Броньова панель

Реферат: Винахід належить до засобів бронезахисту та може бути використаний для індивідуального та колективного захисту від ураження кулями стрілецької зброї з високою енергією (гвинтівки СВД). Броньова панель містить зовнішній шар з тканини, просоченої поліуретановим полімерним зв'язуючим, шар керамічних пластин, який за допомогою прошарку зі спіненого еластомеру наформований на шар комбінованого підпору з шаруватого армованого тканиною композиційного пластику, при співвідношенні товщини шару керамічних пластин до загальної товщини комбінованого підпору, яке складає 1,3-1,5. Суть винаходу досягається тим, що шар підпору виконаний у вигляді монолітної пластини, складається з двох частин: фронтальної, матеріал якої містить термореактивну матрицю, і тильної, матеріал якої містить термопластичну матрицю, при співвідношенні шарів армуючої тканини фронтальної та тильної частин підпору 0,8-0,9. Суть винаходу досягається також тим, що фронтальна частина підпору складається з шарів склотканини, просоченої епоксидним зв'язуючим, а тильна частина підпору UA 108668 C2 (12) UA 108668 C2 складається з шарів склотканини, просоченої поліуретановим зв'язуючим. Броньова панель, яка містить зовнішній шар з тканини, просоченої поліуретановим полімерним зв'язуючим, шар керамічних пластин, який за допомогою прошарку зі спіненого еластомеру наформований на шар комбінованого підпору з шаруватого армованого тканиною композиційного пластику, при співвідношенні товщини шару керамічних пластин до загальної товщини комбінованого підпору, яке складає 1,3-1,5. Винахід дає змогу досягти підвищення кулестійкості під дією куль з високою енергією та зниження ваги панелі. UA 108668 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до засобів бронезахисту та може бути використаний для індивідуального та колективного захисту від ураження кулями стрілецької зброї з високою енергією, наприклад, снайперської гвинтівки Драгунова (СВД). Від дії високоенергетичних динамічних навантажень використовують комбіновані матеріали, які складаються з шарів кераміки та полімерних композитів. Розробка таких керамікополімерних матеріалів надає можливість корисно використовувати механічні властивості різних за природою складових, в яких діють певні регульовані механізми трансформації кінетичної енергії кулі, що створюють умови дисипації енергії і ефективного опору ударним навантаженням. Актуальним для засобів бронезахисту, особливо індивідуального, є зменшення вагових показників. Сучасні бронезахисні конструкції, як правило, являють собою дво- або багатошарову композиційну панель, в якій фронтальний (ударний) шар формується з керамічних або металевих пластин - матеріалу з високими характеристиками міцності та ударної в'язкості. Основою для керамічного шару є підпор із композиційного матеріалу. Головною функцією підпору є поглинання та дисипація енергії, що залишається після руйнування кераміки. Ці процеси в підпорі ідуть за механізмами навантаження та руйнування високоміцних армуючих волокон та полімерної матриці, а також за рахунок порушення зв'язків на межі волокно-матриця. Зазвичай як підпор використовують полімерні композити на основі скляних та синтетичних волокон. Відомий захисний композит для засобів індивідуального захисту, який виготовлений зі скляних, вуглецевих, базальтових або арамідних волокон, а також тканин, що просочені термореактивним полімерним зв'язуючим. Захисні властивості такого підпору забезпечуються також введенням різних функціональних шарів, наприклад, з повсті, поролону, титанового сплаву, алюмінієвої фольги. Матеріали шарів, які входять до складу композиту, передбачають можливість гальмування кулі або зміну напрямку її руху з поглинанням кулі (Патент Росії № 2420704, МПК F1/02, 5/04, 2006). Матеріал забезпечує захист за 1-5 класом захисту по ГОСТ Р 50744-95. Недоліком можна вважати те, що захисних властивостей такого композиту недостатньо у разі ураження кулями з підвищеною енергією, наприклад бронебійними кулями гвинтівки СВД (6 та 6-а класи захисту). Відома також композиційна балістична броня (GB2276934, МПК В32ВЗ/14, F 41 Н 5/04, 1994), яка складається