МНОГОСЛОЙНАЯ БРОНЕПРЕГРАДА Российский патент 2010 года по МПК F41H5/04 

Изобретение относится к броневым конструкциям, которые могут быть использованы в индивидуальных и транспортных средствах защиты от воздействия бронебойных пуль стрелкового оружия.

В настоящее время актуальной задачей является создание защитных устройств от пулевого воздействия с минимально возможными габаритно-массовыми характеристиками. Как правило, бронезащитные преграды представляют собой двух- или многослойную композиционную структуру. При этом основной, или фронтальный слой, принимающий на себя удар высокоскоростного поражающего элемента, формируется из металлических или керамических пластин, т.е. из материала, обладающего высокой твердостью и ударной вязкостью. Следующий наиболее значимый слой защитной преграды - это подложка. Она служит основанием для фронтального слоя. Главная функция подложки - это поглощение и частичное рассеивание энергии удара поражающего элемента, результатом которого является деформация твердого слоя. Обычно в качестве подложки используют металлы, стекло- или органопластики (т.е. ткани или композиционные материалы на основе стеклянных и синтетических волокон, пропитанных полимерными связующими). Например, известна многослойная бронепреграда для средств индивидуальной защиты (патент РФ 2296288 С2, F41H 1/02, F41H 5/04, 10.06.2005), которая содержит фронтальный керамический слой из оксида алюминия или карбида кремния или карбида бора, толщиной 1,5 мм, и подложку из высокопрочной конструкционной стали, снабженную тыльным слоем из тканевого бронепакета - ТСВМ. Изобретение направлено на создание многослойной бронепреграды, обеспечивающей защиту от пули Б3-43, по 5 классу защиты. Поэтому она не пригодна для защиты от бронебойных 7,62 мм пуль Б-32 летящих со скоростью до 840 м/с (6а класс защиты ГОСТ Р 50963-96).

Известен также бронезащитный элемент (патент РФ № 2072083 С1, F41H 1/02, F41H 5/04, 20.01.1997), содержащий керамический слой из оксида алюминия или карбида кремния или карбида бора, установленный на подложку, жесткость которой меняется от центра к краям: наименьшая в центре, наибольшая - в зоне шарниров, установленных по краям керамического слоя, и заключенных в вязкую на удар оболочку из композита или металла (сталь, алюминий) с образованием компактного блока, который может быть установлен на мягкую демпфирующую подкладку. Такой бронезащитный элемент не пробивается при поражении бронебойно-зажигательной пулей Б-32 калибра 7,62 мм со скоростью до 750 м/с (5а класс защиты ГОСТ Р 50963-96). Недостатком известного бронезащитного элемента является сложность его изготовления и ремонт, обусловленные в том числе наличием шарниров. Данный бронезащитный элемент не может быть применен по 6а классу защиты ГОСТ Р 50963-96 против бронебойных 7,62 мм пуль Б-32 с большей кинетической энергией, летящих со скоростью до 840 м/с.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является многослойная бронепреграда (патент РФ 2180426 С1, F41H 5/04, 10.03.2002), содержащая подложку из алюминиевого сплава АМГ6-М, слой керамических пластин из оксида алюминия, примыкающих одна к другой, и наружную облицовку. Керамические пластины скреплены с наружной облицовкой, подложкой и между собой в слое и в местах примыкания их торцов один к другому с помощью клея, а наружная облицовка выполнена из двух слоев ткани, например стеклоткани.

Недостатком данного изобретения является достаточно большая удельная масса (поверхностная плотность бронеэлемента ~53 кг/м² при толщине керамического слоя 8 мм и толщине подложки 8 мм), что делает ее не пригодной для использования в средствах индивидуальной бронезащиты (СИБ). Также следует отметить, что в данном патенте соотношение толщины керамического слоя к толщине металлической подложки находится в диапазоне 0,8-1,2, а керамические пластины и подложка должны иметь толщину 7-8 мм. При толщине керамического слоя и подложки, равных 7 мм, бронепреграда имеет толщину 15 мм, и может обеспечить защиту, в лучшем случае по 5 классу защиты только по ГОСТ Р 50963-96.

В данном патенте не решена проблема защиты зоны стыков бронерегарады. Бронепреграда имеет двойные и четверные стыки. Четверные стыки наиболее опасны. Следует отметить, что при стрельбе по движущейся цели (транспортному средству или летящему вертолету) вероятность попадания пули в четверной стык пластин, при угле встречи пули с броней, близкому к нормали, к поверхности брони, весьма мала и полуразрушенная пуля, попавшая в стык, после того как пробьет броню транспортного средства, уже не нанесет особого ущерба. Однако для СИБ это не приемлемо, даже при минимальной ширине зазора между пластинами, попадание пули в четверной стык нанесет непоправимый ущерб здоровью человека.

Задачей, решаемой изобретением, является снижение массовых характеристик и повышение конструкционной прочности при сохранении защитных свойств многослойной бронепреграды.

Технический результат, полученный при использовании изобретения, выражается в обеспечении защиты объекта от нескольких бронебойных пуль Б-32 калибра 7,62 мм СВД, летящих со скоростями до 840 м/с, при расстоянии между попаданиями в объекте не менее 100 мм, что соответствует 6а классу ГОСТ Р 50744-95, ГОСТ Р 50963-96. Поверхностная плотность многослойной бронепреграды составляет не более 42-43 кг/м². Запреградное воздействие - не более 20 мм.

