КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
COMPOSITE MATERIALS AND THEIR APPLICATION

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка притязает на приоритет в соответствии с 35 U.S.C. § 119(е) по отношению к предварительной заявке на патент США № 61/175336, поданной 4 мая 2009 года и включаемой в настоящий документ путем ссылки; и предварительной заявке на патент США № 61/179217, поданной 18 мая 2009 года и включаемой в настоящий документ путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к композиционным материалам и, в частности, к композиционным материалам, предназначенным для потенциального использования там, где требуется высокая ударная прочность, например стойкость к баллистическому удару или взрывной волне.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Материалы, способные выдерживать большую ударную нагрузку различного происхождения, например от снарядов и сжимающих взрывных волн, используют в широком диапазоне вариантов применения, в том числе для защиты конструкций гражданского и военного назначения. Например, отражатели взрывной волны уже используют для экранирования зданий или других представляющих интерес конструкций от потенциального разрушения, вызванного различными взрывными устройствами. Кроме того, взрывостойкие конструкционные материалы используют при строительстве правительственных и военных зданий как следствие усиления мер противодействия вооруженным нападениям на подобные сооружения. Например, Межведомственным комитетом по вопросам безопасности (Interagency Security Committee - ISC) Управления служб общего назначения США (General Service Administration - GSA) разработаны критерии, направленные на обеспечение того, что соображения безопасности, в том числе взрывостойкость, являются неотъемлемой частью планирования, разработки и возведения федеральных административных зданий и проектов их модернизации.
Несмотря на важность таких материалов для строительства и усовершенствования имеющихся конструкций, существует потребность в более прочных, легких и экономичных материалах. Значительным недостатком существующих взрывостойких материалов является неизбежно большой вес конструкции и значительная толщина, необходимые для достижения приемлемого уровня взрывостойкости. Например, к обычным материалам, используемым для усиления, относятся бетонные панели со средним или значительным усилением вспомогательными конструкциями, такими как трубы или каналы. Результатом увеличения веса и толщины и неизбежности тяжелого конструктивного усиления является то, что многие взрывостойкие материалы сложно эффективно использовать в новых или существующих конструкциях.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном из аспектов настоящее изобретение относится к композиционным материалам. В некоторых вариантах осуществления изобретения эти композиционные материалы являются взрывостойкими и/или стойкими к баллистическому удару. В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения включает неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая наружная поверхность и вторая наружная поверхность, противоположная первой наружной поверхности; и, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань с открытой структурой, расположенную в неорганической керамической матрице между первой наружной поверхностью и второй наружной поверхностью. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал дополнительно включает защитный слой, который соединен со вторым наружным слоем неорганической керамической матрицы. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал дополнительно включает стекловолоконную ткань, которая соединена с первой наружной поверхностью неорганической керамической матрицы. В других вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал включает, по меньшей мере, три слоя стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенных в матрице между первым наружным слоем и вторым наружным слоем. В некоторых вариантах осуществления изобретения эти слои стекловолоконной ткани с открытой структурой расположены в неорганической керамической матрице с равными интервалами. В некоторых вариантах осуществления изобретения первый и/или второй слои стекловолоконной ткани образованы стекловолоконной тканью с открытой структурой, такой как стекловолоконная ткань перевивочного или петлистого переплетения. В некоторых вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань может быть частично покрыта полимером.
В некоторых вариантах своего осуществления композиционный материал настоящего изобретения включает первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую куски камня, такого как гранит, и вторую неорганическую керамическую матрицу, расположенную рядом с первой неорганической керамической матрицей, которая содержит, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань или стекловолоконную ткань с открытой структурой, находящуюся во второй неорганической керамической матрице. В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал дополнительно включает защитный слой, который соединен со второй неорганической матрицей. В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать первую неорганическую керамическую матрицу, которая может иметь толщину, по меньшей мере, 0,5 дюйма (12,7 мм), и вторую неорганическую керамическую матрицу, которая может иметь толщину, по меньшей мере, 0,5 дюйма (12,7 мм). В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать первую неорганическую керамическую матрицу и вторую неорганическую керамическую матрицу, каждая из которых имеет толщину около одного дюйма (25,4 мм). В других вариантах осуществления изобретения толщина первой и второй неорганической керамической матрицы может составлять около двух дюймов (50,8 мм). В других вариантах осуществления изобретения первая неорганическая керамическая матрица может содержать до 40% об. камня. В альтернативных вариантах осуществления изобретения первая неорганическая матрица может содержать до 540% об. камня. В некоторых вариантах осуществления изобретения первая неорганическая керамическая матрица может содержать до примерно 40% об. песка. В других вариантах осуществления изобретения первая неорганическая матрица может содержать до примерно 50% об. песка.
В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал может иметь форму панели, длина и ширина которой намного больше ее толщины. В других вариантах осуществления изобретения эта панель может иметь длину, по меньшей мере, 7 футов (2,1 м). В других вариантах осуществления изобретения эта панель может иметь длину, по меньшей мере, 13 футов (4 м). В других вариантах осуществления изобретения панель может иметь четыре поверхности, где по толщине панели одна или более поверхностей имеют форму части клиновидного соединения внахлестку для облегчения сборки множества панелей. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления изобретения панели могут иметь такую форму, что две или более панели можно соединить посредством клиновидного соединения внахлестку. В некоторых вариантах осуществления изобретения достаточное число панелей можно соединить друг с другом посредством клиновидного соединения внахлестку так, чтобы образовалась стена.
В другом аспекте настоящим изобретением обеспечивается способ изготовления композиционного материала, включающего первую неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая наружная поверхность и вторая наружная поверхность, противоположная первой наружной поверхности и в целом параллельная первой наружной поверхности; и дополнительно включающего, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань с открытой структурой, расположенную в неорганической керамической матрице между первой наружной поверхностью и второй наружной поверхностью. В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал может быть снабжен металлической рамой, окружающей неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая наружная поверхность и вторая наружная поверхность, противоположная первой наружной поверхности и в целом параллельная первой наружной поверхности; дополнительно включающую, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань с открытой структурой, расположенную в неорганической керамической матрице между первой наружной поверхностью и второй наружной поверхностью. В других вариантах осуществления изобретения им обеспечивается способ образования керамической матрицы, включающей первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую куски камня и песок, и вторую неорганическую керамическую матрицу, содержащую, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань с открытой структурой, расположенную во второй неорганической керамической матрице, где композиционный материал отливают в металлическую раму, окружающую неорганическую керамическую матрицу. В других вариантах осуществления изобретения металлическая рама может представлять собой стальную раму. В других вариантах осуществления изобретения возможно использование одного или более якорей для дополнительного крепления композиционного материала в раме. В некоторых вариантах осуществления изобретения такой якорь может включать болт.
В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения включает множество выступов, осажденный слой, соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу, контактирующую с осажденным слоем и содержащую, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани, представляет собой стекловолоконную тканью с открытой структурой, такую как стекловолоконная ткань перевивочного или петлистого переплетения.
В некоторых вариантах осуществления изобретения дополнительный слой, образованный стойким к растрескиванию материалом, может быть прикреплен к лицевой поверхности неорганической керамической матрицы. В других вариантах осуществления изобретения стойкий к растрескиванию материал может быть прикреплен к неорганической керамической матрице при помощи эпоксидной смолы. В других вариантах осуществления изобретения стойкий к растрескиванию материал может быть распылен на указанную неорганическую керамическую матрицу. В других вариантах осуществления изобретения стойкий к растрескиванию материал может содержать Mil-Tough.
50
Композиционным материалам настоящего изобретения может быть придана форма панелей или других изделий с заданными размерами. В некоторых вариантах осуществления изобретения размеры изделий из композиционных материалов могут быть подобраны так, чтобы изделия обеспечивали стойкость установленного Министерством обороны (МО) минимального уровня и установленного GSA среднего и/или высокого уровня защиты от взрывной нагрузки в соответствии с UFC (Unified Facilities Criteria - UFC; Единые критерии для объектов) и требованиями ISC. В контексте настоящего документа «Стандарты уровней защиты UFC» означают документ МО США «Minimum Antiterrorism Standards for Buildings, Unified Facilities Criteria (UFC) 4-010-01», октябрь 2003 г., включаемый в настоящее описание путем ссылки. В контексте настоящего документа «Стандарт ISC» означает документ «ISC Security Design Criteria for New Federal Office Buildings and Major Modernization projects (Критерии проектирования с учетом безопасности для новых федеральных административных зданий и основных проектов модернизации), The Interagency Security Committee, U.S. General Services Administration», 2001, включаемый в настоящее описание путем ссылки. В других вариантах осуществления изобретения размеры изделий из композиционных материалов могут быть подобраны так, чтобы эти изделия обеспечивали защиту от баллистического удара в соответствии с документом МО США «Test Method Standard for V Ballistic Test for Armor, MIL-STD-662F», декабрь 1997 г. (также именуемым в настоящем описании «MIL-STD-662F»), включаемым в настоящее описание путем ссылки. В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционному материалу может быть придана форма панелей, для сборки которых не требуется механическое оборудование. В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционному материалу может быть придана форма панелей, которые могут переносить два человека.
В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционному материалу может быть придана форма панелей, предназначенных для использования при строительстве новых конструкций. В альтернативных вариантах осуществления изобретения композиционному материалу может быть придана форма панелей, предназначенных для использования при сооружении переносных конструкций. В других вариантах осуществления изобретения композиционному материалу может быть придана форма панелей, которые могут быть использованы для модификации существующих конструкций.
В других вариантах осуществления изобретения композиционному материалу может быть придана форма панелей с приспособлением для клиновидного соединения внахлестку с тем, чтобы панели можно было соединитель друг с другом с образованием более крупной конструкции. В других вариантах осуществления изобретения композиционному материалу может быть придана форма панелей длиной до восьми футов (2,4 м). В других вариантах осуществления изобретения длина панелей может составлять до четырнадцати футов (4,2 м). В некоторых вариантах осуществления изобретения толщина панелей может составлять до 1,5 дюймов (38,1 мм). В других вариантах осуществления изобретения толщина панелей может составлять до 3,5 дюймов (88,9 мм). В других вариантах осуществления изобретения длина панелей может составлять, по меньшей мере, 7 футов (2,1 м). В других вариантах осуществления изобретения длина панелей может составлять, по меньшей мере, 13 футов (4 м).
В других вариантах осуществления изобретения композиционному материалу может быть придана форма устройства для защиты от действия ударной волны, первая стенка которого образована неорганической керамической матрицей, содержащей камень и песок, а вторая стенка образована неорганической керамической матрицей, содержащей, по меньшей мере, один слой стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенной в неорганической керамической матрице, при этом первая стенка и вторая стенка отстоят друг от друга на расстояние, равное шести дюймам (152 мм). В других вариантах осуществления изобретения устройство для защиты от действия ударной волны может дополнительно включать раму, внутри которой, на расстоянии шести дюймов (152 мм) друг от друга, удерживаются первая стенка и вторая стенка.
