КОМПОЗИТНАЯ КЕРАМИЧЕСКАЯ БРОНЕПАНЕЛЬ

Предлагаемая полезная модель относится к бронепреградам и может быть использована для изготовления средств индивидуальной защиты (СИЗ) (бронежилеты, бронещиты, броненакладки и др.) от бронебойных пуль стрелкового оружия и осколков разорвавшихся боезарядов, а также для использования при защите стационарных объектов и транспортных средств (бронемашин, БМП, БТР, автомобилей, летающих аппаратов, емкостей, контейнеров и др.).
2
2
Известна броня для защитного жилета от поражения пулями с высокой кинетической энергией с целью снижения травмы человека от их воздействия Броня выполнена в виде нескольких расположенных одна рядом с другой плит из твердого материала, помещенных в вязкую на удар оболочку, и образующих компактный блок при соотношении массы блока к площади его тыльной поверхности не менее 2,8 Н/Дм, причем площадь блока не менее 2,5 Дм. (Патент RU 2062430, заявка №5051975 от 23.06.1992, МПК F41H 5/04).
У данного технического решения есть ряд недостатков, а именно, бронепанель не монолитна, а разделена на секции (плиты), плита, даже если она не будет пробита, нанесет сильнейшую травму человеку в связи с тем, что площадь плиты значительно меньше площади всего блока. Кроме этого, если плита выполнена из стали, то с учетом веса вязкой оболочки ее толщина должна находится в пределах 3,0-3,5 мм, что не является препятствием для пуль с закаленными стальными сердечниками, имеющими остроконечную головную часть. Если твердым материалом является керамика, то для обеспечения ее работоспособности в составе бронепанели ей необходим жесткий подпор с тыльной стороны, в противном случае, она будет просто раскалываться ввиду очень высокой хрупкости, пропуская сердечник пули. При попадании сердечника пули в стык, между блоками, он практически беспрепятственно проходит через бронепанель.
Известно техническое решение, состоящее из композиционной системы, состоящей из четырех слоев: лицевого высокотвердого слоя керамики толщиной 1,5±0.2 мм одного из материалов: оксид алюминия -Аl2O3, карбид кремния - SiC, карбид бора - В4O, подслоя, состоящего из пластичного и вязкого никель-алюминиевого (Ni+Al) сплава толщиной 0,1-0,15 мм, бронепанели из высокопрочной конструкционной стали и тканевого бронеслоя из ткани ТСВМ. Бронепанель обладать двумя важными свойствами, а именно, высокой твердостью поверхностного слоя, способного разрушить острую головную часть термоупрочненного стального сердечника пули БЗ-43 и необходимой вязкостью металла стальной бронепанели, достаточной для поглощения энергии удара пули без образования трещин и разрушения стальной брони. (Патент RU №2296288, заявка №2005117979 от 10.06.2005 г, МПК F41H 1/02 (2006.01)
1с
1/2
Проведенные авторами предлагаемого изобретения исследования механизма пробития аналогичных бронепреград бронебойными патронами с сердечником из твердого сплава, имеющего остроконечную головную часть, показали, что высокопрочная сталь не является преградой для твердосплавного сердечника. В месте контакта сердечника и преграды, это достаточно малая площадь контакта, концентрируется огромное количество энергии, которой достаточно, что бы расплавить высокопрочную сталь, с сохранением остроконечной формы головной части сердечника. Тонкий поверхностный слой из высокопрочной керамики дает множество мелких осколков, в силу низкой трещиностойкости (коэффициент интенсивности напряжений К не более 4-5 МПа*м) и также не разрушает сердечник из твердого сплава.
1с
1/2
Чтобы при соударении твердосплавного сердечника пули с бронепреградой не происходило мелкой дефрагментации металлокерамических элементов, основной слой бронепреграды должна иметь твердость сопоставимую с твердость сердечника пули, иметь высокую трещиностойкость (коэффициент интенсивности напряжений К МПа*м) сопоставимую с трещиностойкостью твердого сплава марки ВК8, Данное техническое решение не обладает данными свойствами.
