МНОГОСЛОЙНЫЙ ПАКЕТ ДЛЯ СРЕДСТВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ (ВАРИАНТЫ)
MULTILAYER PACKET FOR APPARATUS FOR PERSONAL PROTECTION FROM IMPACT ACTION (VERSIONS)

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты (СИЗ) от ударного, в том числе от ударного баллистического, воздействия и может быть использовано, в частности, при изготовлении бронежилетов и бронекомбинезонов.
Известно, что использование керамики в пакетах для СИЗ ограничено связанным с нею резким увеличением веса и габаритов СИЗ. В связи с этим предпринимаются попытки снизить вес и толщину керамического элемента пакета при сохранении и даже повышении его ударной стойкости.
Известен многослойный пакет для защиты от ударного воздействия, включающий наружный слой из оксидно-алюминиевой керамики и внутренний слой из сплава алюминия, разделенные тонким скрепляющим клеевым слоем (Wilkins M.L. Mechanics of Penetration and Perforation, Eng. Science, 1979, v.16, №11, p.793).
Известен также многослойный пакет того же назначения с наружным слоем из высокотвердого материала типа керамики и внутренним из стекла, разделенными слоем пластичного материала (RU патент №2060439 С1, МПК F41H 5/04, опубл. 20.05.1996, бюл. №14).
Недостатками известных пакетов являются существенный вес их керамического слоя, благодаря которому общий вес, например, бронежилета достигает 15 кг, и существенная толщина этого слоя, способствующая при ударном баллистическом воздействии образованию вторичных осколков с высокой поражающей способностью. Еще одним недостатком известных пакетов является разнотипность их функциональных слоев. Именно недостаточная стойкость к ударному воздействию внутренних слоев в обоих известных пакетах обусловливает большую толщину и вес наружных керамических слоев.
3
Известен многослойный пакет, включающий пористый керамический слой, расположенный между слоями армированной волокном резины (WO 2005/031244 А1, МПК F41H 5/04, С04В 38/00, опубл. 07.04.2005). Керамический слой известного пакета выполнен из оксида алюминия, магния или кремния или их смеси, имеет плотность от 0,3 до 1,5 г/см, диаметр пор примерно 20-120 мкм и толщину 0,5-10 мм.
Известный пакет, так же как и предыдущие пакеты, состоит из слоев разнотипных материалов, обладающих, включая пористый керамический слой, недостаточной стойкостью к ударному воздействию. Керамический слой слишком хрупкий и при физическом воздействии превращается в порошок.
Известен многослойный пакет, стойкий к ударному баллистическому воздействию, включающий слой, состоящий из пористой оксидно-алюминиевой керамики, поры которой частично или полностью заполнены инфильтрованным в них металлом или сплавом, взятым из группы алюминий, бериллий, магний или титан или их сплавы (WO 03/012363 А1, МПК F41H 5/04, опубл. 13.02.2003). Указанный керамический слой заделан в каркас из металлических пластин.
Известный пакет представляет собой тяжелый монолит из керамики и металла, полученный заливкой расплава металла в поры керамики с полной закупоркой пор, причем каркас служит формой для заливки и увеличивает вес пакета.
Известен многослойный пакет от ударного воздействия, предназначенный для средств индивидуальной защиты, состоящий из отдельных, однотипных, скрепленных между собой по периферии клеевым соединением, слоев алюминиевой фольги толщиной менее 70 мкм, каждый из которых имеет поверхностную интегральную оксидированную составляющую, препятствующую слипанию соседних слоев фольги (RU патент №2295692, МПК F41H 5/04, F41H 1/02, F41H 7/00, F41H 11/00, опубл. 20.03.2007, Бюл. №8). Пакет выполнен последовательным напылением слоев фольги, а оксидированная составляющая образована термической обработкой поверхности каждого слоя.
Известный гибкий пакет обладает недостаточной стойкостью к ударному баллистическому воздействию из-за невысоких уровней прочности и твердости алюминиевой фольги как основы пакета, а оксидированная составляющая пакета слишком ничтожна по толщине, чтобы повысить этот уровень.
