Баллистическая стойкость органопластиков, используемых в СИБ
Из опыта известно, что баллистическая стойкость органопластиковой брони существенно ниже баллистической стойкости ее текстильной основы. На рис. 4.1 показана зависимость 50%-ной скорости пробития v50 и сдвиговой прочности органопластиковой брони в зависимости от содержания эпоксидного связующего [4.5]. При содержании связующего большем 40% v50 уменьшается более чем в два раза, в то время как сдвиговая прочность достигает максимума. Наличие связующего ослабляет защитные свойства текстильной брони, во-первых, вследствие уменьшения подвижности нитей, как в поперечном, так и продольном направлениях и, во- вторых, вследствие уменьшения скорости распространения в них продольных волн.
Отсутствие подвижности нитей приводит к тому, что меняется механизм взаимодействия пули с броней - сила торможения пули образуется не вследствие сложения сил натяжения нитей, проходящих через область воздействия, а вследствие инерционного и прочностного сопротивлений прониканию пули в органопластиковую преграду или срезу преграды по периферии области воздействия, как это происходит при воздействии пуль на металлические преграды. При таком механизме взаимодействия баллистическая стойкость определяется, в основном, твердостью и сдвиговой прочностью материала преграды и в меньшей степени прочностью армирующих нитей на растяжение. Невысокая скорость звука в КМ препятствует рассредоточению энергии удара на больший объем материала преграды, что дополнительно уменьшает ее баллистическую стойкость. Тем не менее, баллистическая стойкость органопластиков к ударно-проникающему воздействию имитатора осколков (стального шарика массой 1,1 г) остается достаточно высокой, что и определяет ее использование в защитных структурах СИБ.
Оценим теоретически уменьшение предельной скорости пробития органопластиковой преграды в зависимости от содержания связующего материала. Будем считать, что при относительно небольшом содержании связки баллистическая стойкость органопластиковой преграды определяется способностью ее текстильной основы преобразовывать кинетическую энергию ударника в упругую энергию растяжения нитей без их разрушения. Максимальная упругая энергия Wy, которая может быть запасена текстильной основой, равна упругой энергии деформированного объема Vд при достижении нитями деформации разрушения Wy = Eε2p/2∙Vд, где Е - упругий модуль растяжения нитей. В соответствии с энергетической концепцией влияние связующего на баллистическую стойкость органопластиковых преград проявляется через уменьшение деформированного объема Vд вследствие уменьшения скорости распространения упругих продольных и поперечных волн в нитях, окруженных связующим материалом.
В главе 3 с использованием представлений о волновом характере деформирования нитей в продольных и поперечных волнах получена формула для предельной скорости пробития текстильного бронепакета
Для того чтобы применить эту формулу для вычисления предельной скорости пробития органопластиковых преград, необходимо знать зависимость скорости звука в нитях си от содержания связующего материала.Как известно, скорость распространения упругих волн в нитях сн определяется отношением модуля упругости нити к ее плотности сн = √E/Рн. В связи с тем, что модуль упругости СВМ нитей многократно превосходит модуль упругости связующего материала, можно считать, что модуль упругости нитей в составе органопластиковой преграды практически не зависит от содержания связки. В то же время связующий материал, прочно скрепленный с нитями, увеличивает линейную плотность нитей, что приводит к уменьшению скорости распространения волн в нитях вследствие увеличения их инерции.
Эта зависимость остается справедливой при относительно небольшом содержания в КМ связующего материала ξ < 0,2. При большем содержании связки ее влияние на скорость распространения упругих волн, по-видимому, уже не будет сказываться столь сильно. Поэтому в зависимость для определения скорости продольных волн в нитях в составе органопластиковых преград следует подставлять некоторое эффективное значение ξэф = кξ, где коэффициент к < 1 учитывает уменьшение влияния содержания связки при значениях ξ, больших 0,2.
С учетом вышесказанного теоретическая зависимость для вычисления предельной скорости пробития органопластиковой преграды Vоппсп будет иметь вид
Полученная оценочная формула качественно соответствует хорошо известному опытному факту - баллистическая стойкость органопластиковой брони ниже стойкости ее текстильной основы. Однако это справедливо лишь при относительно малой поверхностной плотности органопластиковой преграды. В работе [4.6] при-
водятся данные, свидетельствующие о том, что уже при отношении массы преграды под ударником к массе ударника
баллистическая стойкость органопластиковых преград начинает превосходить стойкость их текстильной основы. Потеря нитями подвижности и уменьшение скорости распространения продольных волн компенсируется увеличивающей изгибной жесткостью и сдвиговой прочностью органопластиковых преград. Соответствующая зависимость для вычисления предельной скорости пробития имеет вид
Для преград из некоторых КМ эмпирические зависимости для определения предельной скорости пробития приведены в подразделе 3.8.
Применяемая в СИБ органопластиковая броня по необходимости должна обладать минимальной поверхностной плотностью, а ее структура для сохранения приемлемой баллистической стойкости должна обеспечивать определенную подвижность нитей. Наиболее просто этого можно добиться путем уменьшения содержания связующего в КМ, не допуская пропитывания нитей. Но одновременно с этим уменьшаются изгибная жесткость и сдвиговая прочность органопластика, которые необходимы для обеспечения конструкционной прочности силовой оболочки бронешлема или подложки для керамики. Удовлетворительный компромисс достигается различными технологическими приемами изготовления органопластиковых бронепанелей и шлемов.