В одном из аспектов, настоящим изобретением обеспечиваются способы изготовления стойких к баллистическому удару композиционных материалов. В одном из вариантов осуществления способ изготовления стойкого к баллистическому удару композиционного материала включает обеспечение первой неорганической керамической матрицы, содержащей куски камня, такого как гранит, произвольно распределенные в матрице, и второй неорганической матрицы, присоединенной к первой неорганической керамической матрице, где вторая неорганическая керамическая матрица содержит множество слоев стекловолоконной ткани или стекловолоконной ткани с открытой структурой, распределенных по неорганической матрице с равными интервалами. В некоторых вариантах осуществления изобретения стойкий к баллистическому удару композиционный материал может включать неорганическую керамическую матрицу, содержащую множество кусков гранита, распределенных в неорганической керамической матрице. В других вариантах осуществления изобретения стойкий к растрескиванию материал, такой как Mil-Tough, может быть распылен на указанную неорганическую керамическую матрицу или прикреплен к ней посредством эпоксидного клея для исключения отслаивания.
В другом аспекте настоящим изобретением обеспечиваются способы изготовления взрывостойких композиционных материалов. В одном из вариантов осуществления способ изготовления взрывостойкого композиционного материала включает обеспечение неорганической керамической матрицы с первой поверхностью, противоположной второй поверхности, и расположение в керамической матрице множества слоев армирующей стекловолоконной ткани. В некоторых вариантах осуществления изобретения первую стекловолоконную ткань располагают вблизи первой поверхности керамической матрицы, вторую стекловолоконную ткань располагают вблизи второй поверхности керамической матрицы и, по меньшей мере, одну дополнительную стекловолоконную ткань располагают между первым и вторым слоями ткани, при этом, по меньшей мере, одна дополнительная ткань характеризуется меньшей пористостью, чем первая ткань и/или вторая ткань. В некоторых вариантах осуществления изобретения множество дополнительных слоев стекловолоконной ткани может быть расположено между первым и вторым слоями ткани. В альтернативных вариантах осуществления изобретения множество слоев стекловолоконной ткани или стекловолоконной ткани с открытой структурой располагают на равных расстояниях по всей неорганической керамической матрице.
В другом варианте осуществления изобретения способ изготовления взрывостойкого композиционного материала включает обеспечение множества выступов, соединение осажденного слоя со множеством выступов и осаждение неорганической керамической матрицы на осажденный слой, при этом керамическая матрица включает, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани, расположенный внутри нее.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала настоящего изобретения включает обеспечение первой неорганической керамической матрицы, содержащей куски камня, такого как гранит, произвольно распределенные в матрице, и второй неорганической матрицы, присоединенной к первой неорганической керамической матрице, где вторая неорганическая керамическая матрица содержит множество слоев стекловолоконной ткани или стекловолоконной ткани с открытой структурой, распределенных по неорганической матрице с равными интервалами. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал может включать неорганическую керамическую матрицу, содержащую множество кусков гранита, распределенных в неорганической керамической матрице.
В другом варианте осуществления изобретения композиционному материалу настоящего изобретения может быть придана форма взрывостойкой или стойкой к баллистическому удару стеновой конструкции. В дополнительных вариантах осуществления изобретения стеновая конструкция, соответствующая настоящему изобретению, может включать первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую крупные куски гранита, закрепленную на втором слое неорганической керамической матрицы со множеством распределенных в ней слоев стекловолоконной ткани. Еще в одном варианте осуществления изобретения первый и второй слои отстоят от третьей неорганической керамической матрицы, содержащей множество зафиксированных слоев стекловолоконной ткани, уменьшающей растрескивание, на некоторое расстояние. В некоторых вариантах осуществления изобретения это расстояние составляет, по меньшей мере, шесть дюймов (152 мм).
В различных вариантах осуществления с использованием неорганической керамической матрицы, эта неорганическая керамическая матрица, в некоторых вариантах осуществления изобретения может включать фосфатную керамическую матрицу.
Эти и другие варианты осуществления настоящего изобретения более подробно описаны далее.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1А-С показано поперечное сечение композиционных материалов, соответствующих одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Размеры слоев и расстояния между слоями, показанные на фиг.1, обеспечивают наглядность изображения.
На фиг.2А-В показано поперечное сечение композиционных материалов, соответствующих одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Размеры слоев и расстояния между слоями, показанные на фиг.2, обеспечивают наглядность изображения.
На фиг.3 показано поперечное сечение устройства для защиты от действия ударной волны, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Размеры слоев и расстояния между слоями, показанные на фиг.3, обеспечивают наглядность изображения.
На фиг.4 показано поперечное сечение композиционного материала, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Размеры слоев и расстояния между слоями, показанные на фиг.4, обеспечивают наглядность изображения.
На фиг.5 показано поперечное сечение композиционного материала, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Размеры слоев и расстояния между слоями, показанные на фиг.5, обеспечивают наглядность изображения.
На фиг.6 показано поперечное сечение композиционного материала, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Размеры слоев и расстояния между слоями, показанные на фиг.6, обеспечивают наглядность изображения.
На фиг.7А-F показано поперечное сечение композиционного материала, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Размеры слоев и расстояния между слоями, показанные на фиг.7, обеспечивают наглядность изображения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В контексте настоящего описания, если не указано иное, все числовые значения, выражающие количества компонентов, условия реакции и т.д., использованные в описании, следует понимать как во всех случаях модифицированные термином «около». Следовательно, если не указано противоположное, числовые параметры, приведенные в нижеследующем описании, являются приблизительными величинами, которые могут изменяться в зависимости от заданных свойств, которые нужно получить, пользуясь настоящим изобретением. Как минимум, и без намерения ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения каждый числовой параметр следует рассматривать, по меньшей мере, в свете количества приведенных значащих цифр и посредством применения обычных способов округления.
Несмотря на то, что числовые диапазоны и значения параметров, устанавливающие общий объем настоящего изобретения являются приблизительными, числовые значения, приведенные в конкретных примерах, указаны настолько точно, насколько это возможно. Однако любое числовое значение естественным образом включает некоторые ошибки, неизбежные из-за стандартного отклонения, свойственного соответствующим методам измерения. Кроме того, все раскрываемые в настоящем документе диапазоны следует понимать как охватывающие любой поддиапазон и все входящие в них поддиапазоны. Например, диапазон, указанный как «от 1 до 10», следует рассматривать как включающий любой поддиапазон и все поддиапазоны между (включительно) минимальной величиной, равной 1, и максимальной величиной, равной 10; то есть все поддиапазоны, начинающиеся с минимальной величины, равной 1 или более, например от 1 до 6,1, и заканчивающиеся максимальной величиной, равной 10 или менее, например от 5,5 до 10. Кроме того, любой ссылочный материал, указываемый как «включаемый в настоящий документ», следует рассматривать как включаемый во всей своей полноте.
Также следует отметить, что в контексте настоящего описания формы единственного числа «а», «an» и «the» (в тексте на английском языке) охватывают и единственное, и множественное число, если явно и недвусмысленно не ограничиваются одним объектом.
Различными вариантами осуществления настоящего изобретения обеспечиваются композиционные материалы и способы их изготовления. В некоторых вариантах осуществления изобретения эти композиционные материалы включают взрывостойкие композиционные материалы и способы изготовления взрывостойких композиционных материалов. В некоторых вариантах осуществления изобретения взрывостойким композиционным материалам настоящего изобретения может быть придана форма панелей или других изделий, предназначенных для усиления зданий и различных конструкций. В некоторых вариантах осуществления композиционные материалы настоящего изобретения могут обеспечивать баллистическую защиту (например, защиту от пуль). В альтернативных вариантах осуществления композиционные материалы настоящего изобретения могут обеспечивать защиту от действия взрывной волны (например, защиту от взрывных устройств). Композиционные материалы настоящего изобретения в некоторых вариантах осуществления могут обеспечивать и взрывостойкость, и баллистическую защиту. В дополнительных вариантах осуществления композиционные материалы настоящего изобретения могут обеспечивать стойкость к экстремальной температуре или пожару.
В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционные материалы являются взрывостойкими и/или стойкими к баллистическому удару. В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения включает неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая наружная поверхность и вторая наружная поверхность, противоположная первой наружной поверхности; и, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань с открытой структурой, расположенную в неорганической керамической матрице между первой наружной поверхностью и второй наружной поверхностью. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал может дополнительно включать защитный слой, который соединен со вторым наружным слоем неорганической керамической матрицы. В других вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал дополнительно включает стекловолоконную ткань, которая соединена с первой наружной поверхностью неорганической керамической матрицы. В других вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал дополнительно включает стекловолоконную ткань с открытой структурой, которая расположена на первой наружной поверхности неорганической керамической матрицы, поверхностную ткань. В некоторых вариантах осуществления изобретения эта поверхностная ткань обеспечивает бóльшую стойкость к разрушению от баллистического удара. В других вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал включает, по меньшей мере, три слоя стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенных в матрице между первым наружным слоем и вторым наружным слоем. В некоторых вариантах осуществления изобретения эти слои стекловолоконной ткани с открытой структурой равномерно распределены в неорганической керамической матрице. В некоторых вариантах осуществления изобретения первый и/или второй слои стекловолоконной ткани образованы стекловолоконной тканью с открытой структурой, такой как стекловолоконная ткань перевивочного или петлистого переплетения. В некоторых вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань может быть частично покрыта полимером.
2
2
2
Стекловолоконная ткань с открытой структурой может представлять собой ткань, образованную стекловолоконной сеткой различного удельного веса в зависимости от целевого применения. В некоторых вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань может быть образована стекловолокном, удельный вес которого составляет, по меньшей мере, около 9 унций/кв. ярд (306 г/м). В других вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань может быть образована стекловолоконной тканью с удельным весом, по меньшей мере, около 25 унций/кв. ярд (850 г/м). В предпочтительном варианте осуществления изобретения стекловолоконная ткань может быть образована стекловолокном, удельный вес которого составляет, по меньшей мере, около 14 унций/кв. ярд (476 г/м). В других вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань может быть покрыта полимером. Этот полимер, например, может скреплять ткань, делая ее более жесткой, и/или облегчать изготовление композиционного материала настоящего изобретения. Такими полимерами могут быть термопластичные полимеры или термореактивные полимеры. Одним из примеров таких полимеров является акриловый полимер.
В некоторых вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань может обладать поровым пространством открытой структуры, достаточно большим для того, чтобы неорганическая керамическая матрица могла сцепляться сквозь поры в тканой структуре. В некоторых вариантах осуществления изобретения поры могут иметь размер, по меньшей мере, 0,25 дюйма (6,4 мм). В других вариантах осуществления изобретения отверстие поры может достигать одного дюйма (25,4 мм).
