной экран и слои полимерного композиционного материала (ПКМ) из арамидных волокон по РСТ (WO) №9206840 МКП F41H 5/04 от 28.02.91. В этой броне поражающий элемент разбивается об экран, пробивая его, а кинетическая энергия осколков поражающего элемента поглощается слоями ПКМ.
7
Известен дискретно тканевый бронематериал для баллистических слоев бронепреграды и способ его изготовления по патенту RU №2251651, от 10.05.2003 г., МКИ F41H 1/02, обладающий повышенными защитными характеристиками.
7
Известен бронематериал и способ его изготовления по заявке Великобритании №2148185, от 30.05.1985 г., МКИ В32В 7/08, при котором прессуют слои бронезащитного полимерного композиционного материала.
Известен бронематериал и способ его изготовления, представленный в докладе В.А.Анисковича и Е.Ф.Харченко «Разработка современных бронешлемов 2 класса защиты для специальных подразделений». Тезисы докладов YIII международной конференции «Новейшие тенденции в области конструирования и применения баллистических материалов и средств защиты» 15-16 сентября 2005 г., г.Хотьково, Московской обл. Известный бронематериал содержит наружную и внутреннюю оболочки из слоистого композита и, находящийся между ними пакет слоев баллистической ткани, не пропитанной связующим. Пропитанные и не пропитанные слои разделены полимерной пленкой. Недостатком известного материала является резкое изменение свойств на границах слоев (наличие концентраторов напряжений) со снижением бронезащитных свойств.
7
Также известен способ изготовления бронепанели по заявке RU №2007102725 от 24.01.07 МКИ F41F 3/042.
В известном способе изготовления бронепанели из полимерных композитов прессуют пакет из противопульного экрана, многослойной полимерной оболочки из арамидной ткани и противоосколочного экрана из арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим.
7
Также известен бронематериал по патенту RU №2128457 от 14.05.98 г., МКП А42В 3/00.
Известная бронепанель из полимерных композитов содержит противоосколочный экран из арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим, противопульный экран и полимерные слои из арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим или снабженной гидроолеофобным покрытием.
Недостатком известного способа является его низкая технологичность, в частности низкая технологичность укладки баллистических слоев с дифференциацией свойств трения нитей по толщине, а также низкая технологичность скрепления слоев пакета, в том числе со снижением качества скрепления противопульного экрана с полимерной оболочкой из-за расслоения последней от волновых процессов, возникающих при взаимодействии поражающего элемента и противопульного экрана.
Недостатком известной бронепанели является низкая надежность ее работы из-за разрушений противопульного экрана и соединительных слоев от волновых воздействий поражающего элемента, из-за наличия концентраторов напряжений на границах пропитанных и не пропитанных слоев материала, вызывающих его разрушение при взаимодействии с поражающим элементом, а также из-за неоптимальных свойств трения нитей по толщине, снижающих поглощение кинетической энергии поражающего элемента, кроме того, снижаются защитные свойства бронепанели из-за большого запреградного выступа.
Известный способ изготовления и известная бронепанель, как наиболее близкие по технической сущности и достигаемому результату, выбраны в качестве прототипов.
Технической задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является разработка более технологичной в изготовлении бронепанели, повышенной надежности работы, более высокого качества.
Технический результат, который может быть получен при решении технической задачи по реализации предлагаемого способа, заключается в повышении технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности укладки баллистических слоев с дифференциацией свойств трения нитей по толщине, а также повышения технологичности скрепления слоев пакета, в том числе с повышением качества скрепления противопульного экрана с полимерной оболочкой за счет снижения расслоения последней от волновых процессов, возникающих при взаимодействии поражающего элемента и противопульного экрана.
Технический результат устройства, который может быть получен при решении технической задачи, заключается в повышении надежности работы бронепанели за счет снижения разрушений противопульного экрана и соединительных слоев от волновых воздействий поражающего элемента, за счет снижения концентрации напряжений на границах пропитанных и не пропитанных слоев материала, вызывающих его разрушение при взаимодействии с поражающим элементом, а также за счет постепенного повышения сил трения нитей на выходе поражающего элемента из баллистических слоев, когда кинетическая энергия поражающего элемента значительно снижена (такая характеристика сил сопротивления движению поражающего элемента в баллистических слоях способствует максимальной потере кинетической энергии поражающего элемента на минимальном пути взаимодействия), кроме того, повышаются защитные свойства бронепанели за счет снижения размера запреградного выступа.
