16 октября 2016г.
Постоянно растущие требования к броневым конструкциям приводят к необходимости создания новых защитных структур с улучшенными свойствами и более широкой областью применения. Выбор конкретных типов броневых материалов и их структур, их размещения по толщине защитных элементов во многом определяется задачами, стоящими перед создаваемой защитной конструкцией (например, классом защиты), объектами, на которых они размещаются, а также целевыми функциями проектирования (минимальностью массы, стоимости, максимальной живучестью и другими).
В настоящее время для создания элементов броневой защиты широко используются различные баллистические материалы, начиная с полимерных композитов на основе органических волокон (например, арамидные волокна типа Кевлар и СВМ, волокна сверхвысокомодульного полиэтилена типа Spectra и Dyneema), металлических сплавов (броневые стали и сплавы титана) и заканчивая различными неармированными керамиками [2, 4]. Каждый из этих материалов обладает рядом недостатков. Относительно мягкая бронепанель из полимерного композита, в разумных пределах толщин и поверхностных плотностей, не обеспечивает необходимую бронестойкость. Металлические сплавы имеют высокий удельный вес и недостаточную твердость, что приводит к существенному росту поверхностной плотности бронепанелей при попытке увеличить класс защиты. Керамика имеет низкую ударную вязкость, что приводит, как правило, к разрушению броневого элемента уже после первого его поражения баллистическим элементом.
Вместе с тем в настоящее время особую актуальность приобретает проблема защиты от пуль с термоупрочненным сердечником. В отличие от мягких пуль, эффективная остановка твердого, практически недеформируемого сердечника бронебойной пули возможна только по механизму его хрупкого разрушения преградой. Эффективность таких преград возрастает с увеличением их твердости и ударной вязкости. Поскольку стальная броня существенно уступает в твердости бронебойным сердечникам она не является, в этом случае, эффективной защитой.
В этих условиях наиболее перспективными и практически безальтернативными материалами для создания средств бронезащиты по 5 – 6а классу (ГОСТ Р 50744-95) являются ударопрочные керамики [3]. Благодаря высокой твердости, превосходящей по твердости материал сердечника пули, эти материалы рассматриваются как эффективная защита от современных средств поражения. Кроме того, керамические баллистические материалы имеют по сравнению с металлическими меньшую плотность, что значительно повышает эргономические и весовые характеристики бронезащитных систем. В связи с этим применение керамических материалов является перспективным направлением развития защитных элементов и конструкций как индивидуального назначения (бронежилеты), так и различных транспортных средств (автомобилей, танков, судов и летательных аппаратов).
Однако монолитная керамика характеризуется и рядом существенных недостатков, которые во многом сужают возможности использования керамики в изделиях баллистического назначения. Главные из них – низкая прочность при растяжении, хрупкость и низкая вязкость разрушения, что приводит к низкой живучести броневого элемента.
Низкие характеристики трещиностойкости монолитной керамики могут быть серьезно улучшены за счет введения волокнистой армирующей фазы, т.е. перехода к керамоматричному композиту (КМК). Повышенные характеристики таких КМК являются следствием двух основных факторов: во-первых, очень высокого уровня физико- механических характеристик, достигаемых в современных волокнистых армирующих наполнителях; во-вторых, реализации значительно более сложного, по сравнению с монолитной керамикой, механизма разрушения КМК, особенно в условиях воздействия ударных нагрузок. Создание волокнисто-армированных КМК улучшает их баллистические и физико-механические свойства. КМК обладают большим сопротивлением развитию трещин, жизнестойкостью и ударной вязкостью.
КМК могут быть получены различными методами:
· твердофазными – путем введения армирующих волокон в порошковую шихту при реализации методов горячего прессования;
· жидкофазными – путем пропитки волокнистого каркаса керамосодержащим полимером с последующим пиролизом и образованием кокса, обогащенного керамическим материалом (Liquid Polymer Infiltration – LPI процессы) и путем пропитки углеродсодержащего полуфабриката расплавом металла. При получении SiC матрицы – это пропитка расплавом кремния (Liquid Silicon Infiltration – LSI процессы);
· газофазными – путем осаждения матричного материала в объеме волокнистого каркаса из газового прекурсора (Chemical Vapor Infiltration – CVI процессы).
Более подробно эти технологические методы рассмотрены авторами в работе [1].
Среди волокнистых КМК, получаемых жидко- и газофазными способами, наиболее широкое практическое применение получили композиты с SiC-матрицей, армированные различного типа карбидокремниевыми и углеродными волокнистыми материалами (нитями, лентами, тканями и др.). При этом коммерчески более привлекательным является применение в качестве армирующего материала – углеродных волокон.
