КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПУЛЕЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1997 года по МПК F41H1/02 B32B27/04 

Изобретение относится к слоистым пуленепробиваемым материалам, защищающим тело человека от ударов пуль легкого стрелкового оружия.

Известен композиционный пулезащитный материал, состоящий из слоев ткани на основе нитей из арамидных волокон, скрепленных между собой прошивными нитями из гибкоцепного полиамида [1] Тканые слои материала выполнены с полотняным переплетением нитей из свитых между собой волокон на основе жесткоцепного поли-парабензимидазолтерефталамидного полимера при суммарной поверхностной плотности слоев 3200 3800 г/м².

Недостатком данного пулезащитного материала является использование ткани с полотняным переплетением нитей во всех слоях материала. Большая изогнутость нитей при полотняном переплетении замедляет распространение в тканых слоях фронта деформаций, возникающего при ударе пулей, а также приводит к резкому снижению интенсивности деформаций по мере удаления от точки удара. Кроме того, при использовании ткани полотняного переплетения затруднено вытягивание отдельных нитей из каждого слоя вследствие большого числа изгибов нитей вокруг нитей ортогонального направления и трения в узлах переплетения. Все это приводит к уменьшению объема ткани, нагруженной в результате удара пули по наружным слоям, к перегрузке нитей и их разрыву. Эффективность работы пулезащитного материала при этом существенно снижается.

Известен композиционный пулезащитный материал, состоящий из слоев ткани на основе нитей из арамидных волокон с легковесными слоями между ними, скрепленных между собой прошивными нитями [2] Тканые слои выполнены из свитых между собой волокон на основе жесткоцепного полимера, а легковесные слои из эластичной ткани на основе вискеризованных нитей с удлинением 60 100% Тканые слои развернуты один относительно другого на угол 45^o.

Данный композиционный пулезащитный материал сложен в изготовлении, что связано с использованием специального материала из эластичной ткани на основе вискеризованных волокон с удлинением 60 100% Выполнение тканых слоев развернутыми один относительно другого на угол 45^o также усложняет технологию изготовления и, кроме того, приводит к увеличению расхода ткани при раскрое, что повышает стоимость пулезащитного материала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является композиционный пулезащитный материал, состоящий из чередующихся слоев ткани из поли-(n)-фенилентерефталамида и 6,6 найлоновой пленки, спрессованных в жесткий композит при условии минимального пропитывания пленкой полимера нитей в тканых слоях [3]
Недостатком этого композиционного пулезащитного материала является высокая сложность технологии его изготовления а именно прессования при определенных давлении и температуре в течение определенного времени до плавления найлоновой пленки и связывания тканых слоев в жесткий композит. В этом композите высокомодульные волокна оказываются связанными за счет найлона и хуже воспринимают ударную нагрузку, что в итоге приводит к снижению защитных свойств пулезащитного материала.

Цель повышение эффективности защиты от пуль легкого стрелкового оружия при упрощении технологии изготовления.

Поставленная цель достигается тем, что в композиционном пулезащитном материале, состоящем из слоев ткани на основе нитей из арамидных волокон с легковесными слоями из легкоплавкого низкомодульного материала между ними, согласно изобретению, легковесные слои расположены в верхних слоях наружной части пулезащитного материала, а жесткость ткани в направлении основы и утка слоев наружной части больше соответствующей жесткости ткани слоев внутренней части.

При этом коэффициент трения между нитями в слоях наружной части меньше, чем в слоях внутренней части.

Расположение легковесных (с удельным весом, на единицу площади меньшим, чем у тканых слоев на основе нитей из арамидных волокон) слоев из легкоплавкого низкомодульного материала вышеуказанным образом позволяет снизить напряжения в верхних, наиболее нагруженных слоях ткани на основе нитей из арамидных волокон, возникающие при изгибе пулезащитного материала вокруг пули, и обеспечить более равномерную нагруженность нитей по различным направлениям при ударе пули под острым углом к плоскости пулезащитного материала за счет уменьшения связанности высокопрочных слоев между собой и с поверхностью пули в результате проскальзывания. Низкий модуль упругости (менее 800 мН/текс материалы с модулем упругости более 800 мН/текс относят к высокомодульным: см. Химический энциклопедический словарь, М. Советская энциклопедия, 1983. с. 111) легковесных слоев позволяет высокопрочным слоям работать независимо друг от друга при изгибе вокруг пули (нарушается применимость гипотезы прямой нормали Кирхгофа; см. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов, М. Наука, 1970. с. 302), вследствие чего высокомодульные нити не испытывают дополнительного растяжения от изгиба, которое могло быть тем больше, чем дальше находится слой от поверхности пули. Кроме того, из-за интенсивного выделения тепла в месте попадания пули происходит расплавление легкоплавкого слоя (t_пл меньше 300^oC) (материалы с t_пл более 300^oC относятся к категории термостойких: см. Химический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия. 1983. с. 569), что в еще большей степени уменьшает связанность высокопрочных слоев между собой за счет смены сухого трения жидкостным. Все это способствует равномерному нагружению высокомодульных нитей и повышает эффективность работы композиционного пулезащитного материала. При этом технология его изготовления является существенно более простой в сравнении с прототипом, т.к. не содержит операции прессования.

