Броня из наноматериалов - возможности и перспективы

Броня из наноматериалов - возможности и перспективы

Возможность применения того или иного материала для изготовления легкой брони определяется комплексом свойств, главными из которых являются: прочностные характеристики (модуль упругости, твердость, пределы текучести и прочности), предельное удлинение и, конечно, плотность материала. Поскольку броня при интенсивном локализованном динамическом воздействии высокоскоростных пуль и осколков работает в экстремальных условиях, для ее изготовления обычно используются материалы с экстремально высокими прочностными характеристиками и по возможности низкой плотности. К таким материалам относят рассмотренные выше синтетические высокомодульные материалы и изготовляемые на их основе полимерные композиционные материалы, высокопрочные металлические сплавы: бронестали, титановые и алюминиевые броневые сплавы; высокотвердые керамики и стекла.

Необходимость снижения массы защитных структур СИБ при сохранении или даже увеличении их защищающей способности требует разработки новых материалов с новыми химическим и фазовым составами и структурами. В конце XX века возникло новое направление кардинального улучшения функциональных свойств конструкционных материалов за счет формирования субмикрокристаллической структуры с размером зерен 1 мкм...100 нм и нанокристал- лической структуры, для которой размер зерен не превышает 100 нм. Для получения объемных наноматериалов, например бронепластин, можно использовать порошковые технологии - компактирование нанопорошков, кристаллизацию из аморфного состояния и интенсивную пластическую деформацию [9.1, 9.2].

Механические свойства поликристаллических материалов существенно зависят от размера зерен. В общем случае связь между пределом текучести и размером зерна описывается соотношением

Броня из наноматериалов - возможности и перспективы

Для материалов с субмикрокристаллической структурой рост прочности и твердости с уменьшением размера зерен обусловлен увеличением площади границ раздела, которые являются препятствием для движения дислокаций. Высокая прочность нанокристал- лических материалов обусловлена низкой плотностью существующих в наночастицах дислокаций и трудностью их размножения. Качественная зависимость предела текучести от среднего размера зерна приведена на рис. 9.1. Микротвердость материалов нанокри- сталлической структуры в несколько раз превышает твердость крупнозернистых аналогов, при этом их пластичность остается достаточно высокой, что весьма важно для обеспечения противо- пульной стойкости бронепластин [9.1].

Броня из наноматериалов - возможности и перспективы
 
Образцы из аустенитной стали 12Х18Н10Т, полученные прессованием порошка с размером частиц 100 нм, имеют предел текучести 1,34 ГПА, что в несколько раз больше предела текучести этой стали, полученной с помощью обычной технологии. При этом предельное удлинение составляет 27% [9.3]. Существенно возрастают также прочностные характеристики титановых сплавов с субмикрокристаллической и нанокристаллической структурой (рис. 9.2) [9.4].
Слабым местом керамических материалов является их низкая трещиностойкость и отсутствие пластичности. Для нанокерамик обнаружена низкотемпературная пластичность [9.5], что позволяет надеяться на повышение их живучести в составе комбинированных защитных структур.
Броня из наноматериалов - возможности и перспективы
Неожиданное применение наноматериалы могут найти в увеличении защищающей способности текстильной брони путем ее пропитывания высококонцентрированной суспензией (коллоидной системой, состоящей из жидкости и мелкодисперсной твердой фазы), в которой в качестве дисперсной твердой фазы выступают наночастицы [9.6, 9.7]. При увеличении скорости сдвига вязкость таких суспензий сначала убывает, а затем быстро возрастает. При деформировании с малыми скоростями сдвига жидкая фаза выступает в роли смазки и не препятствует деформациям формоизменения суспензии. При высокой скорости сдвиговых деформаций гидродинамические силы, возникающие в суспензии, приводят к образованию взаимодействующих кластеров из дисперсных частиц, препятствующих развитию сдвига в суспензии - она как бы твердеет. Таким образом, высококонцентрированные суспензии из наночастиц при низких скоростях деформации проявляют себя как вязкие жидкости, а при высоких - как твердые тела. Поскольку при баллистическом ударе реализуются высокие скорости деформации, жидкая в обычных условиях преграда из суспензии на основе наночастиц при простреле пулей ведет себя как твердая, поэтому в литературе ее часто называют «жидкой броней». При пропитывании текстильной брони такой суспензией можно ожидать увеличения ее защищающей способности.

В работе [9.6] сообщается об исследовании защищающей способности текстильного бронепакета из кевлара, пропитанного поли- этиленгликолевой суспензией кремниевых наночастиц размером 450 нм с объемным содержанием 52%. Пропитанный текстильный бро- непакет имеет примерно такую же стойкость, как и не пропитанный равной массы, но вследствие меньшей толщины обладает большей гибкостью. Кроме этого, пропитанный текстильный бронепакет становится устойчивым к «прокалывающему» действию тонких заостренных тел. Увеличение баллистической эффективности пропитанного суспензией пакета авторы [9.6] связывают с увеличением силы сопротивления вытягиванию нитей из ткани при торможении пули и их раздвиганию при «прокалывающем» воздействии. При этом нужно иметь в виду, что при пропитывании из-за увеличения линейной плотности нитей снижается скорость распространения в них продольных и поперечных волн, что может отрицательно сказаться на стойкости бронепакета, поскольку ограничивает основной механизм поглощения кинетической энергии ударника путем ее преобразования в упругую энергию растяжения нитей.

Совершенно другой путь конструирования брони из наноматериалов состоит в использовании так называемых нанотрубок, однослойных и многослойных. Наиболее исследованы углеродные нанотрубки. Углеродную нанотрубку можно представить себе как лист графита из одного или нескольких атомных слоев, свернутый в цилиндр. Однослойная углеродная нанотрубка может иметь диаметр 2 нм и длину 100 мкм, что делает ее квазиодномерной структурой. Углеродные нанотрубки характеризуются высоким модулем упругости около 1,0 ТПа (у стали 0,21 ТПа) и пределом прочности до 45 ГПа [9.8]. Понятно, что использование таких материалов для изготовления или хотя бы упрочнения текстильной или композитной брони способно совершить революцию в разработке защитных структур СИБ.

В [9.9] сообщается о разработке прозрачной пленки толщиной 50 нм, состоящей из множества многослойных нанотрубок длиной 245 мкм и диаметром 10 нм и имеющей плотность 0,5 г/см3. Пленка обладает высокой прочностью и может быть использована для производства прозрачной брони.

Многие ведущие научно-исследовательские лаборатории мира имеют весьма обширные планы и хорошо финансируемые программы разработки новых бронематериалов на основе использования достижений нанотехнологий [9.9]. Но сегодня наноматериалы весьма дороги, хотя интенсивные поиски новых материалов и технологий производства быстро ведут к их удешевлению [9.2, 9.9, 9.10].