КМК имеют достаточно высокий потенциал для их применения в качестве бронезащитного материала. Можно выделить следующие основные преимущества элементов защиты из КМК по сравнению с монолитной керамикой: более высокие показатели живучести – способность выдерживать многократные удары; более высокие технологические характеристики для получения сложнопрофильных крупногабаритных изделий; меньшая плотность (особенно по сравнению с металлическими бронематериалами), что значительно повышает, эргономические свойства индивидуальной защиты и весовую эффективность конструкций для коллективной защиты; возможность подгонки геометрии к имеющимся конструкциям; существенное снижение требований к модификации несущих рам транспортных средств. Кроме того, появляется возможность создавать наиболее эффективные броневые элементы с твердостью и прочностью, изменяемой по толщине (функционально градиентные материалы), а также в составе многослойных комбинированных защитных элементов.
В последнее время появилось достаточно много научных статей и патентов, где КМК рассматривается как самостоятельный или в комбинации с другими типами керамик перспективный элемент бронезащиты. На рис. 1 приведена фотография плит из КМК, получаемых по технологии LSI, марок SIGRASIC и TAVCOR (SGL Group, Германия) с различными видами углеволокнистого материала, используемые в качестве антибаллистической защиты [5]. При этом средства защиты из КМК марки SIGRASIC имеют практически высший пятый уровень степени защиты по стандарту STANAG - 4569 для защиты бронированных машин легкой категории.
Необходимо отметить, что наиболее перспективным направлением применения антибаллистических КМК является их использование для создания защитных конструкций сложной геометрической формы, в том числе и большого размера. Такие защитные системы могут легко монтироваться и крепиться, например, под обшивкой транспортного средства (рис. 2) [5]. Этими качествами в полной мере обладают
бронепанели на основе КМК, получаемые жидко- и газофазными способами.
Как правило,
введение в КМК волокнистых наполнителей понижает его
осредненную твердость, делая ее существенно ниже
твердости монолитной керамики. Поэтому наибольший эффект при применении КМК в качестве броневого материала дает создание на его основе функционально-градиентных и слоистых материалов, что является одним из вариантов регулирования и оптимизации эксплуатационных характеристик
изделий из КМК. Такой подход позволяет
создавать материалы, в
которых отдельные слои выполняют одну или несколько своих самостоятельных функциональных задач.
Считается, что такие структуры будут способствовать диссипации кинетической энергии поражающего элемента при разрушении материала под действием ударных нагрузок, где более
твердые слои предназначены для деформирования и разрушения поражающего элемента, а более эластичные – для погашения кинетической энергии
осколков ударника и материала предыдущих слоев.
Такие градиентные и
слоистые
материалы могут быть получены:
–
за счет изменения внутренней структуры, химического состава, технологических
процессов формования;
–
путем создания слоистых пакетов
с различными свойствами каждого из
отдельных его слоев;
–
путем создания на поверхностях изделий из КМК
различного рода функциональных покрытий.
Другим путем улучшения баллистических характеристик КМК является создание
гибридных композитов, в которых для армирования керамической матрицы используется комбинирование дисперсных частиц и волокнистого наполнителя. Наиболее эффективно этот
путь реализуется, когда в межволоконное пространство армирующего наполнителя
вводятся углеродные нанотрубки или наноразмерные
частицы углерода, кремния, бора,
оксидные соединения алюминия и пр. Полученные таким способом КМК обладают
повышенными характеристиками прочности и ударной вязкости.
Таким образом, проведенный анализ показал, что существует большой потенциал для дальнейшего повышения баллистической эффективности керамических средств
защиты за счет использования в них КМК. Причем, наиболее
перспективный подход к
решению данной проблемы основан на совершенствовании структуры керамического материала и
броневого элемента как на макро-, так и на микро- и наноуровнях.
Список литературы
1.
Гаршин А.П. Фрикционные материалы на основе волокнисто-армированных
композитов с углеродной и
керамической матрицей для
систем торможения / А.П.Гаршин,
В.И.Кулик,
А.С.Нилов // Новые огнеупоры,
2008. - №9. - с. 54-60.
2.
Григорян В.А. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального
бронирования / В.А. Григорян, И.Ф. Кобылкин, В.М. Маринин, Е.Н. Чистяков. – М.: РадиоСофт, 2008. – 406 с.
3.
Келина И.Ю. Ударопрочная керамика на основе карбида кремния / И.Ю. Келина, В.В. Ленский, Н.А. Голубева и др. // Огнеупоры и техническая керамика, 2010. - № 1-2. – С. 17– 24.
4.
Легкие баллистические материалы / Под ред. А. Бхатнагара. М.: Техносфера, 2011. – 392 с.
5. [Электронный ресурс]. – режим доступа: www.sglgroup.com/.../ballistic...ceramics/index.html