Выполнение тканых слоев наружной, наиболее удаленной от тела части композиционного пулезащитного материала из ткани с большей жесткостью в направлении основы и утка (ткань с более прямыми нитями), чем соответствующая жесткость ткани слоев прилегающей к телу внутренней части, обеспечивает эффективный отвод энергии пули от места удара (см. Рахматулин Р.М. Демьянов Ю. Д. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках, М. ГИФМЛ, 1961, 399 с.) за счет более высокой скорости движения ударного фронта деформации в нитях и вовлечения в работу большего объема ткани и большей эффективности передачи энергии вдоль нити, так как в прямой нити, имеющей минимально возможное число изгибов, меньшая часть энергии продольной волны деформации теряется на образование вторичных поперечных волн в местах изгибов. Все это приводит к снижению деформаций в высокомодульных нитях в момент удара пули и повышает эффективность их работы. После достижения ударным фронтом краев наружной части происходит разгрузка нитей и эффективность торможения пули снижается. При этом тканые слои внутренней части материала с меньшей жесткостью ткани (ткань с более изогнутыми нитями) обеспечивают эффективное поглощение энергии пули за счет того, что в этих слоях ударный фронт деформаций движется медленнее, чем в наружных слоях, и разгрузка нитей происходит позднее.

Низкий коэффициент трения между нитями в слоях наружной части способствует более равномерному распределению нагрузки по длине высокомодульных нитей и обеспечивает эффективный отвод энергии пули, движущейся с высокой скоростью в начальный период взаимодействия с пулезащитным материалом.

Высокий коэффициент трения между слоями внутренней части обусловливает более высокое сопротивление вытягиванию нитей из слоев ткани, когда арамидные нити динамически разгружены (ударные фронты деформаций отразились от краев ткани и вернулись в точку попадания пули). Это способствует эффективному торможению пули, движущейся с небольшой скоростью на заключительном участке пути, после торможения слоями наружной части.

Заявляемый композиционный пулезащитный материал обладает новизной по сравнению с прототипом, отличаясь от него тем, что легковесные слои из легкоплавкого низкомодульного материала расположены в верхних слоях наружной части пулезащитного материала и не связывают их в жесткий композит, а также тем, что жесткость ткани в направлении основы и утка в слоях наружной части больше, а коэффициент трения между нитями меньше, чем в слоях внутренней части.

Заявителю не известны композиционные пулезащитные материалы, обладающие вышеуказанными общими и частными отличительными существенными признаками, позволяющими явным образом достичь такого же результата, поэтому заявитель считает, что заявляемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано для защиты тела человека от ударов пуль легкого стрелкового оружия, обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата и осуществляется с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета технических средств.

На фиг. 1 представлено расположение слоев композиционного пулезащитного материала; на фиг. 2 взаимодействие пули с пулезащитным материалом в момент удара.

Композиционный пулезащитный материал состоит из набора трех легковесных слоев 1 3 из легкоплавкого низкомодульного материала типа капрон и десяти слоев 4 13 ткани на основе нитей из арамидных волокон, образующих наружную часть, а также двенадцати слоев 14 25 ткани на основе нитей из арамидных волокон, образующих внутреннюю часть пулезащитного материала (см. фиг. 1). Слои 1 3 из капрона расположены в верхних слоях наружной части материала с послойным чередованием с ткаными слоями 4 6 из арамидных волокон: слой 1 капрона, слой 4 ткани из арамидных волокон и т. д. При этом слои 4 13 наружной части материала выполнены из ткани сатинового переплетения, а слои 14 25 внутренней части выполнены из ткани саржевого переплетения. Это обеспечивает большую жесткость ткани в направлении основы и утка слоев 4 13 наружной части, чем жесткость ткани слоев 14 25 внутренней части материала. Причем слои 14 25 внутренней части материала пропитаны слабым раствором смолы для увеличения коэффициента трения между нитями.

Слои 1 3 из капрона предназначены для снижения связанности высокопрочных слоев 4 6 при ударе пули по композиционному пулезащитному материалу.

Слои 4 13 из ткани сатинового переплетения с большей жесткостью в направлении основы и утка и меньшим коэффициентом трения между нитями, чем в слоях 14 25 внутренней части материала, обеспечивают эффективный отвод энергии пули от места удара за счет вовлечения в работу большего объема материала.