Известна конструкция пулезащитной бронепанели позволяющая решить задачу пулестойкости и живучести средств бронезащиты, в частности бронежилета. Пулезащитная бронепанель, состоит из оболочки, фронтального слоя высокой твердости, расположенного в промежуточном слое и композитного основания, при этом промежуточный слой выполнен в виде нанесенной с двух сторон на фронтальный слой высокомодульной текстильной структуры, например ткани из арамидных или углеродных нитей или стеклоткани с полимерным связующим, например эпоксидным, полиуретановым или фенольным, образуя двустороннее армирование фронтального слоя, а композитное основание выполнено в виде плоской решетчатой фермы, причем несущие слои композитного основания выполнены из текстильного материала, например ткани, нетканой UD-структуры и проч. на основе высокопрочных, высокомодульных, комплексных и элементарных нитей, а равномерно распределенная узловая связь между слоями осуществлена полимерным связующим. Кроме этого двустороннее армирование фронтального слоя выполнено эквидистантно, частота равномерно распределенной узловой связи между слоями фермы задается плотностью переплетения комплексных нитей текстильной структуры, составляющей слой или способом нанесения связующего, полимерное связующее проходит между комплексными нитями, не проникая вглубь их, связывая только периферийные элементарные волокна. (Патент RU №2437053, заявка: 2010138206 от 15.09.2010, МПК F41H 1/02).
Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Указанная конструкция пулезащитной панели для бронежилета, позволяет в основном решить задачи обеспечения пулестойкости и живучести бронепанелей от патронов имеющих стальные сердечники. Керамическая плитка, принимающая основную часть кинетической энергии пули, размещенная в промежуточном слое бронепанели при соударении с сердечником пули из твердого сплава разрушается на мелкие фрагменты. Керамический материал обладает низкой трещиностойкостью. Последующие слой бронепанели обладают высокой вязкость разрушения, что не позволяет образовавшимся частицам керамики и оставшейся части пули пройти на вылет, но тем не менее образуется большая выпучина с тыльной стороны. Кроме этого, данная бронепаненель имеет не высокую живучесть.
Современные тактико-технические требования к средствам бронезащиты формулируют более высокие показатели живучести при воздействии высокоэнергетических бронебойных пуль и пуль повышенной пробиваемости винтовочных патронов калибром 7,62 и выше. Одновременно повышаются требования к уровню защиты человека от контузионной травмы при непробитии защитной композиции, при этом изделия должны быть технологичны, относительно легкими и экономичными при производстве.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение защиты живой силы и объектов техники от бронебойных пуль с сердечниками, имеющими высокую твердость и остроконечную головную часть.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении броневой стойкости бронепанели в уменьшении степени деформации тыльной части бронепанели.
Технический результат достигается композитной керамической бронепанелью, состоящей из оболочки, имеющей фронтальную, тыльную и торцовую поверхности, фронтального слоя высокой твердости, расположенного в промежуточном слое и композитного основания, выполненного из слоев текстильных тканей на основе высокопрочных, высокомодульных нитей соединенных полимерным связующим, при этом промежуточный слой выполнен в виде нанесенного с двух сторон на фронтальный слой композитного слоя состоящего из слоев ткани соединенных полимерным связующим, образуя двустороннее армирование фронтального слоя, при этом фронтальный слой высокой твердости выполнен из керамических плиток толщиной 3-10 мм уложенных слоями через разделительный композитный слой толщиной 2-6 мм и покрытых
4
2
2
ударопрочной пленкой толщиной 100-400 мкм, подложки из слоистого стеклотекстолита толщиной 2-10 мм, нанесение полимерного связующего при соединение слоев ткани в промежуточном слое, композитном основании и разделительном композитном слое выполнено локальным по площади соединения и составляет не более 30% от общей площади. Кроме этого, площадь плитки первого фронтального слоя в 1,1-3,0 раза меньше площади плитки второго тылового слоя, локальное соединение слоев ткани в промежуточном слое, композитном основании и разделительном композитном слое выполнено термореактивным полиуретановым связующим в виде нанесения полос различной ширины, длины, направленности и прерывистости, композитное основание состоит из слоев арамидной, базальтовой и стекло ткани, композитное основание состоит из слоев арамидной, базальтовой и углеродной ткани, композитные промежуточный и разделительные слои состоит из, слоев арамидной ткани соединенных термореактивным полиуретановым связующим твердостью 75-98 ед. по Шору А, композитный промежуточный слой состоит из чередующихся слоев арамидной, базальтовой и стекло - ткани соединенных термореактивным полиуретановым связующим твердостью 75-98 ед. по Шору А, композитный промежуточный слой состоит из чередующихся слоев арамидной, базальтовой и углеродной ткани соединенных термореактивным полиуретановым связующим твердостью 75-98 ед. по Шору А, композитный промежуточный слой состоит из чередующихся слоев арамидной, базальтовой, углеродной, стекло - ткани соединенных термореактивным полиуретановым связующим твердостью 75-98 ед. по Шору А, материал подложки из слоистого стеклотекстолита имеет прочность на разрыв не менее 392 мПа, ударную вязкость по Шарпи не менее 123 кДж/м, площадь одной керамической плитки равна 400-4000 мм, оболочка выполнена из полиуретана толщиной 0,5-5,0 мм на фронтальной и тыльной поверхностях и в форме полусферы высотой 5-15 мм на торцовой поверхности, поверхность плитки со стороны,
5
2
2
3
4
обращенной к фронтальной стороне бронепанели, имеет шероховатость Ra3,2-Ra0,05, площадь подложки равна 30000-100000 мм, керамические плитки находятся к контакте с соседними плитками, зазор между контактирующими гранями плиток находится в пределах 0,01-0,10 мм, керамические плитки имеют форму прямоугольника или шестиугольника и изготовлены из материала на основе AlO или SiC или ВС.