Многослойный пакет по патенту RU №2295692 по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким к предлагаемому и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка тонкого, легкого, гибкого многослойного пакета на основе керамики.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении стойкости пакета к ударному воздействию за счет повышения прочности, твердости и сохранения гибкости каждого из его однотипных слоев.
Изобретение выполнено в двух вариантах.
По первому варианту техническая задача решена, а технический результат достигнут тем, что в многослойном пакете для средств индивидуальной защиты от ударного воздействия, состоящем из скрепленных между собой клеевым соединением слоев, каждый из которых содержит алюминиевую фольгу и расположенную, по меньшей мере, с одной ее стороны, интегральную с ней, оксидированную составляющую, согласно изобретению оксидированная составляющая любого из слоев алюминиевой фольги, взятого толщиной не более 300 мкм, выполнена в виде пористой керамической пленки, поры которой направлены перпендикулярно к поверхности слоя, при этом суммарная толщина пористой керамической пленки составляет не менее 50,0% от указанной толщины слоя, причем в частных случаях пористая керамическая пленка на алюминиевой фольге любого слоя выполнена анодированием в электролите, клеевое соединение выполнено в виде сплошного слоя, а в качестве клея использован пленочный клей.
Отличительными признаками многослойного пакета для СИЗ по первому варианту являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- выполнение оксидированной составляющей любого из слоев в виде пористой керамической пленки;
- толщина отдельного слоя, составляющая не более 300 мкм;
- направление пор в керамической пленке любого слоя перпендикулярно поверхности этого слоя;
- суммарная толщина пористой керамической пленки в одном отдельном слое, составляющая не менее 50,0% от толщины этого слоя;
б) признаки, обеспечивающие получение технического результата в частных случаях:
- выполнение пористой керамической пленки на алюминиевой фольге любого слоя анодированием в электролите;
- выполнение клеевого соединения в виде сплошного слоя;
- использование пленочного клея в качестве клея для соединения слоев между собой.
По второму варианту задача решена и цель достигнута тем, что в многослойном пакете для средств индивидуальной защиты от ударного воздействия, состоящем из скрепленных между собой клеевым соединением слоев, каждый из которых содержит алюминиевую фольгу и расположенную, по меньшей мере, с одной ее стороны интегральную с ней оксидированную составляющую, согласно изобретению оксидированная составляющая любого из слоев, взятого толщиной не более 300 мкм, выполнена в виде пористой керамической пленки суммарной толщиной, составляющей не менее 50,0% от указанной толщины слоя, при этом поры керамической пленки направлены перпендикулярно к поверхности слоя и частично или полностью заполнены наночастицами металла или сплава, причем в частных случаях пористая керамическая пленка на алюминиевой фольге любого слоя выполнена анодированием в электролите; клеевое соединение выполнено в виде сплошного слоя; в качестве клея использован пленочный клей: поры керамической пленки заполнены наночастицами металла или сплава гальванически или путем химического осаждения, при этом частицы имеют нитевидную форму; диаметр наночастиц металла или сплава составляет 0,01-0,20 мкм, а длина 10-200 мкм; в качестве металла наночастиц использован никель, кобальт, железо, олово или медь или их сплав.
Отличительными признаками многослойного пакета для СИЗ по второму варианту являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- выполнение оксидированной составляющей любого из слоев в виде пористой керамической пленки;
- толщина отдельного слоя, составляющая не более 300 мкм;
- суммарная толщина пористой керамической пленки в одном отдельном слое, составляющая не менее 50,0% от толщины этого слоя;
- направление пор в пленке любого слоя перпендикулярно поверхности этого слоя;
- частичная или полная заполненность указанных выше пор наночастицами металла или сплава;
б) признаки, обеспечивающие получение технического результата в частных случаях:
- выполнение пористой керамической пленки на алюминиевой фольге любого слоя анодированием в электролите;
- выполнение клеевого соединения в виде сплошного слоя;
- использование пленочного клея в качестве клея для соединения слоев между собой;
- заполненность пор керамической пленки любого слоя наночастицами металла или сплава, достигнутая гальванически или путем химического осаждения;
- нитевидная форма вышеупомянутых наночастиц;
- диаметр наночастиц, составляющий 0,01-0,20 мкм, и их длина, составляющая 10-200 мкм;
- использование никеля, кобальта, железа, олова или меди или их сплава в качестве металла наночастиц.
Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков неизвестна, и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Заявленный многослойный пакет для индивидуальных СИЗ обладает стойкостью к ударному воздействию, превышающей аналогичную стойкость пакета по прототипу в десятки раз. Такой уровень стойкости заявленного пакета обусловлен высокой прочностью и твердостью каждого слоя пакета, при этом в пакетах по обоим вариантам прочность и твердость слою придает оксидированная составляющая, выполненная в виде пористой керамической пленки определенной толщины, достаточной, чтобы быть твердой и прочной, а в пакете по второму варианту дополнительную прочность и твердость каждому слою придает наличие в порах керамической пленки металлических наночастиц вязких металлов или их сплавов.
Оксидированная составляющая слоя пакета по прототипу выполняет вспомогательную функцию отделителя прилежащих слоев друг от друга и поэтому нанесена тончайшим поверхностным слоем. В заявленном пакете эта составляющая в виде пленки толщиной не менее 50% от первоначальной толщины слоя выполняет основную защитную функцию, чему способствуют не только свойства ее материала, но и равномерная упорядоченная структура с порами, направленными перпендикулярно к поверхности слоя, предоставляющими возможность для ориентированного заполнения их наночастицами металла или сплава. Создать такой слой оказалось возможным путем анодирования фольги в кислотном или щелочном электролите, а заполнить поры полученной керамической пленки - путем химического осаждения или гальванически.
Пористая керамическая пленка может быть расположена на одной или обеих сторонах фольги, но в любом случае ее толщина (суммарная при нанесении на обе стороны) должна составлять не менее 50% от толщины слоя для приобретения необходимых защитных свойств, что было определено экспериментальным путем. Твердость такой пленки достигает 5000-6500 МПа.
Толщина отдельного слоя заявленного пакета не должна превышать 300 мкм, что связано как с технологическими особенностями электрохимических способов, так и с потерей гибкости пакета, связанной с излишне высокой жесткостью каждого слоя.
Отдельные слои в пакетах по обоим вариантам скреплены друг с другом по всей поверхности для достижения необходимой жесткости и твердости пакетов в целом. Такие пакеты обладают стойкостью к ударному баллистическому воздействию, сопоставимой со стойкостью пластины из броневой стали, при этом они не теряют гибкости, так как прочность на излом им обеспечивает скрепляющий материал, преимущественно пленочный клей на основе фенольно-каучуковой смеси или полиуретана, и неанодированная часть каждого слоя - алюминиевая фольга. Этот же скрепляющий материал и фольга способствуют исключению образования осколков при пробитии слоев пакета.
В пакете по прототипу отдельные слои практически не связаны между собой, за исключением тонкого клеевого соединения по их периметру. Они работают в пакете каждый за себя по принципу одноэлементности, но ввиду того, что материалом их остается алюминиевая фольга, они не обладают ни твердостью, ни жесткостью керамики. Пакет, составленный из этих слоев, обладает низкой стойкостью к ударному воздействию по сравнению с заявляемым.
Особенностью пакета по второму варианту является присутствие в нем наночастиц металла или сплава, преимущественно никеля, хотя можно использовать наночастицы кобальта, железа, олова или меди или их сплава. Нитевидные наночастицы диаметром от 0,01 до 0,20 мкм и длиной от 10 до 200 мкм выращивают в порах керамической пленки, не нарушая пористой структуры самой пленки, при этом получают наночастицы с одинаковым диаметром и с одинаковым фактором геометрической анизотропии (отношение длины нитевидной наночастицы к ее диаметру), с прочностью и твердостью, превышающими прочность и твердость литых пластин из тех же металлов и сплавов. Все это способствует существенному повышению прочности и твердости керамической пленки каждого отдельного слоя.
Поры пленки можно заполнять на любую их высоту, причем при полном заполнении на поверхности образуется сплошное покрытие из наночастиц.
