ПРОЗРАЧНАЯ КЕРАМИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ
TRANSPARENT CERAMIC COMPOSITION

Изобретение относится к прозрачным защитным композициям, а более конкретно к прозрачной бронезащите от бронебойных пуль сверхвысокой твердости.
В настоящее время известны различные конструкции бронестекол.
В некоторых композициях используют стекла различной прочности без использования органического стекла на тыльной поверхности. Она требует в производстве использования различных технологий упрочнения стекол, особенно тыльного стекла композиции. Защитный механизм такой композиции основан на поглощении части энергии проникновения пули за счет энергии, затраченной на разрушение высокопрочных стекол, превышающих прочность сырого стекла в 10-100 раз при сохранении целостности каждого слоя стекла от воздействия отраженной волны и скоростного давления пули.
Известен многослойный светопрозрачный блок для защиты от огнестрельного оружия (см. патент RU №2191972, МПК F41H 5/26, опубл. 27.10.2002), состоит из закрепленных в раме наружного и внутреннего листов из стекла и размещенных между ними промежуточных листов из поликарбоната. Промежуточные листы размещены с зазорами как между собой, так и по отношению к наружному и внутреннему листам из стекла для создания воздушных ловушек, рассеивающих и поглощающих энергию пули, при этом первый воздушный зазор между внешним листом и смежным с ним листом из поликарбоната равен 0,5-10,0 мм, остальные - 0,05-2,00 мм, листы из стекла с двух сторон покрыты прозрачной полимерной пленкой.
2
Недостатками известного светопрозрачного защитного блока являются большая толщина (по стеклу не менее 80 мм) и значительная масса (около 200 кг/м).
Известно многослойное стекло (см. патент RU №2291783, МПК В32В 17/10, опубликован 20.01.2007), включающее листы стекла, которым обычно является флоат-стекло, закаленное стекло или стекло, подвергнутое закалке с последующим отпуском, толщина которого, как правило, находится в диапазоне 1-10 мм, предпочтительно в диапазоне 1-5 мм. Между листами стекла находится связанный с ними композиционный промежуточный слой, содержащий два листа полиэтилентерефталата (ПЭТФ) между слоями пластифицированного поливинилбутираля (ПВБ-клея). Каждый лист ПВБ предпочтительно имеет толщину примерно 0,76 мм, а каждый лист ПЭТФ является двуосно-ориентированным и может иметь толщину в диапазоне примерно 0,025-0,25 мм (1-10 мил), предпочтительно толщину примерно 0,175 мм (7 мил), при этом общая предпочтительная толщина ПЭТФ составляет 0,350 мм (14 мил). Оптическая прозрачность каждого слоя ПЭТФ соответствует матовости менее 1%. Слои ПЭТФ связаны друг с другом предпочтительно посредством акриловой смолы, склеивающей при сдавливании.
В других композициях в основном используют листы из прозрачной керамики и лист поликарбоната на тыльной поверхности стеклоблока, который хорошо гасит ударную волну и не дает вторичных осколков. Защитный механизм данного вида брони основан на том, что энергия удара пули расходуется на разрушения всех слоев стекла, а поликарбонат (в основном толщиной 4 мм) защищает от воздействия ударной волны и вторичных осколков.
2
2
Известна прозрачная керамическая композиция (см. US Statutory Invention Registration №1-11519, МПК F41H 5/26, опубл. 05.03.1996), имеющая поверхностную плотность 16,5 фунт/фут (~7,5 г/см) и включающая один лист толщиной 0,5 дюйма (1,27 см) или два листа, каждый толщиной 0,25 дюйма (0,635 см) из оксида магния или оксида алюминия, соединенных с помощью прозрачного адгезива с прозрачным листом поликарбоната толщиной 1,0 дюйм (2,54 см).
Известная прозрачная керамическая композиция обеспечивает защиту от бронебойной пули, имеющей начальную скорость ~900 м/с. Однако обеспечение достаточной прочности и прозрачности достигается за счет увеличения толщины, веса и повышения стоимости ее изготовления. Кроме того, эта композиция не может быть изготовлена больших размеров, что ограничивает область ее использования.