В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая наружная поверхность и стекловолоконная ткань с открытой структурой, расположенная у первой наружной поверхности, вторая наружная поверхность, противоположная первой наружной поверхности, и вторая стекловолоконная ткань с открытой структурой, расположенная у второй наружной поверхности, и, по меньшей мере, одна стекловолоконная ткань с открытой структурой, расположенная между первой наружной поверхностью и второй наружной поверхностью в этой неорганической керамической матрице. В других вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал дополнительно включает стекловолоконную ткань с открытой структурой, расположенную у первой наружной поверхности неорганической керамической матрицы, поверхностную ткань. В некоторых вариантах осуществления изобретения эта поверхностная ткань обеспечивает бóльшую стойкость к разрушению от баллистического удара. В других вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал может иметь толщину, по меньшей мере, около 1,5 дюймов (38 мм) и дополнительно включать, по меньшей мере, около четырех слоев стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенных на равном расстоянии около 0,5 дюйма (12,7 мм) по всей неорганической керамической матрице. В других вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал может иметь толщину, по меньшей мере, около 3,5 дюймов (89 мм) и дополнительно включать, по меньшей мере, около шести слоев стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенных на равном расстоянии около 0,7 дюйма (17,8 мм) по всей неорганической керамической матрице.
В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал может дополнительно включать защитный слой, который соединен со второй наружной поверхностью неорганической керамической матрицы. Этот защитный слой может включать стойкий к растрескиванию материал, предотвращающий износ или растрескивание неорганической керамической матрицы вследствие воздействия влаги, сильного нагревания или давления. Растрескивание происходит, когда куски или глыбы бетона отделяются и отламываются от крупной бетонной конструкции. Растрескивание может происходить при воздействии на бетон высокой влажности, температуры или давления. Например, пожар внутри бетонной конструкции может вызвать растрескивание бетона вследствие воздействия экстремальной температуры. В некоторых вариантах осуществления изобретения защитный слой распыляют на вторую наружную поверхность неорганической керамической матрицы. В других вариантах осуществления изобретения защитный слой соединен со второй наружной поверхностью посредством эпоксидной смолы. В некоторых вариантах осуществления изобретения эпоксидная смола может включать отверждаемую во влажном режиме эпоксидную смолу. В других вариантах осуществления изобретения защитный слой может представлять собой Mil-Tough.
В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал, включающий неорганическую керамическую матрицу с первой наружной поверхностью и второй наружной поверхностью, противоположной первой наружной поверхности, и, по меньшей мере, один слой стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенный между первой наружной поверхностью и второй наружной поверхностью, также может включать металлическую арматуру. В некоторых вариантах осуществления изобретения металлическая арматура может включать решетку с мелкими отверстиями. В других вариантах осуществления изобретения металлическая арматура может придавать композиционному материалу электропроводность или магнитные свойства.
В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения включает первую неорганическую матрицу, содержащую куски камня, такого как гранит, и вторую неорганическую керамическую матрицу, расположенную рядом с первой неорганической керамической матрицей, которая содержит, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань или стекловолоконную ткань с открытой структурой, находящуюся во второй неорганической керамической матрице. В других вариантах осуществления изобретения этот композиционный материал дополнительно включает защитный слой, который соединен со второй неорганической матрицей. В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую куски камня, такого как гранит. В некоторых вариантах осуществления изобретения вторая неорганическая керамическая матрица может включать, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань с открытой структурой и песок. В других вариантах осуществления изобретения песок может дополнительно включать гранитный песок. В некоторых вариантах осуществления изобретения гранитный песок может повышать прочность композиционного материала при сжатии.
В некоторых вариантах осуществления изобретения неорганическая керамическая матрица может содержать куски гранита различных размеров. В некоторых вариантах осуществления изобретения куски гранита могут иметь диаметр, по меньшей мере, 0,75 дюйма (19 мм). В других вариантах осуществления изобретения диаметр кусков гранита может быть меньше 0,75 дюйма, но больше 0,25 дюйма (6,4 мм). В других вариантах осуществления изобретения размер и форма имеющихся кусков гранита могут соответствовать ситу 6М. В других вариантах осуществления изобретения первая неорганическая керамическая матрица может содержать до 40% об. камня. В альтернативных вариантах осуществления изобретения первая неорганическая керамическая матрица может содержать до 50% об. камня. В некоторых вариантах осуществления изобретения вторая неорганическая керамическая матрица может содержать до 40% об. песка. В других вариантах осуществления изобретения вторая неорганическая керамическая матрица может содержать до 50% об. песка.
В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал может быть образован первой неорганической керамической матрицей толщиной, по меньшей мере, около одного дюйма, и второй неорганической керамической матрицей толщиной, по меньшей мере, около одного дюйма. В других вариантах осуществления изобретения вторая неорганическая керамическая матрица толщиной, по меньшей мере, около одного дюйма может содержать, по меньшей мере, шесть слоев стекловолоконной ткани с открытой структурой, равномерно распределенных внутри нее. В других вариантах осуществления изобретения первая неорганическая керамическая матрица может дополнительно включать один слой стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенный у первой наружной поверхности этой неорганической керамической матрицы, поверхностный слой. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот поверхностный слой обеспечивает повышенную стойкость к разрушению от баллистического удара. В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать первую неорганическую керамическую матрицу и вторую неорганическую керамическую матрицу толщиной, по меньшей мере, около 1,5 дюйма (38 мм) каждая. В одном из вариантов осуществления изобретения в котором толщина второй неорганической керамической матрицы составляет, по меньшей мере, около 1,5 дюйма (38 мм), вторая неорганическая керамическая матрица может включать, по меньшей мере, около девяти слоев стекловолоконной ткани с открытой структурой, равномерно распределенных внутри нее. В других вариантах осуществления изобретения первая неорганическая керамическая матрица может дополнительно включать один слой стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенный у первой наружной поверхности этой неорганической керамической матрицы, поверхностный слой. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот поверхностный слой обеспечивает повышенную стойкость к разрушению от баллистического удара. В других вариантах осуществления изобретения толщина и первой, и второй неорганической керамической матрицы может составлять, по меньшей мере, около двух дюймов (50,8 мм). В одном из вариантов осуществления изобретения, в котором толщина второй неорганической керамической матрицы составляет, по меньшей мере, около двух дюймов (50,8 мм), вторая неорганическая керамическая матрица может включать, по меньшей мере, около двенадцати слоев стекловолоконной ткани с открытой структурой, равномерно распределенных внутри нее. В других вариантах осуществления изобретения первая неорганическая керамическая матрица может дополнительно включать один слой стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенный у первой наружной поверхности этой неорганической керамической матрицы, поверхностный слой. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот поверхностный слой обеспечивает повышенную стойкость к разрушению от баллистического удара.
В некоторых вариантах осуществления изобретения общая толщина композиционного материала, включающего первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую куски камня, и вторую неорганическую керамическую матрицу, содержащую, по меньшей мере, один слой стекловолоконной ткани с открытой структурой и песок, может составлять 2 дюйма (50,8 мм). В других вариантах осуществления изобретения общая толщина композиционного материала с первой неорганической керамической матрицей и второй неорганической керамической матрицей может составлять 3 дюйма (76,2 мм). В других вариантах осуществления изобретения общая толщина может составлять 4 дюйма (10,2 мм).
В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал, включающий первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую куски камня, и вторую неорганическую керамическую матрицу, содержащую, по меньшей мере, один слой стекловолоконной ткани с открытой структурой и песок, может дополнительно включать защитный слой, который соединен со второй неорганической керамической матрицей. Этот защитный слой может включать стойкий к растрескиванию материал, предотвращающий износ или растрескивание неорганической керамической матрицы вследствие воздействия влаги, сильного нагревания или давления. В некоторых вариантах осуществления изобретения защитный слой распыляют на вторую наружную поверхность неорганической керамической матрицы. В других вариантах осуществления изобретения защитный слой соединен со второй наружной поверхностью посредством эпоксидной смолы. В некоторых вариантах осуществления изобретения эпоксидная смола может включать отверждаемую во влажном режиме эпоксидную смолу. В других вариантах осуществления изобретения защитный слой может представлять собой Mil-Tough.
В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал может иметь форму панели, длина и ширина которой существенно больше ее толщины. В других вариантах осуществления изобретения эта панель может иметь длину, по меньшей мере, 7 футов (2,13 м). В других вариантах осуществления изобретения эта панель может иметь длину, по меньшей мере, 13 футов (4 м). В других вариантах осуществления изобретения эта панель может иметь четыре поверхности, где по толщине панели одна или более поверхностей имеют форму части клиновидного соединения внахлестку для облегчения сборки множества панелей. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления изобретения панели могут иметь такую форму, что две или более панелей можно соединить посредством клиновидного соединения внахлестку. В некоторых вариантах осуществления изобретения достаточное число панелей можно соединить друг с другом посредством клиновидного соединения внахлестку так, чтобы образовалась стена.
В другом аспекте настоящим изобретением обеспечивается способ изготовления композиционного материала, включающего первую неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая наружная поверхность и вторая наружная поверхность, противоположная первой наружной поверхности и в целом параллельная первой наружной поверхности; и дополнительно включающего, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань с открытой структурой, расположенную в неорганической керамической матрице между первой наружной поверхностью и второй наружной поверхностью. В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал может быть снабжен металлической рамой, окружающей неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая наружная поверхность и вторая наружная поверхность, противоположная первой наружной поверхности и в целом параллельная первой наружной поверхности; дополнительно включающую, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань с открытой структурой, расположенную в неорганической керамической матрице между первой наружной поверхностью и второй наружной поверхностью. В других вариантах осуществления изобретения им обеспечивается способ образования керамической матрицы, включающей первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую куски камня и песок, и вторую неорганическую керамическую матрицу, содержащую, по меньшей мере, одну стекловолоконную ткань с открытой структурой, расположенную во второй неорганической керамической матрице, где композиционный материал отливают в металлическую раму, окружающую неорганическую керамическую матрицу. В других вариантах осуществления изобретения металлическая рама может представлять собой стальную раму. В других вариантах осуществления изобретения возможно использование одного или более якоря для дополнительного крепления композиционного материала в раме. В некоторых вариантах осуществления изобретения такой якорь может включать болт или выступ, выдающийся из внутренней стеки рамы. Когда неорганическая керамическая матрица помещена в раму, матрица может окружать якорь, что способствует закреплению рамы на матрице после отверждения матрицы.
