Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования

Прозрачные бронематериалы

Прозрачная противопульная и противоосколочная броня используются для изготовления пулезащитных окон автомобилей, самолетов и вертолетов, банков и офисов. В СИБ прозрачная броня используется для изготовления забрал для шлемов и смотровых окон для бронещитов.

Кроме противопульной стойкости, прозрачная броня должна обладать необходимым уровнем прозрачности.

В качестве материалов для изготовления прозрачной брони наиболее широко используются неорганические стекла (в дальнейшем - просто стекла) и прозрачные полимеры, которые называют органическими стеклами. Более высокими защитными свойствами обладают высокотвердые прозрачные керамические материалы: сапфир - монокристальный оксид алюминия А1₂Оз, поли- кристаллический оксидонитрид алюминия AI₂₃O₂₇N₅, магнийалю- миниевый шпинель MgAl₂0₄ [8.1]. Широкому использованию этих материалов в СИБ препятствует их высокая стоимость.

Стекло - макроскопическое однородное аморфное вещество, полученное при затвердевании сплава стеклообразующих оксидов: Si0₂, А1₂О_з, В₂О_з, Р₂0₅ и др. Для понижения температуры плавления к стеклообразующим оксидам добавляют оксиды щелочных металлов вида Ме₂0 и МеО (например: Na₂0, К₂0, СаО и др.). В зависимости от состава стекла подразделяют на силикатные, алюмосиликатные, боросиликатные, алюмоборосиликатные и т.д. Плотность обычных стекол изменяется в диапазоне 2,2..3,0 г/см³. Кварцевое стекло имеет плотность 2,2 г/см³; щелочные силикатные стекла (оконные) - 2,5 г/см³; боросиликатное стекло - 2,2 г/см³ (более легкое и более прочное).

Силикатные стекла имеют очень сложную полимерно-кристаллитную структуру (рис. 8.1 [8.2]): основу образует пространственная сетка из однородных звеньев - полиэдров, а кристаллиты SiC>2 являются частью этой сетки. В такой структуре нельзя выделить направления скольжения, поэтому стекла являются очень хрупким, твердым и жестким материалом. При деформации вплоть до момента разрушения стекло можно считать упругим материалом, подчиняющимся закону Гука. Прозрачные бронематериалы

Теоретическая прочность стекла достигает 10 ГПа, но фактическая прочность на разрыв в 100... 1000 раз ниже. Согласно теории Гриффитса, столь значительное различие между теоретической и фактической прочностью стекла обусловливается наличием микротрещин, образующихся как внутри, так и на поверхности образца. При растяжении образца стекла на краях микротрещин возникают большие перенапряжения (эффект концентрации напряжений), которые и обусловливают распространение трещин. Для стекла, как и для керамики, характерны малые значения коэффициента трещино- стойкости К₁_c.

Установлено, что количество микротрещин, образующихся при охлаждении, обработке и эксплуатации стекла может изменяться от нескольких единиц до нескольких тысяч на 1 см² поверхности. В соответствии с этим прочность силикатного стекла на разрыв изменяется примерно от 6 ГПа до 5 МПа (примерно в 1000 раз). Нижняя граница отвечает обычному оконному стеклу с дефектным поверхностным слоем, верхняя граница определена при испытаниях в вакууме стеклянных образцов, полученных из хорошо гомогенизированной стекломассы и обработанных плавиковой кислотой для удаления дефектного поверхностного слоя. Наибольшую прочность имеют малощелочные стекла и кварцевое стекло, наименьшую - щелочные стекла. Вода отрицательно сказывается на прочности стекла.

Прочность при сжатии у хрупких материалов существенно превосходит прочность на растяжение (примерно в 10 раз). Это обусловлено тем, что сжимающие усилия, в отличие от растягивающих, могут передаваться через существующие трещины, не приводя к концентрации напряжений. Модуль упругости для различных стекол изменяется в пределах 45...85 ГПа (для оконного стекла - 68 ГПа), микротвердость - 4...7 ГПа.

Для изготовления прозрачной брони как правило используют упрочненные стекла. Упрочнение стекла осуществляют сжатием поверхностных слоев стекла при химико-термической обработке и поверхностной закалке или растворением поверхностного дефектного слоя.

При химико-термической обработке натрий-силикатного стекла в ванне с расплавленной солью K₂S0₄ происходит реакция ионного обмена

в результате которой в поверхностном слое ион Na⁺ замещается ионом К⁺ Поскольку размер иона К⁺ на 30% превышает размер иона Na⁺, то образуется сжатый поверхностный слой. Хотя толщина этого слоя мала (доли миллиметра), он препятствует распространению трещин до тех пор, пока внешние растягивающие напряжения не превысят предварительно созданные напряжения сжатия. Прочность стекла при химико-термической обработке увеличивается в несколько раз.