Поставленная задача с достижением технического результата решается за счет того, что при осуществлении способа изготовления бронепанели из полимерных композитов прессуют пакет из противопульного экрана, многослойной полимерной оболочки из арамидной ткани и противоосколочного экрана из арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим, а, в соответствии с изобретением, полимерную оболочку выполняют из соединительных слоев арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим, баллистических слоев арамидной ткани, снабженных гидроолеофобным покрытием, и защитных слоев арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим, причем в баллистических слоях формируют зоны из двух-восьми слоев частично пропитанной связующим соединительных и защитных слоев ткани с постепенным уменьшением содержания связующего от максимального на границе с соединительным или защитным слоем до минимального - у слоя без связующего, а противоосколочным экраном фиксируют все слои прессования, оборачивая им пакет как конвертом. В качестве связующего для арамидной ткани используют композицию холодного отверждения на основе полиуретана или эпоксидной смолы. В качестве связующего для арамидной ткани соединительных слоев используют эластичную композицию холодного отверждения на основе полиуретана СКУ-ПФЛ-100, а защитных слоев - на основе эпоксидной смолы ЭД-20 с добавлением разбавителя, например смолы ДЭГ, снижая вязкость связующего, причем частично пропитанную зону баллистических слоев с полиуретаном формируют из двух-четырех слоев, а с эпоксидной смолой - из трех-восьми.
Поставленная задача с достижением технического результата для устройства решается за счет того, что бронепанель из полимерных композитов, изготовленная представленным выше способом, содержит противоосколочный экран из арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим, противопульный экран и полимерные слои из арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим или снабженной гидроолеофобным покрытием, а, в соответствии с изобретением, полимерные слои выполнены из соединительных, пропитанных синтетическим связующим, баллистических, снабженных гидроолеофобным покрытием, и защитных, также пропитанных синтетическим связующим, причем баллистические слои сформированы из зон по два-восемь слоев частично пропитанной связующим соединительных и защитных слоев ткани с постепенным уменьшением содержания связующего от максимального на границе с соединительным или защитным слоем до минимального - у слоя без связующего и зоны без связующего, а противоосколочным экраном обернуты все слои бронепанели. Соединительные слои пропитаны эластичным связующим на основе полиуретана СКУ-ПФЛ-100, а защитные слои - связующим на основе эпоксидной смолы ЭД-20 с добавлением смолы ДЭГ. Зона баллистических слоев у соединительных слоев сформирована из двух-четырех слоев частично пропитанной ткани, а у защитных слоев - из трех-восьми. Противопульный экран выполнен из броневой стали.