В другом варианте осуществления изобретения композиционному материалу настоящего изобретения может быть придана форма взрывостойкой и/или стойкой к баллистическому удару стеновой конструкции. В дополнительных вариантах осуществления изобретения стеновая конструкция, соответствующая настоящему изобретению, может включать первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую крупные куски гранита, закрепленную на втором слое неорганической керамической матрицы со множеством распределенных в ней слоев стекловолоконной ткани. Еще в одном варианте осуществления изобретения первый и второй слои отстоят от третьей неорганической керамической матрицы, содержащей множество зафиксированных слоев стекловолоконной ткани, уменьшающей растрескивание, на некоторое расстояние. В некоторых вариантах осуществления изобретения это расстояние составляет, по меньшей мере, шесть дюймов (152 мм).
В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения включает множество выступов, осажденный слой, соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу, контактирующую с осажденным слоем и содержащую, по меньшей мере, один слой стекловолоконной ткани. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот, по меньшей мере, один слой стекловолоконной ткани, представляет собой стекловолоконную ткань с открытой структурой, такую как стекловолоконная ткань перевивочного или петлистого переплетения. В некоторых вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань может обладать такой открытой структурой переплетения, что неорганическая керамическая матрица может сцепляться сквозь поры в тканой структуре. В некоторых вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань, расположенная между первым и вторым слоями ткани, может обладать плотной структурой переплетения, которая мешает неорганической керамической матрице сцепляться сквозь поры в тканой структуре. В некоторых вариантах осуществления изобретения плотная ткань может быть прошита иглой для улучшения связывания с неорганической керамической матрицей. В некоторых вариантах осуществления изобретения между первым и вторым слоями ткани может быть расположено множество дополнительных слоев стекловолоконной ткани.
В некоторых вариантах осуществления изобретения первый и/или второй слой стекловолоконной ткани может представлять собой стекловолоконную ткань перевивочного переплетения. В других вариантах осуществления изобретения первый и/или второй слой стекловолоконной ткани может представлять собой стекловолоконную ткань петлистого переплетения.
При подборе прядей стекловолокна, предназначенных для изготовления ткани с плотной структурой переплетения или открытой структурой переплетения, используемой в контексте вариантов осуществления настоящего изобретения рассматривают ряд факторов, среди которых необходимый удельный вес ткани, прочность ткани на растяжение, необходимая структура переплетения, необходимая пористость ткани, стоимость и др. Точно так же специалист в данной области может подобрать один из множества выпускаемых серийно проклеивающих составов для данного стекловолокна на основании ряда факторов, в том числе, например, эксплуатационных характеристик конкретного проклеивающего состава, необходимой гибкости получаемой ткани, стоимости и др. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изобретения определенная структура переплетения может быть выбрана на основании того, какая степень сцепления неорганической керамической матрицы сквозь поры в структуре переплетения нужна.
В некоторых вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань, которую располагают между первым и вторым слоями стекловолоконной ткани, находящимися в композиционном материале, включающем неорганическую керамическую матрицу, может быть прошита иглой. В других вариантах осуществления изобретения между первым и вторым слоями ткани может быть расположено множество слоев прошитой стекловолоконной ткани. В тех вариантах осуществления изобретения, в которых стекловолоконная ткань, расположенная между первым и вторым слоями ткани, прошита, прошивка может приводить к тому, что некоторые волокна ориентируются в направлении оси z (например, в целом непараллельно поверхности ткани в плоскости х-у) или перпендикулярно к поверхности ткани. В таких вариантах осуществления изобретения прошитые слои ткани могут способствовать удерживанию неорганической керамической матрицы на ткани и препятствовать отслоению ткани от керамической матрицы. Ткань может быть прошита иглой с использованием способов, известных специалистам в данной области.
В других вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань, которая может быть расположена вблизи первой и второй поверхностей внутри композиционного материала, образованного неорганической керамической матрицей, может представлять собой стекловолоконную ткань, немного покрытую полимером. Наличие этого полимера, например, может способствовать скреплению ткани, делая ее более жесткой, и/или облегчать изготовление композиционного материала настоящего изобретения. Такими полимерами могут быть термопластичные полимеры или термореактивные полимеры. Одним из примеров таких полимеров является акриловый полимер.
В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать множество слоев более тонкой или более толстой стекловолоконной ткани, расположенных в неорганической керамической матрице. В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать немного слоев более толстой стекловолоконной ткани, расположенных в неорганической керамической матрице. В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать много слоев более тонкой стекловолоконной ткани, расположенных в неорганической керамической матрице. Количество слоев и толщина ткани или стекловолоконной ткани с открытой структурой, которую может включать композиционный материал в соответствии с настоящим изобретением, могут быть подобраны на основании требуемых параметров композиционного материала, в том числе, помимо прочего, необходимых свойств композиционного материала, необходимых размеров композиционного материала, стоимости его изготовления и других факторов.
В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал настоящего изобретения включает неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая поверхность, противоположная второй поверхности; и множество армирующих слоев стекловолоконной ткани, расположенных в матрице между первой поверхностью и второй поверхностью. В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал включает первую стекловолоконную ткань, расположенную вблизи первой поверхности неорганической керамической матрицы, вторую стекловолоконную ткань, расположенную вблизи второй поверхности неорганической керамической матрицы, и, по меньшей мере, одну дополнительную стекловолоконную ткань, расположенную между первым и вторым слоями ткани, при этом, по меньшей мере, одна дополнительная ткань обладает меньшей пористостью, чем первая ткань и/или вторая ткань.
В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать первую неорганическую керамическую матрицу, в которой имеются произвольно распределенные куски камня, такого как гранит, и вторую неорганическую керамическую матрицу, соединенную с первой неорганической керамической матрицей, где вторая неорганическая керамическая матрица содержит множество слоев стеклоткани или стеклоткани с открытой структурой, равномерно распределенных в матрице.
В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую произвольно распределенные куски неправильной формы камня, такого как гранит, прикрепленную ко второй неорганической керамической матрице, при этом во второй неорганической керамической матрице имеется множество слоев стекловолоконной ткани, распределенных во второй неорганической керамической матрице с равными интервалами. В некоторых вариантах осуществления изобретения вторая неорганическая керамическая матрица включает множество слоев стекловолоконной ткани и одиночный слой стекловолоконной ткани с открытой структурой, равномерно распределенные в матрице. В некоторых вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань может быть прошита иглой для улучшения связывания с неорганической керамической матрицей. В некоторых вариантах осуществления изобретения вторая неорганическая керамическая матрица включает множество слоев прошитой иглой стекловолоконной ткани, распределенных по неорганической керамической матрице с равными интервалами. В других вариантах осуществления изобретения вторая неорганическая керамическая матрица может включать множество слоев стекловолоконной ткани с открытой структурой, такой как ткань петлистого переплетения, распределенных по неорганической керамической матрице с равными интервалами. В некоторых вариантах осуществления изобретения вторая неорганическая керамическая матрица может включать множество слоев стекловолоконной ткани с открытой структурой, распределенных по неорганической керамической матрице с равными интервалами, и одиночный слой стекловолоконной ткани, расположенный у края неорганической керамической матрицы.
В других вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может включать более толстую или более тонкую первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую произвольно распределенные куски камня, такого как гранит, и более толстую или более тонкую вторую неорганическую керамическую матрицу, соединенную с первой неорганической керамической матрицей, которая содержит множество слоев стекловолоконной ткани или стекловолоконной ткани с открытой структурой, распределенных с равными интервалами. В определенных вариантах осуществления изобретения первая неорганическая керамическая матрицы может иметь толщину один дюйм и может быть соединена со второй неорганической керамической матрицей, которая также имеет толщину один дюйм и может содержать до шести слоев стекловолоконной ткани или стекловолоконной ткани с открытой структурой, распределенных с одинаковыми интервалами. Вторая неорганическая керамическая матрицы также может быть соединена со слоем стойкого к растрескиванию материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения стойкий к растрескиванию материал может быть соединен со второй неорганической керамической матрицей при помощи эпоксидной смолы. В других вариантах осуществления изобретения первая неорганическая керамическая матрица может иметь толщину полтора дюйма (38,1 мм) и может быть соединена со второй неорганической керамической матрицей, которая также имеет толщину полтора дюйма и может содержать до девяти слоев стекловолоконной ткани или стекловолоконной ткани с открытой структурой, распределенных с одинаковыми интервалами. Вторая неорганическая керамическая матрица также может быть соединена со слоем стойкого к растрескиванию материала, который может быть соединен со второй неорганической керамической матрицей при помощи эпоксидной смолы. В определенных вариантах осуществления изобретения стойкий к растрескиванию материал может содержать Mil-Tough, полимочевинное покрытие, серийно выпускаемое компанией PPG Industries, Inc.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, когда композиционный материал включает неорганическую керамическую матрицу, содержащую произвольно распределенные куски камня, первая неорганическая керамическая матрица может быть образована, например, из Grancrete PCW, который серийно выпускает компания Grancrete, Inc. В других вариантах осуществления изобретения камень может представлять собой гранит. В других вариантах осуществления изобретения отношение количества камня к количеству Grancrete PCW может составлять 1:1. В некоторых вариантах осуществления изобретения, когда композиционный материал включает вторую неорганическую керамическую матрицу, содержащую один или более слоев стекловолоконной ткани, вторая неорганическая керамическая матрица может быть образована, например, из двух частей Grancrete PCW, серийно выпускаемого компанией Grancrete, Inc., и одной части песка. В других вариантах осуществления изобретения эта неорганическая керамическая матрица может быть образована из одной части Grancrete PCW и одной части песка и содержать распределенные в ней слои стекловолоконной ткани.
В некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, на одну поверхность композиционного материала может быть распылен полимер. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения на поверхность композиционного материала, которая будет обращена к внутреннему пространству конструкции, может быть распылен полимер. Этот полимер, в некоторых вариантах осуществления изобретения может ограничивать растрескивание или способствовать предотвращению выпадения крупных кусков композиционного материала при ударе (при воздействии на композиционный материал взрывной волны или баллистического удара). В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхность композиционного материала может быть покрыта полимочевиной. Одним из примеров алифатической полимочевины, применимой для некоторых вариантов осуществления композиционных материалов, является Mil-Tough, серийно выпускаемый компанией PPG Industries, Inc. В других вариантах осуществления изобретения алифатическая полимочевина может быть нанесена на вторую неорганическую матрицу через посредство эпоксидной смолы. В некоторых вариантах осуществления изобретения эпоксидная смола может быть отверждаемой во влажном режиме. В других вариантах осуществления изобретения эпоксидная смола может включать полимочевинное покрытие Mil-Tough™ “Spall Master”.
В одном из вариантов осуществления композиционный материал настоящего изобретения, включающий неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая поверхность, противоположная второй поверхности, и множество армирующих слоев стекловолоконной ткани, расположенных в матрице между первой поверхностью и второй поверхностью, может включать огнестойкий композиционный материал. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения огнестойкий композиционный материал может обеспечивать устойчивость к воздействию температур до 2000°F (1093°С) и выше.
