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

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].


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].
- Список основных сокращений
- Основные понятия и определения
- Текстильная броня
- Механизмы взаимодействия пули с текстильной броней
- Полимерная композитная броня
- Металлическая броня
- Керамическая броня
- Анализ противопульной стойкости многослойных преград с внешним керамическим слоем
- Прозрачная броня
- Броня из наноматериалов - возможности и перспективы
- Заброневое действие высокоскоростного удара пуль при непробитии бронезащиты
- Баллистические испытания средств индивидуальной бронезащиты
- Общие принципы конструирования бронежилетов
- Приложение 1
- Приложение 2
- Приложение 3
- Приложение 4