Материалы текстильной брони

Основой текстильной брони являются высокопрочные высокомодульные синтетические волокна. Полимеры, из которых получают такие волокна, делятся на жестко- и гибкоцепные. Примеры первых - ароматические полиамиды: полипарафенилентереф- таламид (Кевлар, Терлон, Тварон), полиамидобензимидазол на основе гетероциклического парадиамина и терефталоилхлорида (СВМ) и др. К жесткоцепным полимерам относятся также пара- арамидные волокна с торговым названием Руcap и Армос. Эти волокна имеют самые высокие механические свойства среди всего семейства параарамидных волокон. Прочная водородная связь Н-О, связывающая с помощью амидных групп ароматические кольца, придает длинномерным макромолекулам жесткость, в результате чего в волокнах возникают структуры, напоминающие системы связанных длинных прутьев. Средние физикомеханические характеристики параарамидных волокон составляют [2.1]: плотность рм = 1,45... 1,47 г/см3, модуль упругости (динамический) E = 100... 150 ГПа, прочность на растяжение δр ≈ 3,5 ГПа, удлинение при разрыве eр ≈ 3 %. Точные значения соответствующих характеристик для различных параарамидных волокон приведены в табл. 2.1.

Сочетание высокого модуля упругости и относительно низкой плотности полимера приводит к очень высоким значениям продольной скорости звука в волокнах с = √Е/рм =9... 10км/с, обеспечивающей быстрое превращение кинетической энергии пули в работу деформирования достаточно большого объема защитного материала, что наряду с исключительно высокой прочностью волокон на растяжение определяет эффективность текстильной брони.

Гибкоцепные полимеры, из которых получают весьма перспективные высокопрочные высокомодульные синтетические волокна, состоят из гибких алифатических звеньев. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, поливиниловый спирт и др. Торговые названия и физико-механические свойства волокон из сверхвысокомолекулярного сверхвысокоориентированного полиэтилена, выпускаемых и используемых в СИБ в настоящее время, приведены в табл. 2.1. Прочностные характеристики полиэтиленовых волокон весьма высоки и при низкой их плотности (0,94...0,97 г/см3) по удельным значениям (на единицу массы) они заметно превосходят параарамидные волокна. Именно эти качества делают полиэтиленовые волокна перспективным материалом для изготовления бро- неэлементов защитных структур. К недостаткам полиэтиленовых волокон по сравнению с параарамидными волокнами следует отнести ограниченную температуру эксплуатации (до 90... 110 °С) и достаточно высокую горючесть.
 
 

Материалы текстильной брони

 

 

В настоящее время в наибольшей степени распространены две технологии получения полимерных высокопрочных высокомодульных волокон: формование из жидкокристаллического состояния и метод гель-формования. Жидкокристаллический полимер имеет структуру промежуточную между кристаллической и аморфной, когда макромолекулы уложены в строго ориентированном порядке в пределах небольших областей - доменов, которые под действием поля напряжения ориентируются вдоль направления вытяжки. Волокнообразующий полимер в растворенном состоянии при определенной концентрации и температуре переходит в жидкокристаллическое состояние. Из полимера в таком состоянии формуют волокна путем их вытяжки через фильеру и последующей протяжки через ванну с холодной водой (~ 0 °С). Перед прядением волокон в нити их дополнительно нагревают и вытягивают. При нагревании жесткие цепи макромолекул приобретают подвижность, а действие растягивающих напряжений их дополнительно упорядочивает, что ведет к упрочнению волокон и увеличению модуля упругости. Технологию получения волокон из полимера, находящегося в жидкокристаллическом состоянии, разработали в начале 1970-х годов специалисты американской фирмы «Du Pont».

Макромолекулы в СВМ волокнах в основном ориентированы в направлении оси волокна, поэтому свойства волокон (прочность, модуль упругости и др.) различны вдоль и поперек него. Чем выше степень ориентации макромолекул и чем они длиннее, тем выше прочность вдоль волокна. Основная проблема достижения высоких характеристик состоит в том, чтобы добиться высокой степени ориентации в процессе вытяжки волокон и избежать разрыва макромолекул.

Некоторые полиарилатные (ароматические полиэфирные) полимеры переходят в жидкокристаллическое состояние при их нагревании. В отличие от арамидов их довольно легко перерабатывать, получая волокна из расплава. В США и Японии выпускают несколько подобных полимерных волокон, и некоторые из них (Ekonol, Vectran) по своим механическим характеристикам мало уступают арамидным волокнам.

В 1970-е годы голландской фирмой «DSM» была разработана технология получения волокон из раствора сверхвысокомолекулярного полиэтилена путем их сверхвысокой вытяжки. Раствор полимера охлаждают, он переходит в состояние геля (отсюда название технологии - гель-формование), и тогда из него с высокой кратностью вытягивают гель-волокна. Метод довольно простой и технологичный - скорость приема волокна на бобину может достигать 50 м/с и выше. Единственное условие - полимер должен состоять из макромолекул с очень большой молекулярной массой (0,5... 1,0)∙106, так как только в этом случае гель-раствор имеет необходимую сетчатую структуру, образованную молекулярными цепями, связанными микрокристаллическими узлами. При вытяжке волокон молекулярные цепи распрямляются и вытягиваются вдоль волокон. При этом часть молекулярных цепей разрывается, из-за чего система может вытягиваться довольно сильно, образуя волокна с высокими прочностными характеристиками.

Специалисты считают, что волокна, полученные гель- формованием, - это материал нового поколения, обладающий уникальным сочетанием свойств: высокими прочностью, жесткостью и, что важно для защитных структур СИБ, низкой плотностью. Полиэтиленовые волокна Спектра, Дайнема, Текмилон при средней плотности 0,97 г/см3 имеют модуль упругости 60... 160 ГПа, предел прочности 1,5...4,0 ГПа, удлинение при разрыве 3...6 %.

Рекордно высокие механические свойства имеют волокна и нити на основе полулестничных полимеров поли-парафен ил енбензо-бис-оксазола - РВО (торговое название Zylon или Зилон) и поли-пара-фениленбензо-бис-тиазола - РВТ. При плотности этих материалов 1,56... 1,58 г/см3 модуль упругости достигает значения 300 ГПа, предел прочности 5,5...6,0 ГПа, удлинение при разрыве составляет 2...2,5 % [2.1]. Их широкое применение в качестве текстильной брони сдерживается высокой стоимостью.

В настоящее время ведется поиск новых технологий и материалов для получения сверхпрочных волокон. В научной литературе обсуждаются методы получения молекулярных композитов (или нанокомпозитов), когда смешивание различных полимеров (например, жесткоцепных и гибкоцепных) происходит на молекулярном уровне или наноуровне.

Смотрите также