В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения, включающий неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая поверхность, противоположная второй поверхности, и множество армирующих слоев стекловолоконной ткани, расположенных в матрице между первой поверхностью и второй поверхностью, может включать стойкий к баллистическому удару композиционный материал. В некоторых вариантах осуществления стойкий к баллистическому удару композиционный материал может обеспечивать защиту от проникновения снарядов, взрывающихся вблизи этого композиционного материала. Например, в некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может обладать повышенной стойкостью к баллистическому удару по сравнению с неорганической керамической матрицей, которая не содержит стекловолоконную ткань. В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может обеспечивать на 50% бóльшую стойкость к баллистическому удару, чем одна неорганическая керамическая матрица. В других вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может обеспечивать общую стойкость к баллистической угрозе в соответствии со стандартом МО США MIL-STD-662F. В других вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может обеспечивать стойкость к баллистической угрозе в соответствии с UL Level-8 Multi-Strike.
В альтернативных вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения, включающий неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая поверхность, противоположная второй поверхности, и множество армирующих слоев стекловолоконной ткани, расположенных в матрице между первой поверхностью и второй поверхностью, может включать взрывостойкий композиционный материал. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот взрывостойкий композиционный материал может обеспечивать взрывостойкость, превышающую средний стандартный уровень защиты в соответствии со стандартами уровней защиты UFC. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот взрывостойкий композиционный материал может обеспечивать взрывостойкость, превышающую промежуточный стандартный уровень защиты в соответствии со стандартами уровней защиты UFC. Например, в некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может быть неподверженным расслоению или растрескиванию под действием взрывной нагрузки, соответствующей среднему уровню GSA. В других вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может быть подвержен небольшому растрескиванию или расслоению под действием взрывной нагрузки промежуточного уровня в соответствии со стандартами уровней защиты. В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал, включающий первый слой неорганической керамической матрицы толщиной полтора дюйма и второй слой неорганической керамической матрицы толщиной полтора дюйма, может выдерживать взрывную нагрузку высокого уровня в соответствии со стандартами уровней защиты.
На фиг.1 показано поперечное сечение стойкого к баллистическому удару композиционного материала, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, композиционный материал включает первую неорганическую керамическую матрицу, содержащую куски камня, толщина которой составляет один дюйм, со стекловолоконной тканью открытой структуры, расположенной у ударной поверхности первой неорганической керамической матрицы, вторую неорганическую керамическую матрицу, содержащую шесть слоев стекловолоконной ткани с открытой структурой и песок, толщина которой составляет один дюйм, и защитный слой, соединенный со второй неорганической керамической матрицей. Как показано на фиг.1, композиционный материал (100) включает первую неорганическую керамическую матрицу (101), содержащую куски камня, и вторую неорганическую керамическую матрицу (102), содержащую, по меньшей мере, один слой стекловолоконной ткани (103) с открытой структурой, песок и защитный слой (104).
2
В некоторых вариантах осуществления изобретения множество дополнительных слоев стекловолоконной ткани (103) с открытой структурой может включать любую стекловолоконную ткань, не противоречащую целям настоящего изобретения. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения каждый из множества дополнительных слоев стекловолоконной ткани с открытой структурой включает стекловолоконную ткань петлистого переплетения из стекла марки Е с удельным весом, приблизительно, 14 унций/кв. ярд (476 г/м). В некоторых вариантах осуществления изобретения один или более из слоев (103) может быть покрыт полимером.
2
Кроме того, первый и второй слои стекловолоконной ткани могут включать любую стекловолоконную ткань, не противоречащую целям настоящего изобретения. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения первый и/или второй слой стекловолоконной ткани может включать стекловолоконную ткань перевивочного переплетения из стекла марки Е с удельным весом, приблизительно, 9 унций/кв. ярд (306 г/м).
2
В некоторых вариантах осуществления изобретения первый и/или второй слой стекловолоконной ткани может включать ткань из некрученого стекловолокна из стекла марки Е с удельным весом приблизительно 25 унций/кв. ярд (850 г/м).
В некоторых вариантах осуществления изобретения первый и/или второй слой стекловолоконной ткани может быть слегка покрыт полимером. Этот полимер, например, может способствовать скреплению ткани (103), делая эту ткань более жесткой, и/или облегчать изготовление композиционного материала. Такими полимерами могут быть термопластичные полимеры или термореактивные полимеры. Одним из примеров таких полимеров является акриловый полимер.
На фиг.1В-С показано поперечное сечение стойкого к баллистическому удару композиционного материала, соответствующего другому варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на каждой из этих фигур, композиционный материал может включать первую неорганическую керамическую матрицу различной толщины, содержащую куски камня, со стекловолоконной тканью открытой структуры, расположенной у ударной поверхности первой неорганической керамической матрицы, вторую неорганическую керамическую матрицу различной толщины, содержащую, по меньшей мере, один слой стекловолоконной ткани с открытой структурой и песок, и защитный слой, соединенный со второй неорганической керамической матрицей. Как показано на фиг.1В-С, композиционный материал (105, 106) включает первую неорганическую керамическую матрицу (107, 108), содержащую произвольно распределенные куски камня неодинакового размера, такого как гранит (117), и стекловолоконную ткань с открытой структурой (113), расположенную вблизи верхней части композиционного материала. Словосочетание «верхняя часть» относится только к ориентации композиционного материала на данных фигурах. Вторая неорганическая керамическая матрица (109, 110) содержит, по меньшей мере, один слой стекловолоконной ткани (111, 112), равномерно распределенной во второй неорганической керамической матрице (109, 110), соединенной с защитным слоем (114, 115). В некоторых вариантах осуществления изобретения когда такие композиционные материалы являются частью конструкции, их часть с первой неорганической керамической матрицей может представлять собой наружную поверхность этой конструкции, а часть со второй неорганической керамической матрицей может быть обращена ко внутреннему пространству этой конструкции.
На фиг.2А-В показано поперечное сечение взрывостойкого композиционного материала переменной толщины, включающего неорганическую керамическую матрицу с, по меньшей мере, одним слоем стекловолоконной ткани с открытой структурой, распределенной в этой неорганической керамической матрице. Как показано на фиг.2А, композиционный материал (200) включает неорганическую керамическую матрицу (202) с четырьмя слоями стекловолоконной ткани (201) с открытой структурой, равномерно расположенными с одинаковыми интервалами. Как показано на фиг.2В, композиционный материал (203) включает неорганическую керамическую матрицу (204) с шестью слоями стекловолоконной ткани (205) с открытой структурой, равномерно расположенными с одинаковыми интервалами.
На фиг.3 показано поперечное сечение устройства для защиты от действия ударной волны, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.3, устройство (300) для защиты от действия ударной волны включает первую неорганическую керамическую матрицу (301), содержащую большие куски гранита, прикрепленную ко второму слою неорганической керамической матрицы (302) со множеством слоев стекловолоконной ткани (303) с открытой структурой внутри нее. В одном из вариантов осуществления изобретения первый и второй слои отстоят от третьего слоя неорганической керамической матрицы (305), содержащей множество слоев стекловолоконной ткани (306), которая неподвижно прикреплена к слою (307) с целью уменьшения растрескивания, на расстояние (304). В некоторых вариантах осуществления изобретения это расстояние составляет, по меньшей мере, шесть дюймов (152 мм). В некоторых вариантах осуществления изобретения когда такие композиционные материалы являются частью некой конструкции, часть с первой неорганической керамической матрицей может представлять собой наружную поверхность этой конструкции, часть со второй неорганической керамической матрицей может быть обращена к внутреннему воздушному зазору, часть с третьей неорганической керамической матрицей обращена к внутреннему воздушному зазору, а защищающий от растрескивания слой обращен к внутреннему пространству конструкции.
На фиг.4 показано поперечное сечение стойкого к баллистическому удару композиционного материала (400) настоящего изобретения который включает первую неорганическую керамическую матрицу (401), содержащую произвольно распределенные куски камня неодинакового размера, такого как гранит (402), где неорганическая керамическая матрица имеет такую форму, что может быть соединена с другим композиционным материалом посредством клиновидного соединения внахлестку (403). Первая неорганическая керамическая матрица (401) примыкает к второй неорганической керамической матрице (404), которая содержит множество слоев стекловолоконной ткани (405) с открытой структурой. Вторая неорганическая керамическая матрица (404) дополнительно соединена с защитным слоем (406) с целью предохранения от расслоения под действием взрывной волны или баллистического удара.
На фиг.5 показано поперечное сечение композиционного материала, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. В варианте осуществления, показанном на фиг.5, композиционный материал включает неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая поверхность, противоположная второй поверхности, и множество слоев стекловолоконной ткани или стекловолоконной ткани с открытой структурой, расположенных в матрице между первой поверхностью и второй поверхностью. Как показано на фиг.5, композиционный материал (500) включает первую стекловолоконную ткань или стекловолоконную ткань с открытой структурой (502), находящуюся вблизи первой поверхности (503) неорганической керамической матрицы (501). Вторая стекловолоконная ткань или стекловолоконная ткань с открытой структурой (504) находится вблизи второй поверхности (505) неорганической керамической матрицы (501). Множество дополнительных слоев стекловолоконной ткани или стекловолоконной ткани с открытой структурой (506) размещены между первой (502) и второй (504) стекловолоконной тканью.
На фиг.6 представлен еще один вариант осуществления в соответствии с которым композиционный материал (600) настоящего изобретения включает множество выступов (601), осажденный слой (602), соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу (603), контактирующую с осажденным слоем и содержащую, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани (604). В некоторых вариантах осуществления изобретения этот, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани представляет собой стекловолоконную ткань перевивочного переплетения.
В других вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань, которая может быть расположена в неорганической керамической матрице внутри композиционного материала, может представлять собой стекловолоконную ткань, слегка покрытую полимером, таким как акриловый полимер.
В альтернативных вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань, которая расположена внутри композиционного материала, включающего множество выступов, осажденный слой, соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу, контактирующую с осажденным слоем, может быть прошита иглой. В других вариантах осуществления изобретения в неорганической керамической матрице может быть размещено множество слоев прошитой стекловолоконной ткани.
В другом варианте осуществления изобретения композиционный материал может включать множество слоев более тонкой или более толстой стекловолоконной ткани, расположенных в неорганической керамической матрице. В некоторых вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать немного слоев более толстой стекловолоконной ткани, расположенных в неорганической керамической матрице. В других вариантах осуществления изобретения композиционный материал может включать много слоев более тонкой стекловолоконной ткани, размещенных в неорганической керамической матрице.
В одном из вариантов осуществления композиционный материал настоящего изобретения включающий множество выступов, осажденный слой, соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу, контактирующую с осажденным слоем и включающую, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани, может включать огнестойкий композиционный материал. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения огнестойкий композиционный материал может обеспечивать устойчивость к воздействию температур до 2000°F (1093°С) и выше.