Большинство бронепанелей имеют недостаточный уровень живучести и защиты от заброневой контузионной травмы, особенно при повторных воздействиях. Это обусловлено нарушением монолитности фронтального керамического слоя и, как следствие, при повторных попаданиях пули в бронепанель увеличивается деформации защитных слоев тыльной стороны. Данный недостаток значительно снижается в предлагаемой конструкция пулезащитной бронепанели за счет того, что фронтальный слой высокой твердости выполнен из керамических плиток толщиной 3-10 мм уложенных, как минимум, в два слоя через разделительный композитный слой толщиной 2-6 мм и покрытых, как минимум, с одной стороны, ударопрочной пленкой толщиной 100-400 мкм, подложки из слоистого стеклотекстолита толщиной 2-10 мм, а нанесение полимерного связующего при соединение слоев ткани в промежуточном слое и композитном основании выполнено локальным по площади соединения и составляет не более 30% от общей площади.
Выполнение оболочки из полиуретана толщиной 0,5-5,0 мм на фронтальной и тыльной поверхностях в форме полусферы высотой 5-15 мм на торцовой поверхности позволяет повысить живучесть в условиях повышенной влажности и ударных нагрузок при падении бронепанели с большой высоты. Выполнение промежуточного слоя и композитного основания в виде многослойных структур состоящую из слоев арамидной ткани покрытых термореактивным полиуретановым связующим твердостью 75-98 ед. по Шору А и чередующихся слоев базальтовой и арамидной ткани покрытых полимерным связующим твердостью 90-98 ед. по Шору А
6
позволяют значительно уменьшить степень деформации тыльной части пулезащитной бронепанели и снизить степень заброневой контузии.
На основе проведенных авторами исследований по механизмам разрушения бронепанелей имеющих различные виды керамических плиток и проведенных математических расчетов разрушения преград при соударении с бронебойными сердечниками, было установлено, что покрытие керамических плиток со стороны противоположной удару, ударопрочной пленкой, приводит к увеличению фрагментов керамической плитки при ее разрушении, значительно сокращается зона образования круговых трещин. Нанесение ударопрочной пленки с двух сторон, снижает фронтальный откол фрагментов керамического материала, что способствует разрушению сердечника на более мелкие фрагменты. Также были определены требования к микроструктуре керамических плиток, их геометрическим размерам, к механическим свойствам подложки из высокопрочного пластика, взаимному расположению чередующихся слоев для основы и промежуточного слоя, материалов, из которых возможно изготовление данных композиций, способных противостоять пулям с бронебойными сердечниками. Наличие дополнительных оболочек и слоев, выполненных из различных материалов, способствуют значительному повышения защитных свойств бронепанели и расширяют область их использования от бронежилетов до использования при защите стационарных объектов и транспортных средств (бронемашин, БМП, БТР, автомобилей, летающих аппаратов, емкостей, контейнеров и др.).