Слои 14 25 из ткани саржевого переплетения с меньшей жесткостью в направлении основы и утка и большим коэффициентом трения, чем в слоях 4 13, обеспечивают поглощение энергии пули, частично заторможенной слоями 4 13, и ее эффективное торможение на заключительном участке пути.

Рассмотрим, как ведет себя композиционный пулезащитный материал в критическом случае: при выстреле из легкого стрелкового оружия с минимального расстояния (вплоть до упора), когда пуля со скоростью V ударяет под острым углом к поверхности пулезащитного материала (см. фиг. 2). При касании пулей наружного капронового слоя 1 происходит его деформирование (прогиб) и расплавление вследствие интенсивного выделения тепла в месте попадания пули. Пленка расплава обеспечивает снижение трения между поверхностью пули и нижележащим слоем 4 ткани на основе нитей из арамидных волокон. В этом случае составляющая скорости пули V_t, направленная по касательной к поверхности пулезащитного материала, не будет восприниматься (происходит проскальзывание). Нормальная составляющая скорости пули V_n нагружает нижележащие слои 2 25 через пленку расплава поверхностного слоя 1. Пулезащитный материал начинает изгибаться вокруг головной части пули. Слои 4 - 6 имеют возможность сдвигаться относительно друг друга за счет наличия низкомодульных легкоплавких прокладок между ними, что снижает возникающие в них напряжения изгиба. Ниже расположенные слои 6 13 с сатиновым переплетением нагружены в меньшей степени, так как изгибаются по большему радиусу (радиус головной части пули плюс суммарная толщина слоев 1 5). Слои 14 25 нагружены слабо в силу их меньшей жесткости.

По мере продвижения пули слой расплава выдавливается и происходит контакт поверхности пули и слоя 4 ткани. Скорость пули к этому моменту времени уже меньше начальной, однако она еще достаточно высока. Это приводит к перегрузке высокопрочных нитей слоя 4 в одном из направлений и их разрыву. Далее начинает играть роль смазки слой расплава между ткаными слоями 4 и 5 и процесс повторяется.

Слои 4 13 на основе нитей из арамидных волокон эффективно препятствуют продвижению пули лишь до момента, когда ударный фронт деформаций растяжения дойдет до боковых краев пулезащитного материала и вернется к точке удара в виде волны разгрузки. После этого происходит вытягивание высокопрочных нитей, попавших в зону удара пули, препятствует которому лишь сопротивление со стороны сил трения в узлах переплетения нитей. Влияние слоев наружной части пулезащитного материала на торможение пули при этом существенно снижается, но возрастает роль слоев внутренней части, в которых ниже скорость распространения ударной волны деформации, а следовательно, разгрузка нитей происходит позднее. Кроме того, в слоях внутренней части больше коэффициент трения между нитями, то есть выше сопротивление вытягиванию нитей из слоев ткани. Это позволяет эффективно тормозить пулю на заключительном участке пути.

Рассмотренный случай воздействия на пулезащитный материал является наиболее опасным, так как, во-первых, при возрастании дистанции стрельбы скорость пули падает за счет сопротивления воздуха, и, во-вторых, при выстреле по нормали к поверхности пулезащитного материала нити из арамидных волокон в тканых слоях нагружены равномерно во всех направлениях и работают в более "мягких" условиях. В силу этого другие случаи воздействия на пулезащитный материал не рассматриваются.

Заявляемый композиционный пулезащитный материал по сравнению с прототипом является более эффективным для защиты от ударов пуль легкого стрелкового оружия и не требует использования специальной технологии прессования, т.е. менее сложен в изготовлении.

Использование: для защиты тела человека от ударов пуль легкого стрелкового оружия. Сущность изобретения: материал состоит из слоев ткани на основе нитей из арамидных волокон с легковесными слоями из легкоплавкого низкомодульного материала между ними, расположенными в верхних слоях наружной части пулезащитного материала, причем жесткость ткани в направлении основы и утка слоев наружной части больше соответствующей жесткости ткани слоев внутренней части, а коэффициент трения между нитями в слоях наружной части меньше, чем в слоях внутренней части. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Композиционный пулезащитный материал, состоящий из слоев ткани на основе нитей из арамидных волокон с легковесными слоями из легкоплавкого низкомодульного материала между ними, отличающийся тем, что легковесные слои расположены в верхних слоях наружной части пулезащитного материала, а жесткость ткани в направлении основы и утка слоев наружной части больше соответствующей жесткости ткани слоев внутренней части. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что коэффициент трения между нитями в слоях наружной части меньше, чем в слоях внутренней части.