В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения включающий множество выступов, осажденный слой, соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу, контактирующую с осажденным слоем и включающую, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани, может включать стойкий к баллистическому удару композиционный материал. В некоторых вариантах осуществления стойкий к баллистическому удару композиционный материал может обеспечивать защиту от проникновения снарядов, взрывающихся вблизи этого композиционного материала. В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может обеспечивать на 50% бóльшую стойкость к баллистическому удару, чем одна неорганическая керамическая матрица. В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может обеспечивать общую стойкость к баллистической угрозе в соответствии со стандартом МО США MIL-STD-662F.
В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения включающий множество выступов, осажденный слой, соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу, контактирующую с осажденным слоем и включающую, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани, может включать взрывостойкий композиционный материал. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот взрывостойкий композиционный материал может обеспечивать взрывостойкость, превышающую средний стандартный уровень защиты в соответствии со стандартами уровней защиты UFC. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот взрывостойкий композиционный материал может обеспечивать взрывостойкость, превышающую промежуточный стандартный уровень защиты в соответствии со стандартами уровней защиты UFC. Например, в некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может быть неподверженным расслоению или растрескиванию под действием взрывной нагрузки, соответствующей среднему уровню GSA. В других вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может быть подвержен небольшому растрескиванию или расслоению под действием взрывной нагрузки промежуточного уровня в соответствии со стандартами уровней защиты.
2
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани (604) может включать любую армирующую стекловолоконную ткань, не противоречащую целям настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления изобретения например, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани (604) включает стекловолоконную ткань перевивочного переплетения из стекла марки Е с удельным весом 9 унций/кв. ярд (306 г/м).
2
В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани (604) включает стекловолоконную ткань петлистого переплетения из стекла марки Е с удельным весом приблизительно 14 унций/кв. ярд (476 г/м).
В некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани (604) может быть слегка покрыт полимером. Этот полимер, например, может скреплять ткань (604), делая ткань (604) более жесткой, и/или облегчать изготовление композиционного материала. Такими полимерами могут быть термопластичные полимеры или термореактивные полимеры. Одним из примеров таких полимеров является акриловый полимер.
На фиг.7А-F показано поперечное сечение стойкого к баллистическому удару композиционного материала, соответствующего вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано на каждой из этих фигур, композиционный материал может включать множество слоев либо стекловолоконной ткани, либо стекловолоконной ткани с открытой структурой, либо их сочетания. Как показано на фиг.7А-F, композиционный материал (700, 701, 702, 703, 704, 705) включает первую неорганическую керамическую матрицу (712, 713, 714, 715, 716, 717), содержащую произвольно распределенные куски неправильной формы камня, такого как гранит (718, 719, 720, 721, 722, 723), расположенную в верхней части композиционного материала. Словосочетание «верхняя часть» относится только к ориентации композиционного материала на данных фигурах. Вторая неорганическая керамическая матрица (724, 725, 726, 727, 728, 729) содержит множество слоев (706, 707, 708, 709, 710, 711) стекловолоконной ткани или стекловолоконной ткани с открытой структурой, распределенных во второй неорганической керамической матрице с равными интервалами. В некоторых вариантах осуществления изобретения когда такие композиционные материалы являются частью конструкции, их часть с первой неорганической керамической матрицей может представлять собой наружную поверхность этой конструкции, а часть со второй неорганической керамической матрицей может быть обращена к внутреннему пространству этой конструкции.
Как описано в настоящем документе, композиционные материалы настоящего изобретения могут включать различные стекловолоконные ткани, в том числе, например, стекловолоконные ткани с открытой структурой или более плотные стекловолоконные ткани. К примерам стекловолоконной ткани с открытой структурой относятся, например, ткани с перевивочным или петлистым переплетением. Такие ткани выпускаются серийно компанией Textum Weaving, Inc., Северная Каролина. При подборе тканей для использования в композиционных материалах настоящего изобретения следует учитывать такие факторы, как необходимая прочность ткани на изгиб, необходимый удельный вес ткани, необходимый модуль упругости ткани, необходимый размер пор (например, размер отверстий переплетения) данной ткани и другие факторы. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения необходимый размер пор (например, длина одной стороны порового пространства переплетения) может, вообще, составлять 1/8 дюйма (3,2 мм) или более. В некоторых вариантах осуществления изобретения необходимый размер пор может составлять 3/16 дюйма (4,8 мм) или более. В некоторых вариантах осуществления изобретения необходимый размер пор может составлять 1/4 дюйма (6,3 мм) или более. В некоторых вариантах осуществления изобретения необходимый размер пор может составлять около одного дюйма. В силу отклонений при производстве размер пор конкретной ткани с открытой структурой может колебаться. Ткань с открытой структурой может иметь номинальный или необходимый размер пор, однако фактически размер пор может соответствовать некоторому диапазону. Например, без ограничения большинство пор в ткани с номинальным размером пор 3/8 дюйма (9,5 мм) может лежать в диапазоне от 1/8 дюйма до 1/4 дюйма (3,2-6,3 мм) в некоторых вариантах осуществления изобретения.
Как указано в настоящем документе, в некоторых вариантах осуществления изобретения такие ткани с открытой структурой могут быть слегка покрыты полимером (например, полиакриловым) для придания этой ткани большей жесткости. Одним из примеров акриловых полимеров, которые могут быть использованы в некоторых вариантах осуществления изобретения является FULATEX PD-0431, серийно выпускаемый компанией H.B. Fuller Company.
2
2
2
2
Дополнительная информация о тканях с открытой структурой имеется в настоящей заявке. Вес ткани может быть подобран на основании ряда факторов, в том числе, например, типа переплетения (перевивочное или петлистое), необходимой прочности ткани, будет ли ткань покрыта полимером и т.д. В некоторых вариантах осуществления изобретения удельный вес стекловолоконной ткани с открытой структурой может составлять около 8 унций/кв. ярд (272 г/м) или более. В некоторых вариантах осуществления изобретения удельный вес стекловолоконной ткани с открытой структурой может составлять около 14 унций/кв. ярд (476 г/м) или более. В некоторых вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань с открытой структурой может представлять собой ткань перевивочного плетения с удельным весом около 9 унций/кв. ярд (306 г/м). В некоторых вариантах осуществления изобретения стекловолоконная ткань с открытой структурой может представлять собой ткань петлистого плетения с удельным весом около 14 унций/кв. ярд (476 г/м). В некоторых вариантах осуществления изобретения ткань петлистого плетения может быть образована с использованием пучков стекловолокна, полученного методом прямой вытяжки, HYBON 2026, серийно выпускаемого компанией PPG Industries, Inc.
2
2
2
2
2
2
2
Композиционные материалы настоящего изобретения также могут включать слои ткани более плотного переплетения. Такая ткань, например, может быть получена путем тканья прядей стекловолокна полотняным переплетением с использованием обычных способов ткачества. Свойства прядей стекловолокна могут быть подобраны на основании ряда факторов, в том числе, например, необходимой прочности ткани на изгиб, необходимого модуля упругости ткани, необходимого удельного веса ткани, стоимости и других факторов. Перед началом тканья на эти пряди стекловолокна могут быть нанесены самые обычные, серийно выпускаемые проклеивающие составы. Например, такие ткани могут быть получены с использованием пучков стекловолокна, полученного методом прямой вытяжки, HYBON 2006 (предел текучести 250), серийно выпускаемых компанией PPG Industries, Inc. В некоторых вариантах осуществления изобретения такие ткани могут быть получены с использованием пучков стекловолокна, полученного методом прямой вытяжки, HYBON 2022, серийно выпускаемых компанией PPG Industries, Inc. В некоторых вариантах осуществления изобретения удельный вес плотной стекловолоконной ткани может составлять около 15 унций/кв. ярд (510 г/м) или более. В некоторых вариантах осуществления изобретения удельный вес плотной стекловолоконной ткани может составлять около 18 унций/кв. ярд (612 г/м) или более. В некоторых вариантах осуществления изобретения удельный вес плотной стекловолоконной ткани может составлять приблизительно 25 унций/кв. ярд (850 г/м). В некоторых вариантах осуществления изобретения удельный вес плотной стекловолоконной ткани может составлять от примерно 18 унций/кв. ярд (612 г/м) до примерно 25 унций/кв. ярд (850 г/м). Пригодный диапазон удельного веса плотной стекловолоконной ткани, используемой в вариантах осуществления настоящего изобретения может составлять от примерно 18 унций/кв. ярд (612 г/м) до примерно 36 унций/кв. ярд (1224 г/м). Дополнительная информация о таких тканях имеется в настоящей заявке.
В другом аспекте настоящим изобретением обеспечиваются способы изготовления стойких к баллистическому удару и/или взрывостойких композиционных материалов. В одном из вариантов осуществления изобретения способ изготовления стойкого к баллистическому удару и/или взрывостойкого композиционного материала включает обеспечение неорганической керамической матрицы, в которой имеется первая поверхность, противоположная второй поверхности, и размещение множества армирующих слоев стекловолоконной ткани в этой керамической матрице. В некоторых вариантах осуществления изобретения первую стекловолоконную ткань располагают вблизи первой поверхности неорганической керамической матрицы, вторую стекловолоконную ткань располагают вблизи второй поверхности неорганической керамической матрицы и, по меньшей мере, одну дополнительную стекловолоконную ткань располагают между первым и вторым слоями ткани, при этом, по меньшей мере, одна дополнительная ткань характеризуется меньшей пористостью, чем первая ткань и/или вторая ткань. В некоторых вариантах осуществления изобретения между первым и вторым слоями ткани располагают множество дополнительных слоев стекловолоконной ткани.
В альтернативных вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала, включающего стекловолоконную ткань, расположенную между первым и вторым слоями ткани, находящимися в неорганической керамической матрице, может включать прошивание стекловолоконной ткани иглой. В других вариантах осуществления изобретения этот способ может включать прошивание иглой множества слоев стекловолоконной ткани, расположенных между первым и вторым слоями ткани.
В других вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала, включающего стекловолоконную ткань, расположенную между первым и вторым слоями стекловолоконной ткани, находящимися в неорганической керамической матрице, может включать нанесение небольшого количества полимера на первый и второй слои стекловолоконной ткани. Этот полимер, например, может скреплять ткань, делая ее более жесткой, и/или облегчать изготовление композиционного материала настоящего изобретения. Такими полимерами могут быть термопластичные полимеры или термореактивные полимеры. Одним из примеров таких полимеров является акриловый полимер.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала может включать обеспечение множества слоев более тонкой или более толстой стекловолоконной ткани, расположенных в неорганической керамической матрице. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот способ может включать введение в композиционный материал нескольких слоев более толстой стекловолоконной ткани. В других вариантах осуществления изобретения способ может включать обеспечение большого количества слоев более тонкой стекловолоконной ткани, расположенных в неорганической керамической матрице.