На фигуре 1 схематично представлена пулезащитная бронепанель имеющая фронтальную, тыльную и торцовую поверхности, где позициями обозначены следующие элементы: оболочка 1 выполнена из полиуретана толщиной 0,5-5,0 мм на фронтальной и тыльной поверхностях и в форме полусферы высотой 5-15 мм на торцовой поверхности, фронтальный слой высокой твердости 2, выполнен из керамических плиток толщиной 3-10 мм уложенных, как минимум, в два слоя 2.1 и 2.2 через разделительный композитный слой 2.6 толщиной 2-6 мм и покрытых как минимум, с одной
7
стороны, ударопрочной пленкой 2.3, 2.4 толщиной 100-400 мкм, подложки 2.5 из слоистого стеклотекстолита толщиной 2-10 мм, промежуточный слой 3 выполненный в виде нанесенного с двух сторон на фронтальный слой высокой твердости 2 композитного слоя состоящего из слоев ткани соединенных полимерным связующим, композитное основание 4 выполненного из слоев текстильных тканей на основе высокопрочных, высокомодульных нитей соединенных полимерным связующим, полимерное связующее при соединение слоев ткани в промежуточном слое, композитном основании и разделительного композитного слоя выполнено локальным по площади соединения и составляет не более 30% от общей площади.
Экспериментально проверено и расчеты показали, что при исполнении композитной керамической бронепанели по предлагаемому техническому предложению ее пробитие пулей снаряженной бронебойным сердечником не происходит.
При описании процесса взаимодействия бронепанели пулезащитной с летящей пулей рассматривается случай ее не пробития.
При попадании пули в бронепанель, с высокой кинетической энергией, происходит поэтапное поглощение энергии пули и ее разрушение. Часть кинетической энергии пули, очень не значительная, затрачивается на пробитие оболочки 1. Задача оболочки 1 и промежуточного слоя 3 уменьшить область разрушения керамики в форме усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к фронтальной поверхности и большим основанием к подложке. По имеющимся литературным данный ((Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования. / В.А Григорян, И.Ф. Кобылкин, В.М. Маринич, Е.Н. Чистяков. - М. Изд. РадиоСофт, 2008 - 406 с., стр. 159-176)) диаметром меньшего основания, составляет порядка 4 диаметра ударника, это так называемая, центральная зона раздробленной керамики. Кроме данной зоны образуется периферийная зона с регулярными радиальными и круговыми трещинами, диаметр которых
8
составляет порядка 8 диаметров ударника. Эти трещины возникают вдоль границы, разделяющей внутреннюю сжатую (это фронтальная зона разрушения керамической плитки) и внешнюю растянутую (это тыловая зона разрушения керамической плитки) радиальными напряжениями области материала керамики. Периферийная зона имеет крупные фрагменты, которые удерживаются промежуточным слоем 3 и оболочкой 1 повышая живучесть бронепанели. Наши наблюдения показывают, что покрытие ударопрочной пленкой с фронтальной стороны керамических плиток, размеры фрагментов на которые разрушается керамический слой увеличиваются.
Тыловая зона разрушения имеет форму конуса, практически для всех броневых керамик угол раствора конуса изменяется в пределах 2α==110°…130°. Разрушение тыловой керамики на начальной стадии формирования и ускорения конической области можно уподобить пористому телу, состоящему из тесно прилегающих друг к другу керамических фрагментов и обладающему определенной сдвиговой прочностью вследствие трения между фрагментами, особенно в условиях действия сжимающих напряжений. Если сдвиговые напряжения превышают силы трения, то возможно пластическое деформирование разрушенной керамики, которое может сопровождаться как дополнительным разрушением керамических фрагментов, так и увеличением объема разрушенной керамики вследствие их разворота. Все это приводит к тому, что, во-первых, проникание остатков сердечника в разрушенную керамику сопровождается не только инерционным, но и прочностным сопротивлением, во-вторых, разрушенный керамический конус под действием сил взаимодействия с проникающей пулей ускоряется как твердое тело и включает во взаимодействие последующие слои подложки еще до подхода к ним бронебойного сердечника. Наличие разделительного композитного слоя 2.6 из слоев арамидной ткани, жесткого и прочного второго керамического слоя 2.2 и подложки 3 из высокопрочного пластика является препятствием для дальнейшего продвижения разрушенного керамического конуса с фрагментами сердечника. Происходит прочностное
9
сопротивление разрушенной керамики первого слоя 2.1, увеличивается и происходит дальнейшее разрушение фрагментов сердечника. Далее поток фрагментов сердечника и керамической плитки передает свою кинетическую энергию разделительному слою 2.6, керамическому слою 2.2 основанию 4, промежуточному слою 3 и оболочке 1 где и поглощается неупругой и упругой составляющими деформации композита основания.
Предлагаемое техническое решение повышает живучесть средства бронезащиты, способного выдерживать до 2-3 попаданий пули на один квадратный дециметр поверхности.
Производство бронепанели технологично и может быть осуществлено на действующем оборудовании машиностроительных заводов.