із зовнішньої ударної частини і підпорної (внутрішньої) частини. Зовнішня (ударна) частина броні містить шар керамічних пластин з оксиду алюмінію, карбіду бору, дибориду титану, карбіду кремнію та інш. Підпорна частина броні є композитом, в якому армуючі волокна знаходяться в полімерній матриці. За цим патентом, як армуючий матеріал в підпорній частині використовують арамідні, скляні волокна та волокна з високомолекулярного поліетилену, а як матрицю - широкий спектр полімерів. Композитний підпор такої броні також має фронтальну частину, яка знаходиться під керамічним шаром, і тильну частину підпору. Різниця властивостей шарів фронтальної і тильної частин підпору обумовлюється використанням в них як різних видів армуючих волокон, так і різних типів полімерної матриці. Проте у відомому технічному рішенні структура композиційної броні формується таким чином, що частина полімерного підпору композиту, що розміщена під керамікою, має менший опір проникненню кулі, ніж шар тильної частини підпору. Запропонована броня має велику 2 поверхневу питому вагу - до 80-100 кг/м , рекомендована для захисту транспортних засобів і є дуже важкою для засобів індивідуального захисту. При цьому навіть у разі використання легких високоміцних поліетиленових та арамідних волокон запропоновані технічні рішення не дозволяють досягнути достатньої балістичної стійкості проти високоенергетичних куль, оскільки порядок формування комбінованої пошарової будови броні не враховує особливостей полімерних композиційних матеріалів різного складу щодо опору проникненню і дисипації кінетичної енергії кулі. Як прототип вибрана броньова панель, що містить зовнішній шар з просоченої полімерним зв'язуючим тканини, шар керамічних пластин та підпор з шаруватого композиційного пластика. Підпором є композит, в якому тканина з параарамідних волокон або склотканина, просочена фенолформальдегідним або поліуретановим зв'язуючим (Патент України № 721525, МПК7 F41H 1/02, 5/04, 2005). Шаруватий композиційний матеріал підпору під керамічним шаром поглинає кінетичну енергію кулі внаслідок імпульсного навантаження, пластичної деформації та розшарування волокон армуючої тканини. Співвідношення товщини шару керамічних пластин та підпору з шаруватого композиційного пластику становить 1,3-1,5. Поверхнева питома вага, тобто вага 1 км метру броньової панелі для захисту від високоенергетичних куль склала 52 2 кг/м . 1 UA 108668 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Недоліками цієї конструкції броньової панелі можна вважати значну вагу панелі у разі захисту від високоенергетичних куль (захист від куль гвинтівки СВД) та підвищену позаперешкодну деформацію, яка при вогнепальних випробуваннях визначається як глибина вм'ятини під дією кулі. В основу винаходу поставлено задачу шляхом використання комбінованого підпору, що поєднує шари полімерних композиційних матеріалів різної природи тобто на основі термореактивних та термопластичних зв'язуючих, за рахунок використання композитів з необхідними фізико-механічними характеристиками і за умов чергування шарів у певному порядку, досягнути вищого рівню захисту та зниження ваги панелі. Суть винаходу броньової панелі, яка містить зовнішній шар з тканини, просоченої поліуретановим полімерним зв'язуючим, шар керамічних пластин, який за допомогою прошарку спіненого еластомеру наформований на підпор з шаруватого композиційного пластика при співвідношенні товщини шару керамічних пластин до загальної товщини керамічного підпору 1,3-1,5, досягається тим, що підпором є комбінований шаруватий пластик виготовлений у вигляді монолітної пластини, яка складається з двох частин: фронтальної – композиту на основі термореактивного зв'язуючого та тильної - композиту на основі термопластичного зв'язуючого, при співвідношенні шарів армуючої тканини у фронтальній та тильній частинах підпору 0,8-0,9. Суть винаходу досягається також тим, що фронтальна частина підпору виготовлена з шарів склотканини, просоченої епоксидним зв'язуючим, а тильна частина підпора виготовлена з шарів склотканини, просоченої поліуретановим зв'язуючим. Порівняльний аналіз конструкції броньової панелі, яка