В других вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала может включать обеспечение первой неорганической керамической матрицы, содержащей произвольно распределенные куски неправильной формы камня, где первая неорганическая матрица может быть образована, например, из Grancrete PCW, который серийно выпускает компания Grancrete, Inc. В некоторых вариантах осуществления изобретения, в которых композиционный материал включает вторую неорганическую керамическую матрицу, которая содержит один или более слоев стекловолоконной ткани, вторая неорганическая керамическая матрица может быть образована, например, из двух частей Grancrete PCW, серийно выпускаемого компанией Grancrete, Inc., и одной части песка.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала может включать распыление полимера, по меньшей мере, на одну поверхность композиционного материала. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения на поверхность композиционного материала, обращенную к внутреннему пространству конструкции, может быть распылен полимер. Этот полимер, в некоторых вариантах осуществления изобретения может ограничивать растрескивание или способствовать предотвращению выпадения крупных кусков композиционного материала при ударе (при воздействии на композиционный материал взрывной волны или баллистического удара). В других вариантах осуществления изобретения полимер может быть нанесен слоем на поверхность композиционного материала при помощи эпоксидной смолы. В некоторых вариантах осуществления изобретения эпоксидная смола может быть отверждаемой во влажном режиме. В некоторых вариантах осуществления изобретения это покрытие может содержать полимочевину. Одним из примеров алифатической полимочевины, применимой для некоторых вариантов осуществления композиционных материалов, является Mil-Tough, серийно выпускаемый компанией PPG Industries, Inc.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала, включающего неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая поверхность, противоположная второй поверхности, и множество армирующих слоев стекловолоконной ткани, расположенных в матрице между первой поверхностью и второй поверхностью, может включать обеспечение огнестойкого композиционного материала. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения этот способ может предусматривать огнестойкий композиционный материал, обеспечивающий устойчивость к воздействию температур до 2000ºF (1093°С) и выше.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала, включающего неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая поверхность, противоположная второй поверхности, и множество армирующих слоев стекловолоконной ткани, расположенных в матрице между первой поверхностью и второй поверхностью, может включать обеспечение стойкого к баллистическому удару композиционного материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот способ может предусматривать стойкий к баллистическому удару композиционный материал, обеспечивающий защиту от проникновения снарядов, взрывающихся вблизи этого композиционного материала. В некоторых вариантах осуществления этот композиционный материал может обеспечивать на 50% бóльшую стойкость к баллистическому удару, чем одна неорганическая керамическая матрица. В других вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может обеспечивать общую стойкость к баллистической угрозе в соответствии со стандартом МО США MIL-STD-662F.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала, включающего неорганическую керамическую матрицу, в которой имеется первая поверхность, противоположная второй поверхности, и множество армирующих слоев стекловолоконной ткани, расположенных в матрице между первой поверхностью и второй поверхностью, может включать обеспечение взрывостойкого композиционного материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот способ может включать обеспечение взрывостойкого композиционного материала, обладающего взрывостойкостью, превышающей средний стандартный уровень защиты в соответствии со стандартами уровней защиты UFC. В альтернативных вариантах осуществления изобретения этот способ может предусматривать взрывостойкий композиционный материал, обеспечивающий взрывостойкость, превышающую промежуточный стандартный уровень защиты в соответствии со стандартами уровней защиты UFC. Например, в некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может быть не подвержен расслоению или растрескиванию под действием взрывной нагрузки, соответствующей среднему уровню GSA. В других вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может быть подвержен только небольшому растрескиванию или расслоению под действием взрывной нагрузки промежуточного уровня в соответствии со стандартами уровней защиты.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления взрывостойкого композиционного материала включает обеспечение множества выступов, соединение осажденного слоя со множеством выступов, и осаждение неорганической керамической матрицы на осажденный слой, при этом керамическая матрица содержит, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления стекловолоконной ткани, располагаемой внутри композиционного материала, включающего множество выступов, осажденный слой, соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу, контактирующую с осажденным слоем, может включать прошивку стекловолоконной ткани иглой. В других вариантах осуществления изобретения в неорганической керамической матрице может быть размещено множество слоев стекловолоконной ткани.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала может включать введение множества слоев более тонкой или более толстой стекловолоконной ткани, расположенных в неорганической керамической матрице. В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала может включать введение небольшого количества слоев более толстой стекловолоконной ткани, расположенных в неорганической керамической матрице. В других вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала может включать введение большого числа слоев более тонкой стекловолоконной ткани, расположенных в неорганической керамической матрице.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала настоящего изобретения включающего множество выступов, осажденный слой, соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу, контактирующую с осажденным слоем и содержащую, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани, может включать обеспечение огнестойкого композиционного материала. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения этот способ может включать обеспечение огнестойкого композиционного материала, устойчивого к воздействию температур до 2000°F (1093°С) и выше.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала настоящего изобретения включающего множество выступов, осажденный слой, соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу, контактирующую с осажденным слоем и содержащую, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани, может включать обеспечение стойкого к баллистическому удару композиционного материала. В некоторых вариантах осуществления этот способ может включать обеспечение стойкого к баллистическому удару композиционного материала, который может обеспечивать защиту от проникновения снарядов, взрывающихся вблизи этого композиционного материала. В некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может обеспечивать на 50% бóльшую стойкость к баллистическому удару, чем одна неорганическая керамическая матрица. В других вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может обеспечивать общую стойкость к баллистической угрозе в соответствии со стандартом МО США MIL-STD-662F.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способ изготовления композиционного материала настоящего изобретения включающего множество выступов, осажденный слой, соединенный со множеством выступов, и неорганическую керамическую матрицу, контактирующую с осажденным слоем и содержащую, по меньшей мере, один армирующий слой стекловолоконной ткани, может включать обеспечение взрывостойкого композиционного материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот способ может включать обеспечение взрывостойкого композиционного материала со взрывостойкостью, превышающей средний стандартный уровень защиты в соответствии со стандартами уровней защиты UFC. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот способ может включать обеспечение взрывостойкого композиционного материала со взрывостойкостью, превышающей промежуточный стандартный уровень защиты в соответствии со стандартами уровней защиты UFC. Например, в некоторых вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может быть не подвержен расслоению или растрескиванию под действием взрывной нагрузки, соответствующей среднему уровню GSA. В других вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может быть подвержен только небольшому растрескиванию или расслоению под действием взрывной нагрузки промежуточного уровня в соответствии со стандартами уровней защиты. В других вариантах осуществления композиционный материал настоящего изобретения может без значительного расслоения выдерживать взрывную нагрузку высокого уровня в соответствии со стандартами уровней защиты.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения далее пояснены на конкретных не носящих ограничительного характера примерах.
ПРИМЕР 1
2
2
Одним из примеров осуществления композиционного материала настоящего изобретения является следующий. Структура этого композиционного материала подобна показанной на фиг.2. Для большей ясности обозначения, использованные на фиг.2, используются для описания компонентов композиционного материала в данном примере, однако этот пример не следует рассматривать как ограничивающий другие варианты осуществления настоящего изобретения, которые также могут характеризоваться структурой, подобной показанной на фиг.2. В этом варианте осуществления композиционный материал 200 имеет толщину приблизительно 1,5 дюйма (38,1 мм). Ткань 201 представляет собой легкую ткань из стекловолокна перевивочного переплетения с удельным весом приблизительно девять унций/кв. ярд (306 г/м). Ткань 201 образована с использованием двух концов пучка стекловолокна, полученного методом прямой вытяжки, с пределом текучести 1200 в направлении основы и одного конца пучка стекловолокна, полученного методом прямой вытяжки, с пределом текучести 550 в направлении утка. Композиционный материал 200 включает всего четыре слоя ткани 201, при этом по одному слою ткани расположено вблизи каждой поверхности, и два слоя ткани находятся между этими двумя наружными слоями ткани в неорганической керамической матрице 202. Эти ткани 201 сотканы так, что имеют полотняное переплетение из пучков стекловолокна, полученного методом прямой вытяжки, HYBON 2006 (предел текучести 250) от компании PPG Industries, Inc., характеризуются числом нитей на дюйм 5,5 в направлении основы и 5,3 нити на дюйм в направлении утка. Удельный вес ткани составляет приблизительно 25 унций/кв. ярд (850 г/м). На фиг.2 белые области - это неорганическая керамическая матрица 202, образованная из 2 частей Grancrete PCW (производства Grancrete, Inc.) и 1 части песка. Композиционный материал был получен путем сухого смешивания Grancrete PCW и песка при помощи ручного шнекового смесителя. Затем смесь Grancrete/песок ввели в шнековый смеситель непрерывного действия и смешали с сухими компонентами отмеренное количество воды. Затем вторичную смесь дополнительно перемешанной неорганической керамической матрицы через рукав подали насосом в форму. Первый слой ткани перевивочного переплетения 201 поместили в форму, поверх слоя ткани добавили 0,5 дюйма (12,7 мм) смеси Grancrete/песок. Второй слой ткани затем поместили поверх смеси Grancrete/песок и раскатали. После этого добавили второй слой неорганической керамической матрицы Grancrete/песок и еще один слой ткани. Наконец, в форму поместили третий слой неорганической керамической матрицы, а на его верхнюю поверхность - верхний слой ткани перевивочного переплетения.
ПРИМЕР 2
Другим примером осуществления композиционного материала настоящего изобретения является следующий. Структура этого композиционного материала подобна показанной на фиг.6. Для большей ясности обозначения, использованные на фиг.6, используются для описания компонентов композиционного материала в данном примере, однако этот пример не следует рассматривать как ограничивающий другие варианты осуществления настоящего изобретения, которые также могут характеризоваться структурой, подобной показанной на фиг.6.
2
В этом примере композиционный материал 600 представляет собой наносимый распылением композиционный материал. В композиционном материале 600 имеется множество металлических выступов 601 с винтами, выступающими так, что головки винтов проникают в другие слои. Осажденный слой 302 представляет собой полимерную пену, такую как Styrofoam, и имеет толщину, приблизительно, 0,5 дюйма (12,7 мм). В композиционном материале 600 имеется ткань 604. Ткань 604 представляет собой легкую ткань из стекловолокна перевивочного переплетения с удельным весом приблизительно девять унций/кв. ярд (306 г/м). Ткань 604 образована с использованием двух концов пучка стекловолокна, полученного методом прямой вытяжки, с пределом текучести 1200 в направлении основы и одного конца пучка стекловолокна, полученного методом прямой вытяжки, с пределом текучести 550 в направлении утка. На фиг.6 две серые области - это неорганическая керамическая матрица 603, образованная из 2 частей Grancrete PCW (производства Grancrete, Inc.) и 1 части песка. Керамическая матрица 603 имеет толщину приблизительно 5/8 дюйма (15,8 мм), при этом ткань 604 расположена, приблизительно, на 3/8 дюйма (9,5 мм) от наружной поверхности композиционного материала 200 и приблизительно 1/4 дюйма (6,3 мм) от осажденного слоя 602. Композиционный материал на фиг. 6 - это взрывозащитная панель толщиной 0,65 дюйма (16,5 мм), которая может быть нанесена распылением на каркасную стену. Как было описано в предыдущем примере, Grancrete PCW и песок перемешали в сухом состоянии, смешали с водой, после чего по рукаву подали насосом в дозирующее устройство для распыления. Это устройство для распыления при помощи сжатого воздуха распределяет и перемещает неорганическую керамическую матрицу на стену. Первые операции нанесения неорганической керамической матрицы были направлены на покрывание осажденного слоя (Styrofoam). Затем к влажной неорганической керамической матрице прикрепили слой ткани перевивочного переплетения, используя для навешивания и размещения ткани головки винтов. Затем поверх слоя ткани выполнили от трех до четырех операций нанесения неорганической керамической матрицы, чтобы получить заданную толщину стеновой панели.