Известна прозрачная броневая композиция (см. US Statutory Invention Registration №H1567, МПК F41H 5/26, опубл. 06.08.1996), включающая лист из шпинеля (71,5%
2
3
AlO, 28,5% MgO) толщиной 3/8 дюйма (~0,95 см), промежуточный слой из листов полисульфона или другого подходящего прозрачного полимерного материала толщиной 1/8 дюйма (~0,32 см), спрессованных в ударовязкий упругий лист толщиной 0,5 дюйма (1,27 см), и лист из поликарбоната толщиной 0,25 дюйма (~0,95 см).
Известная прозрачная керамическая композиция обеспечивает защиту от бронебойной пули, имеющей начальную скорость около 900 м/с. К недостаткам известной композиции следует отнести ее значительную толщину и вес, высокую стоимость, а также ограниченную область использования.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является прозрачная керамическая композиция (см. заявку US №20070068375, МПК F41H 5/02, опубл. 29.03.2007), включающая внешний слой из не менее одной пластины монокристаллического сапфира, промежуточный слой из не менее одной пластины стекла и внутренний слой из поликарбоната, соединенные адгезивными слоями из поливинилбутираля или эпоксидных смол. В качестве материала промежуточного слоя могут быть использованы: боросиликатное стекло, химически упрочненное стекло и другие виды стекол. В качестве адгезивных слоев могут быть использованы: поливинилбутираль и этилвинилацетат. В зависимости от назначения толщина наружного слоя может составлять 0,05-3,0 см, толщина промежуточного слоя может лежать в пределах 0,1-15,0 см, а толщина внутреннего слоя из поликарбоната - 0,1-5,0 см. Внутренний слой из поликарбоната может быть покрыт пленкой для защиты от царапин и матирования.
Действие защиты известной композиции-прототипа основано на том, что при соударении пули с лицевым слоем сапфира, имеющим твердость 20-22 ГПа, бронебойный сердечник должен разрушаться. Осколки сердечника будут тормозиться в стекле и задерживаться подложкой из поликарбоната, обладающего высокой энергоемкостью и деформационной способностью. Композиция-прототип обеспечивает защиту от бронебойных пуль с сердечником из закаленной стали (твердость до 7ГПа) при уменьшении массы композиции по сравнению с монолитной стеклянной броней в 2,5-3,0 раза.
Однако для защиты от пули 7,62×54АР WC со сверхскоростным сердечником из карбида вольфрама (твердость 17 ГПа, начальная скорость пули - 930 м/с) потребовалось увеличение массы композиции-прототипа более чем в два раза по сравнению с защитой от пуль с сердечником из закаленной стали, т.е. соизмеримой с массой монолитной стеклянной брони. Причина резкого увеличения массы композиции-прототипа состоит в низкой эффективности сапфира при взаимодействии со сверхскоростным сердечником. Низкая эффективность сапфира в композиции-прототипе при взаимодействии со сверхтвердым сердечником обусловлена тем, что на начальной стадии соударения, вследствие быстрорастущих трещин в сапфире, его твердость снижается от 20-22 до 12-13 ГПа, т.е. ниже твердости карбида вольфрама. В результате не происходит деформирование сверхтвердого сердечника.
Задачей заявляемого изобретения является создание прозрачной керамической композиции с улучшенными массовыми характеристиками по сравнению с известной керамической композицией-прототипом путем подавления деградации твердости сапфира и сохранения его твердости, близкой к исходной, на время взаимодействия с сердечником.
Поставленная задача решается тем, что прозрачная керамическая композиция включает внешний слой, содержащий не менее одной пластины монокристаллического сапфира, промежуточный слой из не менее одной пластины стекла и внутренний слой из пластины поликарбоната, при этом внешний слой дополнительно включает с внешней стороны каждой пластины монокристаллического сапфира пластину силикатного стекла. Все пластины соединены в пакет адгезивными слоями.
Размещение с внешней стороны пластины монокристаллического сапфира пластины силикатного стекла обеспечивает при ударе пули возникновение в сапфире до подхода сердечника сжимающих напряжений, препятствующих росту трещин. В результате удается подавить деградацию твердости сапфира на время его взаимодействия с сердечником бронебойной пули.
Толщина пластины монокристаллического сапфира, в зависимости от назначения, может составлять 0,75-1,5 см.
Толщина промежуточного слоя, в зависимости от назначения, может составлять 0,8-1,5 см.
Толщина внутреннего слоя может составлять 0,4-1,5 см, предпочтительно 0,4-1,2 см.
Внешний слой может включать две пластины монокристаллического сапфира, каждая из которых закрыта с внешней стороны пластиной силикатного стекла. Склейка пластин стекла и сапфира должна обеспечивать их акустический контакт.