Таким образом, заявленный пакет по любому из вариантов эффективнее пакета по прототипу, он обладает высокой стойкостью к ударному механическому, в особенности, к ударному баллистическому воздействию.
Количество слоев в пакете по любому из вариантов зависит от необходимой степени защиты. В большинстве случаев достаточно бывает 18-80 слоев. При необходимости число слоев в пакете можно уменьшить или увеличить.
Заявленный многослойный пакет тонок, легок и гибок. Набранный из 18 слоев, он имеет толщину всего около 5,2 мм.
Предложенный пакет в зависимости от необходимого уровня защиты можно дополнить 30-50 гибкими бронеслоями, выполненными из баллистически стойкой арамидной ткани, и снабдить антитравматическими гибкими слоями, выполненными из нетканого арамидного материала.
Структура отдельного слоя пакета по первому варианту показана на фиг.1, по второму варианту - на фиг.2.
Слой пакета, представленный на фиг.1, содержит алюминиевую фольгу 1 и пористую керамическую пленку 2, интегральную с фольгой 1. Пленка 2 выполнена на обеих сторонах фольги 1, при этом ее поры 3 направлены перпендикулярно к поверхности фольги 1. Структура слоя пакета, представленного на фиг.2, совпадает со структурой вышеописанного слоя и дополнительно содержит нитевидные наночастицы 4, размещенные в порах 3 пленки 2.
Многослойный пакет по любому из вариантов состоит из слоев, уложенных друг на друга и скрепленных между собой клеевым соединением.
Пример 1. Комплект для СИЗ, состоящий из пакета по первому варианту изобретения, включающего 28 слоев, скрепленных фенольно-каучуковым пленочным клеем, и из 30 слоев арамидной ткани, не был пробит при испытаниях по 2-му классу защиты (ГОСТ Р 50744-95, пистолет ТТ). Толщина отдельного слоя из 28 упомянутых выше слоев была равна 50 мкм, суммарная толщина пористой керамической пленки обеих сторон каждого слоя - 30 мкм, что составило 60% от толщины слоя, толщина пакета - 7,5 мм.
Пример 2. Комплект для СИЗ, состоящий из пакета по второму варианту изобретения, включающего 18 слоев, скрепленных фенольно-каучуковым пленочным клеем, и из 30 слоев арамидной ткани, также не был пробит при испытаниях по тому же классу защиты, что и в примере 1. Пакет из указанных 18 слоев в этом примере отличался от пакета по примеру 1 тем, что поры керамической пленки на обеих сторонах каждого слоя были заполнены нитевидными наночастицами никеля диаметром 0,04 мкм. Толщина отдельного слоя из 18 упомянутых выше слоев была равна 50 мкм, суммарная толщина пористой керамической пленки обеих сторон каждого слоя 25 мкм, что составило 50% от толщины слоя.
Пример 3. Комплект для СИЗ, включающий пакет по первому варианту изобретения, состоящий из 20 слоев с заявленной пленкой на одной стороне каждого слоя, дополненный 30 слоями арамидной ткани, также не был пробит.Толщина каждого слоя в пакете была равна 70 мкм, а толщина его пористой керамической пленки - 69,3 мкм или 99%.
Пакет по прототипу не выдерживает аналогичных условий испытаний.
Класс защиты, указанный в примерах, ни в коем случае не ограничивает возможности изобретения. Он может быть выше или ниже при соответствующем увеличении или уменьшении числа слоев в пакете.
Работа многослойного пакета.
При попадании пули в пакет удар воспринимает пористая керамическая пленка, которая благодаря своей твердости гасит основную долю энергии пули и в десятом-пятнадцатом слоях останавливает или разрушает ее. Остаточную энергию поглощает ткань. В пакете по второму варианту нитевидные наночастицы из вязких твердых материалов в порах керамической пленки способствуют дополнительному рассеиванию энергии пули, тормозя ее. В обоих вариантах рассеиванию энергии способствует также алюминиевая фольга.
Многослойный пакет по обоим вариантам изготавливают на оборудовании химических производств.