ПРИМЕР 3
50
50
Некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения обеспечивается повышенная защита от баллистической угрозы в соответствии со стандартом МО США MIL-STD-662F. Некоторые образцы вариантов осуществления соответствующих настоящему изобретению, были подвергнуты испытаниям в соответствии со стандартами, изложенными в MIL-STD-662F, проведено измерение величины V в футах/сек. Результаты этих испытаний представлены в таблице, приводимой ниже. Для некоторых образцов рассчитать величину V было нельзя (обозначено Н/Д - нет данных), так как ни один из взорвавшихся снарядов не пробил образец.
Панели примера 3 были произведены путем смешивания вручную в баке Grancrete/песок при помощи большого шнекового бура. Процесс производства этих панелей был аналогичен описанному в примере 1. Каждая из панелей толщиной 1,5 дюйма (38,1 мм) включала четыре слоя стекловолоконной ткани и три слоя неорганической керамической матрицы. Каждая из панелей толщиной 3,5 дюйма (88,9 мм) включала шесть слоев стекловолоконной ткани и пять слоев неорганической керамической матрицы, состоящей из двух частей Grancrete PCW и одной части песка. В тех вариантах осуществления, в которых композиционный материал включал и ткань, и ткань с открытой структурой, ткань располагали в середине неорганической керамической матрицы, а ткань с открытой структурой располагали у наружных краев.
Описание образца
Уровень угрозы
V<sub>50</sub>, фут/сек (м/с)
Толщина 1,5 дюйма с обычной тканью из стекловолокна Hybon (“HWR-25”) без покрытия перевивочного переплетения с уд. весом 9 унций (306 г/м<sup>2</sup>)
.44-Mag., 240-grain SWCGC
1747 (532)
Толщина 1,5 дюйма с прошитой тканью HWR-25 с покрытием петлистого переплетения с уд. весом 14 унций (397 г/м<sup>2</sup>)
.44-Mag., 240-grain SWCGC
1738 (530)
Толщина 3,5 дюйма с обычной тканью HWR-25 без покрытия перевивочного переплетения с уд. весом 9 унций (306 г/м<sup>2</sup>)
7,62×39 мм, 123/grain MSC
1965 (599)
Толщина 3,5 дюйма с прошитой тканью HWR-25 с покрытием петлистого переплетения с уд. весом 14 унций (397 г/м<sup>2</sup>)
7,62×39 мм, 123/grain MSC
1992 (607)
Толщина 3,5 дюйма с прошитой тканью HWR-25 с покрытием петлистого переплетения с уд. весом 14 унций (397 г/м<sup>2</sup>)
.30-06-cal., 180-grain LCSP
Н/Д
Толщина 3,5 дюйма с прошитой тканью HWR-25 с покрытием петлистого переплетения с уд. весом 14 унций (397 г/м<sup>2</sup>)
7,62×51 мм, 150-grain M80 copper FMJ
Н/Д
Толщина 3,5 дюйма с обычной тканью HWR-25 без покрытия перевивочного переплетения с уд. весом 9 унций (306 г/м<sup>2</sup>)
.30-06-cal., 165-grain APM2
Н/Д
ПРИМЕР 4
50
50
Другими вариантами осуществления настоящего изобретения обеспечивается повышенная защита от баллистической угрозы в соответствии со стандартом МО США MIL-STD-662F. Некоторые образцы вариантов осуществления соответствующих настоящему изобретению, были подвергнуты испытаниям в соответствии со стандартами, изложенными в MIL-STD-662F, проведено измерение величины V в футах/сек. Результаты этих испытаний представлены в таблице, приводимой ниже. Для некоторых образцов рассчитать величину V было нельзя (обозначено Н/Д - нет данных), так как ни один из взорвавшихся снарядов не пробил образец.
Панели были произведены следующим образом. Защитный слой содержал слой Mil-Tough™ “Spall Master” толщиной 0,1 дюйма (2,5 мм) и был нанесен в виде предварительно изготовленной пленки при помощи эпоксидного клея. В некоторых вариантах осуществления изобретения первый слой неорганической керамической матрицы может включать куски гранита (размер #6М около 3/4 дюйма (19 мм) в диаметре), смешанные с Grancrete PCW в соотношении камень/Grancrete 1:1. В варианте осуществления с высокой плотностью камня первая неорганическая керамическая матрица содержала куски камня меньшего размера, чем #6М, или приблизительно 0,5 дюйма (12,7 мм) в диаметре, смешанные с Grancrete PCW в соотношении камень/Grancrete 2:1. В панелях толщиной 5,25 дюйма (133 мм) находилось пятнадцать слоев ткани петлистого переплетения, все она были равномерно распределены по второй неорганической керамической матрице. В панелях толщиной 3,5 дюйма (89 мм) находилось семь слоев ткани петлистого переплетения, все она были равномерно распределены по второй неорганической керамической матрице.
Описание образца
Уровень угрозы
Нанесено ударов
V<sub>50</sub>, фут/сек (м/с)
Толщина 3 дюйма с обычным наполнением камнем
.30-06-cal., 165-grain APM2
9
2525 (770)
Толщина 3 дюйма с более плотным наполнением камнем (меньшего размера)
.30-06-cal., 165-grain APM2
9
2520 (768)
Толщина 5,25 дюйма, та же конструкция, что и у взрывозащитной стены (с защитным слоем)
.30-06-cal., 165-grain APM2
9
3662 (1116)
Толщина 5,25 дюйма, та же конструкция, что и у взрывозащитной стены (с защитным слоем)
50-cal., 695-grain APM2
5
2149 (655)
Обшивка толщиной 5,25 и 3,5 дюйма, та же конструкция, что и у взрывозащитной стены (с защитным слоем)
50-cal., 695-grain APM2
2
2861 (872) -частично3021 (921) -частично
Обшивка толщиной 5,25 и 3,5 дюйма, та же конструкция, что и у взрывозащитной стены (с защитным слоем)
20-мм, 830 grain FSP
2
3316 (1011) -частично3676 (1120) - частично
Панель толщиной 5,25 и обшивка толщиной 3,5 дюйма, та же конструкция, что и у взрывозащитной стены (с защитным слоем)
20-мм, 830 grain FSP
2
4100 (1250) -частично4380 (1335) -частично
ПРИМЕР 5
Некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения обеспечивается повышенная защита от взрывной волны и баллистического удара. Некоторые образцы вариантов осуществления настоящего изобретения подвергли испытаниям в соответствии со стандартами защиты от взрывной волны и баллистического удара. Результаты этих испытаний представлены в таблице, помещенной ниже. Панели были произведены с использованием методик, аналогичных описанной в примере 1.
Тип панели
Толщина
Удельная плотность
NIJ 0108-01
UL752
Stanag 4569
Euronorm
Уровень защитыот взрыва
От взрывной волны и баллистического удара
1,5 дюйма (с 4 слоями ткани петельчатого переплетения - одним слоем ткани у каждой наружной поверхности и двумя, равномерно распределенными между ними)
15 фунтов/кв. фут (72 кг/м<sup>2</sup>)
I, IIA, II уровни
1-3 уровни
Н/Д
В1, В2, В3, В4 уровни
Защита для стеновых и кровельных конструкций на расстоянии до 8 футов (2,4 м)
UFC 4-010-01, GSA низкий, средний и высокий уровни
3,5 дюйма (с 6 слоями ткани петельчатого переплетения - одним слоем ткани у каждой наружной поверхности и 4, равномерно распределенными между ними)
35 фунтов/кв. фут(168 кг/м<sup>2</sup>)
NIJ III уровень
4-5 уровни
1 уровень
В5, В6 уровни
Защита для стеновых и кровельных конструкций на расстоянии до 14 футов (4,3 м)
UFC 4-010-01, GSA высоки уровень
От баллистического удара
2 дюйма (панель с первой керамической неорганической матрицей толщиной 1 дюйм, содержащей гранит, и второй керамической неорганической матрицей толщиной 1 дюйм, содержащей 6 слоев ткани петельчатого переплетения, равномерно распределенных)
25 фунтов/кв. фут(120 кг/м<sup>2</sup>)
I, IIA, II, IIIA, III уровни
1-8 уровни
1 уровень
В1, В2, В3, В4, В5, В6 уровни
3 дюйма (панель с первой керамической неорганической матрицей толщиной 1,5 дюйма, содержащей гранит, и второй керамической неорганической матрицей толщиной 1,5 дюйма, содержащей 9 слоев ткани петельчатого переплетения, равномерно распределенных)
37 фунтов/кв. фут (177,6 кг/м<sup>2</sup>)
NIJ III уровень
8 уровень
2 уровень
В6 уровень
Искомые характеристики, которыми могут обладать варианты осуществления настоящего изобретения могут включать, помимо прочего, придание композиционным материалам повышенной стойкости к разрушению в результате действия взрывной волны или баллистического удара; обеспечение композиционных материалов меньшего веса по сравнению с традиционными бетонными элементами усиления; придание композиционным материалам повышенной огнестойкости по сравнению с традиционными строительными конструкциями; обеспечение композиционных материалов с увеличенным пределом прочности по сравнению с традиционными бетонными стенами; обеспечение композиционных материалов, которые быстро отверждаются по сравнению с традиционными бетонными конструкциями; обеспечение композиционных материалов, которые с экологической точки зрения превосходят бетон; и/или другие.
Следует понимать, что настоящее описание направлено на пояснение аспектов изобретения для ясного понимания этого изобретения. Определенные аспекты изобретения, очевидные специалистам в данной области и которые, следовательно, не облегчают понимания данного изобретения, не представлены, чтобы упростить настоящее описание. Хотя настоящее изобретение описано в связи с определенными вариантами его осуществления, настоящее изобретение не ограничивается определенными описанными вариантами осуществления, напротив, подразумевается, что оно охватывает модификации, лежащие в рамках существа и объема изобретения.