Толщина каждой пластины монокристаллического сапфира может составлять 0,75-1,5 см, предпочтительно 0,75-1,0 см, а толщина каждой из закрывающих их с внешней стороны пластины силикатного стекла может составлять 0,6-1,0 см.
Промежуточный слой может включать пластину обычного силикатного стекла и расположенную за ней пластину упрочненного силикатного стекла.
Толщина пластины силикатного стекла может составлять 0,8-0,4 см, а толщина расположенной за ней пластины упрочненного силикатного стекла может составлять 0,8-1,2 см.
Адгезивныый слой может быть выполнен из материала, выбранного из группы: поливинилацетали, эпоксидные смолы. Предпочтительно адгезивный слой выполнять из полйвинилбутираля.
Для защиты от царапин и матирования наружной поверхности внутреннего слоя он может быть покрыт пленкой, выполненной из применяемого в этих целях любого известного материала, например, из полиэтилентерефталата (лавсана).
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 приведен один из вариантов структуры заявляемой композиции в поперечном разрезе;
на фиг.2 приведен другой вариант структуры заявляемой композиции в поперечном разрезе.
Заявляемая прозрачная керамическая композиция включает последовательно установленные пластину 1 силикатного стекла на внешней стороне композиции и пластину 2 монокристаллического сапфира, в совокупности образующие внешний слой, пластину 3 стекла, образующую промежуточный слой, и пластину 4 поликарбоната, образующую внутренний слой. Наружная поверхность пластины 4 поликарбоната покрыта пленкой 5 для защиты поверхности поликарбоната от царапин и матирования. Пластины композиции соединены адгезивными слоями 6.
Другой вариант прозрачной керамической композиции включает последовательно установленные пластину 1 силикатного стекла на внешней стороне композиции, пластину 2 монокристаллического сапфира, пластину 7 силикатного стекла и пластину 8 монокристаллического сапфира, в совокупности образующие внешний слой, пластину 9 силикатного стекла и пластину 3 упрочненного силикатного стекла, образующие промежуточный слой, и пластину 4 поликарбоната, образующую внутренний слой. Пластины композиции соединены адгезивными слоями 6.
Пример 1. Был изготовлен образец №1 заявляемой прозрачной композиции, приведенной на фиг.1. Толщина пластины 1 силикатного стекла оставляла 0,6 см, толщина пластины 2 монокристаллического сапфира составляла 1,5 см, толщина пластины 3 упрочненного стекла составляла 1,2 см и пластина 4 поликарбоната была изготовлена толщиной 0,4 см. Пластины композиции были соединены адгезивными слоями 6 из эпоксидной смолы.
Пример 2. Был изготовлен образец №2 заявляемой прозрачной керамической композиции, приведенной на фиг.2. Толщина пластины 1 силикатного стекла составляла 0,6 см, толщина пластины 2 монокристаллического сапфира составляла 0,75 см, пластина 7 силикатного стекла имела толщину 0,6 см, пластина 8 монокристаллического сапфира имела толщину 0,75 см, толщина пластины 9 силикатного стекла составляла 0,3 см, толщина пластины 3 упрочненного стекла составляла 1,0 см и пластина 4 поликарбоната была изготовлена толщиной 0,4 см. Пластины композиции были соединены адгезивными слоями 6 из эпоксидной смолы.
Пример 3. Был изготовлен образец №3 известной прозрачной керамической композиции-прототипа (без пластин 1 и 7). Остальные пластины имели такую же толщину, как и в образце №2 заявляемой прозрачной композиции.
Изготовленные образцы №1, №2 и №3 были подвергнуты сравнительным испытаниям ударом по нормали со скоростью 930 м/с пулей калибра 7,62 мм с сердечником из карбида вольфрама.
Испытания показали, что образец №1 останавливает пулю, головная часть сердечника оказалась притуплена, сам сердечник разрушился на две части и развернулся на 90°. Поликарбонатовая пластина 4 не пробита, но на ней образовалась большая вмятина.
Образец №2 останавливает пулю, при этом оказалась деформирована головная часть сердечника, а сам сердечник разрушился. Пластина из поликарбоната 4 осталась целой без видимых повреждений и вмятин.
При испытании образца №3 пуля прошла насквозь, на поликарбонатовой пластине 4 образовалось локальное отверстие от сердечника, головная часть сердечника при взаимодействии с керамической композицией оказалась немного притупленной.