Отличительными признаками способа являются следующие:
- полимерную оболочку выполняют из соединительных слоев арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим - признак существенный, предусматривает новую последовательность выполнения операций, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности скрепления слоев пакета, в том числе с повышением качества скрепления противопульного экрана с полимерной оболочкой при снижении расслоения последней от волновых процессов, возникающих при взаимодействии поражающего элемента и противопульного экрана;
- баллистических слоев арамидной ткани, снабженных гидроолеофобным покрытием - признак существенный, предусматривает новую последовательность выполнения операций, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности укладки баллистических слоев с дифференциацией свойств трения нитей по толщине, так как наличие такого покрытия, выполненного на основе фторопластовой эмульсии, снижает трение между нитями и препятствует пропитке основной массы баллистических слоев, а при частичной их пропитке - проникновению связующего внутрь комплексной нити;
- защитных слоев арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим - признак существенный, предусматривает новую последовательность выполнения операций, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности скрепления слоев пакета;
- в баллистических слоях формируют зоны из двух-восьми слоев частично пропитанной связующим соединительных и защитных слоев ткани с постепенным уменьшением содержания связующего от максимального на границе с соединительным или защитным слоем до минимального - у слоя без связующего - признак существенный, предусматривает наличие новых операций и новую последовательность их выполнения, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности укладки баллистических слоев с дифференциацией свойств трения нитей по толщине;
- противоосколочным экраном фиксируют все слои прессования, оборачивая им пакет, как конвертом - признак существенный, предусматривает наличие новых операций и новую последовательность их выполнения, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности скрепления слоев пакета и укладки баллистических слоев с дифференциацией свойств трения нитей по толщине, так как концы нитей частично пропитывают связующим материала противоосколочного экрана, а это повышает усилие выдергивания нитей, которое суммируется с силами трения между нитями;
- в качестве связующего для арамидной ткани используют композицию холодного отверждения на основе полиуретана или эпоксидной смолы - признак существенный, предусматривает новую последовательность выполнения операций, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности скрепления слоев пакета;
- в качестве связующего для арамидной ткани соединительных слоев используют эластичную композицию холодного отверждения на основе полиуретана СКУ-ПФЛ-100 - признак существенный, предусматривает новую последовательность выполнения операций, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности скрепления слоев пакета, в том числе с повышением качества скрепления противопульного экрана с полимерной оболочкой при снижении расслоения последней от волновых процессов, возникающих при взаимодействии поражающего элемента и противопульного экрана;
- защитных слоев - на основе эпоксидной смолы ЭД-20 с добавлением разбавителя, например смолы ДЭГ, снижая вязкость связующего - признак существенный, предусматривает наличие новых операций и новую последовательность их выполнения, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности укладки баллистических слоев с дифференциацией свойств трения нитей по толщине;
- частично пропитанную зону баллистических слоев с полиуретаном формируют из двух-четырех слоев - признак существенный, предусматривает наличие новых операций и новую последовательность их выполнения, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности скрепления слоев пакета, в том числе с повышением качества скрепления противопульного экрана с полимерной оболочкой при снижении расслоения последней от волновых процессов, возникающих при взаимодействии поражающего элемента и противопульного экрана;
- частично пропитанную зону баллистических слоев с эпоксидной смолой формируют из трех-восьми слоев - признак существенный, предусматривает наличие новых операций и новую последовательность их выполнения, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности изготовления бронепанели за счет повышения технологичности укладки баллистических слоев с дифференциацией свойств трения нитей по толщине, так как при использовании менее вязкого связующего повышается равномерность снижения его содержания за счет увеличения количества частично пропитанных слоев.
Отличительными признаками устройства являются следующие признаки:
- полимерные слои выполнены из соединительных, пропитанных синтетическим связующим, баллистических, снабженных гидроолеофобным покрытием, и защитных, также пропитанных синтетическим связующим - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов и новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении надежности работы бронепанели;
- баллистические слои сформированы из зон по два-восемь слоев частично пропитанной связующим соединительных и защитных слоев ткани с постепенным уменьшением содержания связующего от максимального на границе с соединительным или защитным слоем до минимального - у слоя без связующего и зоны без связующего - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов и новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении надежности работы бронепанели;
- противоосколочным экраном обернуты все слои бронепанели - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов и новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении надежности работы бронепанели;
- соединительные слои пропитаны эластичным связующим на основе полиуретана СКУ-ПФЛ-100, а зона баллистических слоев у соединительных слоев сформирована из двух-четырех слоев частично пропитанной ткани - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов, новое соотношение размеров и новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении надежности работы бронепанели за счет снижения разрушений противопульного экрана и соединительных слоев от волновых воздействий поражающего элемента, за счет снижения концентрации напряжений на границе пропитанных и не пропитанных слоев материала, вызывающих его разрушение при взаимодействии с поражающим элементом;
- защитные слои пропитаны связующим на основе эпоксидной смолы ЭД-20 с добавлением смолы ДЭГ, а зона баллистических слоев у защитных слоев сформирована из трех-восьми слоев частично пропитанной ткани - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов, новое соотношение размеров и новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении надежности работы бронепанели за счет постепенного повышения сил трения нитей на выходе поражающего элемента из баллистических слоев, когда кинетическая энергия поражающего элемента значительно снижена (такая характеристика сил сопротивления движению поражающего элемента в баллистических слоях способствует максимальной потере кинетической энергии поражающего элемента на минимальном пути взаимодействия), кроме того, повышаются защитные свойства бронепанели за счет снижения размера запреградного выступа при более жестком связующем материала защитных слоев;
- противопульный экран выполнен из броневой стали - признак существенный, предусматривает обоснованное применение нового материала, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении надежности работы бронепанели за счет снижения разрушений противопульного экрана и соединительных слоев от волновых воздействий поражающего элемента, так как исследованиями установлено, что демпфирующая подушка стального экрана из эластичного связующего по заявляемому объекту обеспечивает максимальное гашение прямых и отраженных волн напряжений.
Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».
Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технического результата и характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данное техническое решение является результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению технологичности изготовления и надежности работы бронепанелей без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладает неочевидностью, что свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид способа изготовления бронепанели, на фиг.2 - поперечный разрез бронепанели, на фиг.3 - работа бронепанели, на фиг.4 - переплетение нитей ткани баллистических слоев.
Способ изготовления бронепанели 1 из полимерных композитов, при котором прессуют пакет из противопульного экрана 2, многослойной полимерной оболочки 3 из арамидной ткани и противоосколочного экрана 4 из арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим. Полимерную оболочку 3 выполняют из соединительных слоев 5 арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим, баллистических слоев 6 арамидной ткани, снабженных гидроолеофобным покрытием 7, и защитных слоев 8 арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим.
В баллистических слоях 6 формируют зоны 9, 10 из двух-восьми слоев частично пропитанной связующим соединительных 5 и защитных 8 слоев ткани с постепенным уменьшением содержания связующего от максимального на границе с соединительным 5 или защитным 8 слоем до минимального - у слоя без связующего. Противоосколочным экраном 4 фиксируют все слои прессования, оборачивая им пакет, как конвертом 11.
В качестве связующего для арамидной ткани используют композицию холодного отверждения на основе полиуретана или эпоксидной смолы.
В качестве связующего для арамидной ткани соединительных слоев 5 используют эластичную композицию холодного отверждения на основе полиуретана СКУ-ПФЛ-100, а защитных слоев 8 - на основе эпоксидной смолы ЭД-20 с добавлением разбавителя, например, смолы ДЭГ, снижая вязкость связующего, причем частично пропитанную зону 9 баллистических слоев с полиуретаном формируют из двух-четырех слоев, а зону 10 с эпоксидной смолой из трех-восьми.
Бронепанель 1 из полимерных композитов содержит противоосколочный экран 4 из арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим, противопульный экран 2 и полимерные слои 3 из арамидной ткани, пропитанной синтетическим связующим или снабженной гидроолеофобным покрытием 7.
Полимерные слои 3 выполнены из соединительных слоев 5, пропитанных синтетическим связующим, баллистических 6, снабженных гидроолеофобным покрытием 7, и защитных 8, также пропитанных синтетическим связующим.
Баллистические слои 6 сформированы из зон 9, 10 по два-восемь слоев частично пропитанной связующим соединительных 5 и защитных 8 слоев ткани с постепенным уменьшением содержания связующего от максимального на границе с соединительным или защитным слоем до минимального - у слоя без связующего и зоны 12 без связующего. Противоосколочным экраном 4 обернуты все слои бронепанели 1.
Соединительные слои 5 пропитаны эластичным связующим на основе полиуретана СКУ-ПФЛ-100, а защитные слои 8 - связующим на основе эпоксидной смолы ЭД-20 с добавлением смолы ДЭГ. Зона 9 баллистических слоев 6 у соединительных слоев 5 сформирована из двух-четырех слоев частично пропитанной ткани, а зона 10 у защитных слоев 8 - из трех-восьми. Противопульный экран 2 выполнен из броневой стали.