При поверхностной закалке осуществляется нагревание стекла выше температуры стеклования с последующим быстрым охлаждением воздухом или маслом. При этом в поверхностном слое возникают сжимающие напряжения, а во внутренних слоях - растягивающие. Прочность стекла повышается в 2...4 раза. Закалка эффективна для стеклянных листов с толщиной большей 2,5 мм. При разрушении закаленного листа образуются осколки без острых кромок.

Удалить внешний дефектный слой стекла можно травлением в растворе плавиковой кислоты. Прочность стекла при этом возрастает примерно в 10 раз. Однако проблема состоит в том, что трудно сохранить стекло в бездефектном состоянии, поскольку легкое касание его поверхности (не говоря уже об ударе пули) снижает его прочность на 1-2 порядка. Для сохранения прочности стекла необходимы защитные слои из прозрачных полимерных пленок. О значительно более высокой баллистической стойкости силикатного стекла с удаленным внешним дефектным слоем сообщается в работе [8.3].

При ударе по пластине, закрепленной или опертой по контуру, возникают два типа напряжений: обычные изгибающие напряжения и локальные напряжения в области воздействия (при упругом ударе их называют напряжениями Герца). При отсутствии проникания ударника разрушение возникает на тыльной поверхности упруго-хрупкой пластины, которая вследствие прогиба растягивается. Рассмотренные способы упрочнения стекла наиболее эффективны для увеличения его прочности при динамическом изгибе в области упругих деформаций.

При высокоскоростном баллистическом ударе, сопровождающемся внедрением ударника в пластину, одним поверхностным упрочнением не обойтись. Поскольку стекло является высокотвердым упруго-хрупким материалом, то закономерности его пробития такие же, как у керамики. После начальной стадии взаимодействия ударника с преградой впереди проникающего тела образуется волна разрушения, представляющая собой сетку трещин [8.2, 8.4]. Чтобы остановить распространение фронта волны разрушения, следует использовать многослойные прозрачные преграды, которые содержат поверхности раздела, препятствующие распространению трещин. Впереди вершины трещины движется зона растяжения. При подходе к поверхности раздела с невысокой прочностью на растяжение трещина не может передаться в следующий слой преграды и будет остановлена.

Одна из наиболее известных многослойных прозрачных преград - триплекс. Триплекс представляет собой многослойную преграду, в которой стеклянные и полимерные слои склеены прозрачным полимерным клеем (рис. 8.2). В качестве клея используют по- ливинилбутираль, акрил, полиуретановый клей и др. Образующаяся после полимеризации клея пленка является барьером для распространяющихся трещин. Роль лицевого слоя стекла заключается, во-первых, в локализации высокого пика давления, формирующегося на начальной ударно-волновой стадии взаимодействия пули с преградой (смотри главу 6), во-вторых, в разрушении средства поражения, преобразовании сосредоточенного воздействия в распределенное на большую площадь и поглощении части кинетической энергии средства поражения. Поэтому лицевые слои целесообразно изготовлять из упрочненных стекол или даже прозрачных керамик. Для предотвращения проникновения вторичных (откольных) осколков в защищаемую зону тыльный слой многослойных бронестекол изготовляется из прозрачного пластичного полимера - поликарбоната или покрывается защитной прозрачной полимерной пленкой. Фотография трехслойной прозрачной преграды после воздействия пули пистолета ПМ приведена на рис. 8.3.

Прозрачные бронематериалы

Органические стекла представляют собой полимерные материалы с аморфной структурой, обеспечивающей высокую прозрачность. В многослойных защитных преградах используются чаще всего поликарбонат и полиметилметакрилат (ПММА).

Поликарбонат - термопластичный полимер на основе дифенил-пропана, более известный как дифлон или лексан. Он обладает следующими свойствами: плотность р =1,12 г/см³, прочность на растяжение σ_вр= 60..70 МПа, прочность на сжатие σ_вс= 80..90 МПа, относительное удлинение при разрыве δ = 50... 100 %. ПММА характеризуется высокой прозрачностью и имеет более высокую прочность. Его недостатком является низкая ударная вязкость. Если у поликарбоната ударная вязкость достигает 1000 кДж/м², то у ПММА она равна 17 кДж/м², а относительное удлинение при разрыве 5 = 2...3 %. Для сравнения некоторые свойства стекол и прозрачных полимеров приведены в табл. 8.1.

Прозрачные бронематериалы

Органические стекла имеют примерно в 2 раза меньшую плотность по сравнению с минеральными стеклами. Вследствие невысокой твердости и малой прочности преимуществ по пулестойко- сти по сравнению со стеклами практически не имеют, так как для обеспечения защиты с их помощью от типовых средств поражения необходимы большие толщины преград, что крайне неудобно. Поэтому их используют в многослойной прозрачной броне в качестве промежуточных (ПММА) или тыльных (поликарбонат) слоев. При правильно подобранной толщине лицевого стеклянного слоя тыльный поликарбонатный слой не пробивается, но образуется характерная тыльная выпучина (рис. 8.4). Таким образом, слой поликарбоната играет роль энергоемкой подложки, поглощающей при своем деформировании остаточную кинетическую энергию.

Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования

Прозрачные бронематериалы

Смотрите также