КЕРАМИЧЕСКИЙ БРОНЕЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CERAMIC ARMOR ELEMENT AND METHOD OF ITS FABRICATION

Изобретение относится к броневым конструкциям и может быть использовано при изготовлении бронированных объектов различного назначения, а именно при изготовлении индивидуальных средств защиты человека либо бронированных транспортных средств.
Известен бронеэлемент (см. патент РФ №2110748 от 10.05.1998 г. F41H 1/02, F41H 5/04), содержащий установленную на слоистой подложке керамическую пластину, выполненную из набора керамических плиток. Плитки установлены боковыми торцами друг к другу с зазором между собой, составляющим меньше 0,03 диаметра пули, при этом в указанных зазорах и на всех поверхностях керамических плиток установлен слой пластичного материала. При попадании пули в бронепанель разрушается одна из керамических плиток. Пластичный материал на стыках позволяет устранить трещинообразование во всей пластине.
Недостатком такого бронеэлемента является низкая «живучесть» при многократном баллистическом воздействии.
Наиболее близким к предлагаемому решению является керамический бронеэлемент и способ его изготовления (патент ЕР №1883779, опубликованный 06.02.2008 г., F41H 5/04). Бронеэлемент выполнен в виде кирасы бронежилета по типу монопанели либо в виде наборной панели из отдельных плоских элементов - пластин. Керамический бронеэлемент, выполненный в виде кирасы бронежилета, состоит из изогнутой керамической пластины, с содержащимися в ее фронтальной и/или тыльной плоскостях ослабленными зонами, выполненными в виде прямолинейных не пересекающихся надрезов.
Для изготовления керамической пластины подготавливают шихту, формируют изделия и затем спекают. Прямолинейные надрезы с заданными размерами на поверхности керамической плитки можно выполнить механическим способом, например, при помощи узкой алмазной дисковой фрезы. Надрезы выполняют на предварительно спеченной керамической пластине, чтобы не было выкрашивания кромки надреза. Надрез имеет ширину не более, а глубину не менее 1/10 толщины керамической пластины. Возможно также изготовление пресс-оснастки с соответствующими выступами, однако этим способом практически невозможно создать на заготовке надрез в соотношении глубина/ширина более 1,5, т.к. при извлечении из пресс-формы заготовка будет разрушаться.
При баллистическом воздействии на фронтальную плоскость бронеэлемента от точки воздействия начинают распространяться по керамическому материалу магистральные трещины. Наличие надрезов в керамике препятствует распространению трещин, но при этом и несколько ослабляет локальную баллистическую стойкость бронеэлемента.
К недостаткам таких керамических бронеэлементов относится то, что прямолинейные надрезы способствуют усилению распространения магистральных трещин, совпадающих по направлению с надрезами ослабленных зон. Прямолинейные ослабленные зоны не должны пересекаться, чтобы в точках пересечения не произошло значительного ослабления структуры бронеэлемента. Таким образом, у прототипа имеются так называемые «мертвые зоны», где надрезы отсутствуют, и распространение трещин ничем не ограничивается. Кроме того, для обеспечения заданной стойкости бронеэлемента требуется локальное усиление керамической пластины, что влечет за собой увеличение веса.
К недостаткам изготовления керамических бронеэлементов с ослабленными зонами известными механическими способами относится то, что выполнение узких ослабленных зон, например, с помощью абразивного инструмента - это процесс сложный, дорогостоящий, трудоемкий и достаточно длительный.
Задачей изобретения является повышение «живучести» керамического бронеэлемента при повторных баллистических воздействиях путем ограничения распространения магистральных и радиальных трещин от точки воздействия пули за счет оптимизации формы ослабленных зон, при условии минимального ослабления стойкости бронеэлемента.
Для решения поставленной задачи в известном керамическом бронеэлементе, состоящем из плоской или изогнутой керамической пластины, содержащей в своей структуре, как минимум, одну узкую линейную ослабленную зону, выполненную в виде щели глубиной не менее 1/10 толщины пластины и шириной не более 1,5 мм, согласно изобретению ослабленные зоны имеют криволинейную форму с радиусом кривизны 15-80 мм и расположены по отношению друг к другу и к кромкам пластины на расстоянии не менее 15 мм. Ослабленные зоны могут располагаться как на поверхности керамической пластины, так и внутри ее. Кроме того, ослабленные зоны могут иметь замкнутую произвольную криволинейную форму.
Для изготовления предлагаемого керамического бронеэлемента в известном способе, включающем в себя: подготовку шихты, формование изделия, последующее спекание и выполнение в структуре керамической пластины ослабленных зон, в виде узких щелей с заданными геометрическими размерами, согласно предлагаемому изобретению для выполнения ослабленных зон на этапе формования изделия в прессовочную матрицу в процессе загрузки шихты устанавливают вкладыш в виде ленты, по форме и геометрическим размерам соответствующей заданным размерам ослабленной зоны, при этом материал вкладыша имеет температуру горения ниже температуры спекания керамического изделия. После этапа прессования вкладыш остается в заготовке. Последующий этап спекания изделия проводится при температуре свыше 1400°С в течение не менее 2 часов. По окончании этого этапа вкладыш «выгорает», образуя полость требуемой формы и размеров.