В [4.5] предлагается формовать силовые оболочки бронешлемов с дифференцированным распределением связующего компонента по толщине текстильного бронепакета (рис. 4.3). В [4.3] описаны результаты экспериментальных исследований, проведенных фирмой «AKZO Nobel», по поиску оптимальных связующих для изготовления шлемов. В этих исследованиях в качестве армирующего компонента использовалась полотняная ткань (670/670 нитей/дм) из ара- мидных нитей «Тварон 750» с линейной плотностью ЗЗб текс. Бро- непакет из 15 слоев ткани пропитывался различными связующими, отличающимися вязкостью и прочностью адгезионного сцепления слоев ткани. На рис. 4.4 а, б приведены зависимости количества слоев ткани, останавливающих свинцовую пулю, от прочности сцепления слоев (а) и вязкости связующего (б). Оптимальная прочность сцепления составляет 40...60 Н/см.
Баллистическая стойкость органопластика возрастает с увеличением вязкости связующего и достигает максимального стационарного значения при вязкости большей 8000 Н/см (рис. 4.4 б). Маловязкое связующее легко пропитывает ткань, заполняет межволоконные капилляры и при затвердевании практически полностью исключает подвижность волокон и нитей. Наоборот, вязкое связующее, оставаясь на поверхности ткани, оставляет внутренние волокна нитей не связанными, что в определенной степени позволяет включить в силу торможения пули натяжение нитей, обладающих некоторой подвижностью. Данное обстоятельство способствует увеличению баллистической стойкости органопластика.
Недостатком рассмотренных технологий изготовления органопластиковых бронепанелей или бронешлемов является трудность контроля степени пропитки слоев ткани, что может приводить к неприемлемому разбросу баллистических свойств изделий.
Наилучшей прессовой технологией, позволяющей управлять количеством термопластичного связующего в различных слоях органопластика, является пленочная или волоконная технологии. Эти технологии реализованы в НИИ стали при изготовлении полимерных бронешлемов (рис. 4.5) [4.4,].
Особое место среди баллистических органопластиков занимают бронепанели и бронешлемы, изготовленные на основе высокопрочных высокомодульных волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Эти волокна в отличие от арамидных не перерабатываются в ткани методом текстильных операций, а формуются в виде специальных листов, представляющих собой структуру из двух однонаправленных слоев некрученой нити, развернутых друг относительно друга под прямым углом и фиксируемых с помощью связующего. В качестве связующего при формовании полиэтиленовых защитных бронеэлементов используют полимеры, обладающие адгезией к полиэтилену - полиизобутилен, бутилкаучуки и др. Такая технология, разработанная голландской фирмой DSM, получила название «Шилд», а полиэтиленовые материалы, производимые по такой технологии, известны под торговым названием «Спектра Шилд». Эластичность используемых связующих обеспечивает некоторую подвижность нитей - позволяет нитям вытягиваться из бронепанели и изгибаться вдоль направления воздействия, т.е. включать энергоемкий механизм торможения пуль натяжением нитей. Отсутствие операции ткачества позволяет исключить повреждение волокон в процессе ударного уплотнения ткани. Необходимо отметить, что по технологии «Шилд» можно перерабатывать и другие высокопрочные волокна.
Другой тип связующего, который используют при производстве структурно одномерных композитов «Дайнема UD», это обычная полиэтиленовая пленка. Методом прессования полотен «Дайнема UD» с содержанием 25% полиэтиленового связующего изготавливают бронеэлементы второго класса защиты с поверхностной плотностью 6,9 кг/м2. Поверхностная плотность полиэтиленовых пластин, останавливающих пулю из автомата АК-74, - 16 кг/м2; пулю из винтовки СВД- 17 кг/м2 [4.3].
В работе [4.7] приведены результаты исследования баллистической стойкости мягких и жестких бронепанелей из сверхвысокопрочного сверхвысокомолекулярного полиэтилена Dyneema. В качестве поражающих элементов использовались имитаторы осколков (FSP) по стандарту NATO STANAG 2920 массой т = 0,237 г; 0,486 г; 1,1 г; 2,79 г; 5,3 г и 13,4 г. Поверхностная плотность бронепанелей тп изменялась в пределах 2,5...5 кг/м2. Соответствующие экспериментальные данные приведены на рис. 4.6. Их обработка показала, что на пределе пробития удельная кинетическая энергия поражающих элементов примерно линейно зависит от поверхностной плотности бронепанели т„
Для мягкой панели С = 227, для жесткой С = 207. При одинаковой поверхностной плотности баллистический предел мягких панелей оказался примерно на 10% больше, чем баллистический предел пробития жестких панелей. Однако если сравнивать баллистические пределы при одинаковом содержании материала Dyneema, то различие будет незначительным. Тем не менее, мягкие панели оказываются более эффективными при воздействии больших и массивных поражающих элементов, потому что они легче вовлекаются в движение по сравнению с жесткими панелями.
Смотрите также