заявляється, із прототипом, дозволяє зробити висновок, що вона відрізняється тим, що шар підпору, виготовлений у вигляді монолітної (суцільної) пластини, що складається з двох частин: фронтальної, матеріал якої має термореактивну полімерну матрицю, і тильної, матеріал якої має термопластичну матрицю, при співвідношенні шарів армуючої тканини у фронтальній та тильній частинах підпору складає 0,80,9, причому шар керамічних пластин наформований на фронтальну частину підпору. Також на відміну від прототипу фронтальна частина підпору виготовлена з шарів склотканини, просоченої епоксидним зв'язуючим, а тильна частина підпору виготовлена з шарів склотканини, просоченої поліуретановим зв'язуючим. Як армуючий матеріал підпору використана склотканина, наприклад, типу НП-650 або TG660. Як полімерна матриця композитів використана епоксидна смола типу ЕД-20 з поліетилен поліаміновим отверджувачем та поліуретанова композиція на основі клею типу "Стик". Оптимальний вміст епоксидного зв'язуючого у фронтальній частині складав 35 %, а поліуретанового зв'язуючого у тильній частині - 20 %. Фізико-механічні властивості полімерних композитів наступні: - композит з епоксидною матрицею має модуль пружності Е=30-40 ГПа, міцність на стиск σстиск=360-440 МПа, міцність на згин σзгин=300-400 МПа, міцність зсуву зсуву=25-35 МПа, ударну 2 в'язкість =185-235 кДж/м ; - композит з поліуретановою матрицею має Е=22-30 ГПа, σстиск=223-269 МПа, σзгин=66-79 2 МПа, зсуву=7-11 МПа, ударну в'язкість =201-251 кДж/м . Матеріалом керамічних пластин в запропонованій броньовій плиті є безкиснева кераміка, наприклад карбід кремнію, карбід бору або керамічні композити на їх основі товщиною 8-10 мм. Керамічні пластини з'єднуються з підпором через прошарок речовини на основі еластомерів. Співвідношення товщин керамічних пластин та підпору з шаруватого композиційного пластику становить 1,3-1,5, співвідношення кількості армуючих шарів в термореактивній і термопластичній частинах підпору становить 0,8-0,9. Технічний результат досягається завдяки особливій структурі підпору броньової плити, яка реалізує механізми руйнування полімерно-волокнистих композитів при дисипації залишкової (після руйнування керамічного шару) енергії бронебійної кулі в полімерних підпорах. В склокомпозитах першої під керамікою частини підпору із епоксидної матриці руйнування відбувається за когезійним механізмом, як руйнування волокон разом із матрицею, а в композитах тильної частини підпору із поліуретановою матрицею - за адгезійним механізмом із розшаруванням межі волокно-матриця і з руйнуванням окремих волокон. Саме такі механізми є найбільш енергоємними і тому найбільш ефективними при перетворенні кінетичної енергії кулі у роботу деформації. Покращення дисипативної здатності градієнтного підпору дає можливість зменшити товщину керамічних пластин і позаперешкодну деформацію броньової панелі при 2 збереженні рівня захисту і таким чином знизити вагу броньової панелі (до 45 кг/м ). Броньова панель може бути виконана плоскою або мати криволінійну форму. Суть винаходу пояснюється кресленням, де показана броньова панель у перерізі. Броньова панель містить зовнішній шар 1 з просоченої полімерним зв'язуючим тканини, шар керамічних 2 UA 108668 C2 5 10 15 20 25 30 пластин 2, який за допомогою прошарку 3 з еластомеру наформований на полімернокомпозиційному підпорі, фронтальна частина якого 4 - це полімерний композит з термореактивною матрицею, а тильна частина 5 - це полімерний композит з термопластичною матрицею. Броньова панель працює таким чином: під час улучення кулі її кінетична енергія трансформується у поверхневу енергію шляхом крихкого руйнування осереддя, фрагментування та диспергування шару кераміки та часткового відшарування його від підпору з наступною пластичною деформацією полімерного композиту підпору. Завдяки високому модулю пружності кераміки, в ній розвиваються великі напруження розтягу, яким протидіють напруженням на фронтальній частині підпору з високоміцного пластику з термореактивною (епоксидною) матрицею. Для такого композиту (з термореактивною матрицею) характерна локалізація зони руйнування безпосередньо в місці дії