На фиг.1 представлена схема возможного размещения ослабленных зон в керамическом бронеэлементе, выполненном в виде кирасы бронежилета (монопанель).
На фиг.2 представлены варианты выполнения ослабленных зон на керамической плитке различной формы - прямоугольной и шестиугольной, используемой для керамических бронеэлементов, выполненных в виде наборной панели.
На фиг.3 представлены примеры выполнения керамических бронеэлементов в виде наборной панели из отдельных плоских плиток различной формы. Фиг.3а - из прямоугольных, а фиг.3б - из шестигранных плиток.
Керамический бронеэлемент (фиг.1) выполнен в виде одной плоской или изогнутой пластины 1 толщиной 5-18 мм с созданными в ее структуре ослабленными зонами 2 в виде узких щелей криволинейной формы шириной менее 1,5 мм и глубиной не менее 1/10 толщины керамической пластины.
Керамический бронеэлемент может быть выполнен в виде наборной панели из отдельных плоских плиток (фиг.3а и фиг.3б), каждая из которых может иметь любую форму, например прямоугольную или шестигранную (фиг.2). В их структуре также выполнены ослабленные зоны в виде узких щелей криволинейной формы шириной менее 1,5 мм и глубиной не менее 1/10 толщины керамической пластины. Для изготовления бронеэлементов сложной формы удобнее использовать плитки различных типоразмеров (фиг.3а). Границы будут являться естественными препятствиями для распространения магистральных трещин и, одновременно, зонами ослабления всего бронеэлемента.
Защитное действие бронеэлемента происходит следующим образом. При баллистическом воздействии на фронтальную поверхность бронеэлемента в нем возникает волна сжатия, которая начинает распространяться по керамическому материалу. При достижении фронта этой волны любой свободной поверхности волна компрессии при отражении инвертируется в волну растяжения. Поскольку для хрупких материалов, таких как керамика, характерно, что предел прочности на сжатие существенно выше предела прочности на растяжение, именно волна декомпрессии приводит к первичному разрушению материала. Вторичное разрушение бронеэлемента происходит из-за радиальных трещин, распространяющихся от точки воздействия пули. Трещины возникают за счет комплексных растягивающе-сдвиговых нагрузок, воздействующих на материал бронеэлемента (аналогично микровзрыву). Поэтому наличие ослабленных зон, выполненных в виде надрезов, щелей, как и любых свободных поверхностей в керамике, с одной стороны, препятствует распространению магистральных трещин, а с другой - несколько ослабляет локальную баллистическую стойкость. Для обеспечения заданной стойкости бронеэлемента требуется его локальное усиление, что влечет за собой увеличение веса всей конструкции.
Эксперименты показали, что линейный стык плиток в наборной панели (фиг.3а и фиг.3б) ослабляет ее стойкость в пределах погрешности методики испытания, т.е. не более чем на 10%. Существенного эффекта от интерференции отраженных волн не наблюдается при ширине прямоугольного бронеэлемента (расстояние между параллельными ослабленными зонами) более 15 мм. Такое же значение имеет минимальный радиус торцевой поверхности бронеэлемента, при котором еще не проявляется эффект «кумуляции» отраженных волн. Исходя из этого, ограничиваем нижнее значение расстояния между «ослабленными зонами» и их радиуса изгиба. Криволинейная форма ослабленных зон способствует «уводу» трещин с направления действия максимальной нагрузки, что способствует, в конечном счете, их остановке. Исходя из этого, ограничиваем верхнее значение радиуса изгиба щелей предлагаемого бронеэлемента в 80 мм (характерный размер наиболее часто используемых плиток). Снижение эффекта интерференции отраженных волн достигается за счет ограничения радиуса кривизны ослабленной зоны 15-80 мм и минимального расстояния между соседними зонами либо краем бронеэлемента не менее 15 мм.
Поскольку криволинейная форма надрезов позволяет избежать наличия «мертвых зон» в бронеэлементе (как у прототипа) и более эффективно гасить коллинеарные надрезам трещины, то после первичного воздействия разрушений в бронеэлементе будет существенно меньше. Таким образом, повторное воздействие на бронеэлемент с меньшей вероятностью приведет к его некондиционному поражению, что позволяет при сходных массогабаритных характеристиках повысить «живучесть» всего бронеэлемента либо снизить его вес при аналогичной стойкости.
Для апробации предлагаемых изобретений были изготовлены 9 корундовых бронеэлементов в виде плиток размером 80×80 мм толщиной рабочей части 9 мм с запрессованными в них колечками из полипропилена Ф40 мм, толщиной 0,5 мм и высотой 4 мм. Плитки приклеивались на подложку из 8 мм сплава АМг6 в компоновке 3×3. Макет отстреливался пулями Б32 (патрон БЗ-3) из винтовки СВД. Задачей эксперимента было проверить стойкость максимального числа 4-х стыков плиток. В результате удалось получить три кондиционных поражения четверных стыков и одно поражение двойного стыка на расстоянии 15 мм от стыка четырех плиток. При проведении испытаний керамических пластин без выполненных в их структуре ослабленных зон удается получить не более двух кондиционных поражений стыков на макете сходной геометрии.
Таким образом, опытная проверка подтвердила достижение указанного технического результата.