Вариант исполнения способа заключается в том, что волокна баллистических слоев 6 в зонах 9, 10 пропитывают соответствующим связующим частично, а благодаря гидроолеофобному покрытию 7, нити слоев в этих зонах не теряют продольной подвижности, а в зоне 12 - остаются «сухими». Так как для пропитки волокон зоны 9 используют связующее на основе полиуретана, выдавливая его давлением прессования из слоев 5, а оно при прессовании имеет вязкость более высокую, чем для зоны 10, количество слоев в зоне 9 (два - четыре), значительно меньше, чем в зоне 10 (три - восемь). Кроме того, при прессовании пакета частично с убыванием пропитывают также и концы нитей баллистических слоев 6 связующим материала противоосколочного экрана 4.
Вариант исполнения бронепанели 1 заключается в том, что соединительные слои 5 пропитаны связующим на основе полиуретана СКУ-ПФЛ-100, благодаря чему противопульный экран 2 снабжен подпором из эластичного материала, что, как установлено исследованиями, снижает повреждения противопульного экрана 2 от воздействия отраженных волн напряжений и ослабляет распространение прямых волн в соединительных слоях 5. Баллистические слои 6 снабжены частично с убыванием пропитанными эластичным связующим двумя-четырьмя слоями в зоне 9, что, благодаря «размытости» границы, значительно снижает воздействие отраженных волн на соединительные слои 5, а, благодаря отсутствию концентраторов напряжений при отсутствии резкой смены свойств материалов, снижает повреждения материала соединительных 5 и баллистических 6 слоев. Защитные слои 8 пропитаны более жестким эпоксидным связующим, что повышает их мембранную жесткость и снижает запреградный выступ 13. У границы с защитными слоями 8 баллистические слои 6 снабжены частично с возрастанием пропитанными эпоксидным связующим тремя-восемью слоями в зоне 10, что позволяет усилить эффект торможения осколков малых кинетических энергий вплоть до их остановки за счет увеличения трения нитей. Нити баллистических слоев 8 частично пропитаны по краям связующим материала противоосколочного экрана 4, что позволяет сохранить расположение нитей, которые не подвергались воздействию поражающих элементов со стабилизацией свойств трения.
Работает бронепанель 1 следующим образом. При взаимодействии поражающего элемента 14 с элементами защиты преодолевается противоосколочный экран 4, противопульный экран 2 получает повреждения в зоне действия прямой волны критичных напряжений (откольного коноида 15). При этом действие отраженной волны значительно ослабляется за счет оптимизации свойств материала подпора (эластичности связующего соединительных слоев 5). Поражающий элемент 14 при прохождении массива противопульного экрана 2 разбивается на фрагменты 16 и теряет значительную часть своей энергии.
Прямая волна напряжений, хотя и ослабленных, но для материала соединительных слоев 5, критичных, проходит и в них, при этом благодаря «размытости» границы между слоями 5 и 6 значительно снижается воздействие отраженной волны, а прямая волна гасится и практически не распространяется в баллистических слоях 6.
Вместе с тем в баллистические слои 6 проникают осколки 16 поражающего элемента 14 и осколки 17 разрушенного откольного коноида 15 стального противопульного экрана 2, а благодаря отсутствию концентраторов напряжений при отсутствии резкой смены свойств материалов, снижаются повреждения материала соединительных 5 и баллистических 6 слоев этими осколками.
Осколки 16 и 17 в зоне 12 тормозятся за счет выдергивания нитей из зоны с частичной их пропиткой по краям и из переплетений 18 ткани, а в зоне 10 эффект торможения усиливается за счет увеличения трения нитей благодаря частичной постепенно возрастающей их пропитке эпоксидным связующим. Осколки останавливаются, выпучивая защитные слои 8, а благодаря оптимизации мембранной жесткости слоев 8, запреградый выступ 13 минимизируется.
Также при взаимодействии поражающего элемента 14 с противопульным экраном 2 осколки 19 могут вылететь в предпреградное пространство, для их остановки предназначен противоосколочный экран 4.
Таким образом, использование изобретений позволит создать высокотехнологичную конструкцию бронепанели с повышенной надежностью работы, это и подтверждает использование по назначению. Осуществимость изобретений подтверждена положительными результатами испытаний бронепанелей, разработка и изготовление которых полностью основаны на представленном описании. В связи с этим, новое техническое решение соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.