кулі, незначне порушення текстури тканини, обірвані волокна без характерного розшарування волокон (фібриляції), тобто когезійний механізм руйнування композиту в цілому. Руйнування матеріалу тильного шару підпору з термопластичною матрицею відбувається шляхом розшарування по границі розділу волокно-матриця з наступною пластичною деформацією волокон і їх фібриляцією - за адгезійним механізмом по границях волокно-матриця і з руйнуванням окремих волокон. Таким чином, зниження кінетичної енергії кулі під час улучення відповідає дисипації енергії на кожному етапі руйнування різних за природою шарів, що складають структуру броньової плити. Технологія виготовлення броньової панелі не вимагає використання складного технологічного устаткування та може бути застосована в умовах серійного виробництва. Були проведені порівняльні випробування 4-х зразків заявленої броньової панелі за прототипом (патент України № 72152). Всі зразки мали зовнішній шар з одного листа склотканини TG-660, просоченої спіненою поліуретановою композицією на основі клею "Стик-Р". Шар кераміки - пластини з реакційно спеченого карбіду кремнію розміром 50×50×10-12 мм. Підпор зразків 1-4 мав різну кількість шарів склотканини (див. таблицю) у складі фронтальної та тильної частини підпору. Панелі піддавали випробуванням трьома пострілами з гвинтівки СВД калібру 7,62 мм, тип кулі Б-32, швидкість кулі складала 830-864 м/с. Результати випробувань наведені в таблиці. Таблиця Параметри панелі Кількість шарів склотканини в підпорі: Фронтальна частина Тильна частина Співвідношення кількості шарів склотканини у фронтальній і тильній частині підпору Товщина підпора, мм Товщина кераміки Співвідношення товщини керамічного шару і товщини підпору Швидкість кулі, м/с / позаперешкодна деформація, мм Поверхнева питома вага панелі, кг/м Стан панелі після випробувань зразок 4 (прототип) 25 зразок 1 2 зразок 2 зразок 3 11 11 11 13 12 13 1 0,8 0,9 12 12 13 10 14 10 13 10 1 1,3 1,4 1,3 852/24 857/25 864/28 51,5 862/19 849/20 830/24 855/15 846/15 845/20 849/8 843/10 849/20 46 48 52 Немає Немає Немає Немає наскрізних наскрізних наскрізних наскрізних улучень, улучень, улучень, улучень, уламки уламки уламки уламки кераміки і кераміки і кулі кераміки і кулі кераміки і кулі кулі всередині всередині всередині всередині плити плити плити плити Балістичні випробування підтвердили досягнення вказаного технічного результату: броньова панель з комбінованим підпором забезпечує захист від ураження кулями гвинтівки 3 UA 108668 C2 2 5 СВД Б-32 калібру 7,62 мм при поверхневій питомій вазі лише 46-48 кг/м . Технічним результатом також є підвищення дисипативних властивостей панелі, тобто досягнення мінімальної величини позаперешкодної деформації при одночасному зниженні ваги панелі. Запропонована броньова панель забезпечує захист від куль автомату АК та гвинтівки СВД зі швидкістю 845-860 м/с навіть на відстані 5 м. Конструкція броньової панелі забезпечує також високі показники живучості панелі (до 9 влучень) без втрати цільності. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 1. Броньова панель, що містить зовнішній шар з тканини, просоченої поліуретановим полімерним зв'язуючим, шар керамічних пластин, який за допомогою прошарку зі спіненого еластомеру наформований на шар комбінованого підпору з шаруватого армованого тканиною композиційного пластику, при співвідношенні товщини шару керамічних пластин до загальної товщини комбінованого підпору, яке складає 1,3-1,5, яка відрізняється тим, що шар підпору виконаний у вигляді монолітної пластини і складається з двох частин: фронтальної, матеріал якої містить термореактивну матрицю, і тильної, матеріал якої містить термопластичну матрицю, при співвідношенні шарів армуючої тканини фронтальної та тильної частин підпору, що складає 0,8-0,9. 2. Броньова панель за п. 1, яка відрізняється тим, що фронтальна частина підпору додатково містить шари склотканини, просоченої епоксидним зв'язуючим. 3. Броньова панель за п. 1, яка відрізняється тим, що тильна частина підпору додатково містить шари склотканини, просоченої поліуретановим зв'язуючим. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4