Поставленная задача достигается за счет того, что в многослойной бронепреграде, содержащей подложку из алюминиевого сплава, слой примыкающих друг к другу керамических пластин и наружную облицовку, причем керамические пластины скреплены с наружной облицовкой, подложкой и между собой в слое, в местах примыкания их торцов друг к другу с помощью герметика, керамические пластины выполнены из реакционно-связанного карбида кремния с плотностью 2,9-3,1 г/см³, микротвердостью 26-29 ГПа. Керамические пластины в слое смещены относительно друг друга на половину их габаритного размера. На поверхность керамической пластины», которая механически обработана на толщину 0,05-1,5 мм, для снятия поверхностных концентраторов напряжения, нанесены насечки в виде сетки, для улучшения адгезии с подложкой. Толщина клеевого слоя между керамическими пластинами не превышает 0,4 мм. Облицовка выполнена из двух слоев высокомодульной органической ткани, пропитанной клеем на эпоксидном связующем.

Данное конструктивное решение и оптимальные характеристики керамики получены на основании большого числа экспериментов. В предложенной многослойной бронепреграде повышается эффективность работы керамического материала, который поглощает энергию сердечника пули за счет сочетания свойств, характерных только для реакционно-связанных материалов (высокая микротвердость, практически нулевая пористость, внутренние микронапряжения).

Элементарные представления о баллистическом сопротивлении керамики предполагают, что энергия пули затрачивается на деформацию и разрушение ударника, и разрушение керамики. Эффективность поглощения кинетической энергии пуль зависит от кинетики разрушения керамики, конфигурации возникающих трещин, размеров фрагментов и конфигурации области разрушенной керамики. Чем меньше фрагментация, количество трещин, выходящих на торцы керамических пластин и диаметр области разрушения, тем керамический материал эффективнее для брони.

Анализ баллистических испытаний показал, для реакционно-связанных керамических материалов при обстреле бронебойно-зажигательными 7,62 мм пулями Б-32 со скоростью до 840 м/с наблюдается дробление керамики на более мелкие фрагменты, а также уменьшение диаметра зоны разрушения, по сравнению со спеченной, горячепрессованной карбидокремниевой и алюмооксидной керамикой. Данное свойство самосвязанной керамики обусловлено внутренними микронапряжениями, которые возникают из-за разного ТКЛР расплава пропитывающего кремния и карбидокремниевой матрицы. Сочетание этого свойства реакционно-связанной керамики на основе карбида кремния с низкой плотностью 2,9-3,1 г/см³, практически нулевой пористостью и высокой микротвердостью 26-29 ГПа, обеспечивает снижение поверхностной плотности многослойной бронепреграды по сравнению с прототипом, локализацию области удара, равномерное рассеивание энергии удара пули и уменьшение запреградного воздействия. Запреградное воздействие не более 20 мм, что делает ее пригодной для использования в СИБ.

При попадании пули в одну из керамических пластин происходит ее разрушение. Разрушение пластины сопровождается ударной и звуковой волнами. Расположение между керамическими пластинами слоя пластичного герметика, который выполняет функцию смазки как между самими пластинами, так и между керамическим слоем и подложкой, позволяет устранить трещинообразование на соседние керамические пластины. Чем меньше геометрические размеры керамической пластины, тем выше живучесть всей бронепреграды (т.е. количество попаданий на единицу площади). Оптимальные геометрические размеры пластин от 45*45 до 100*100 мм обеспечивают конструкционную прочность всего бронезащитного элемента от пуль Б-32 калибра 7,62 мм СВД, летящих со скоростями до 840 м/с, при расстоянии между попаданиями в объекте не менее 100 мм.

Смещением керамических пластин в слое относительно друг друга на половину их габаритного размера предотвращается образование наиболее уязвимых мест - четверных стыков (стыков четырех соседних пластин). Несмотря даже на самый минимальный зазор между пластинами, попадание пули в четверной стык приводит к пробитию всей конструкции. Уход от подобных стыков позволяет повысить конструкционную прочность бронепреграды и получить многослойную бронепреграду с одинаковой противопульной стойкостью по всей поверхности.

Внешний керамический слой должен обладать высокой твердостью, чтобы разрушить нос термоупрочненного стального сердечника пули Б-32. На поверхности пластин, получаемых методом реакционного связывания, могут оставаться дефекты (поры, раковины, микротрещины), в результате при попадании пули керамический слой может хрупко разрушаться, работая менее эффективно (чем меньше фрагменты керамики в пределах конуса разрушения, тем соответственно больше затраты энергии пули на ее разрушение). Механическая обработка поверхности керамической пластины на толщину 0,05-1,5 мм позволяет устранить все поверхностные дефекты. Для того чтобы при соударении пули с бронезащитным элементом керамический слой не отставал от подложки, для улучшения адгезии с подложкой и внешней облицовкой на поверхность керамических пластин дополнительно нанесены насечки в виде сетки (или она может обрабатываться пескоструйкой).

Подложка может выполняться как однослойной, так и многослойной, что позволяет более эффективно варьировать жесткостью и нерегулярностью поведения подложки и более эффективно затормаживать разрушенную пулю и осколки от разрушенной керамики за счет расслоения при ударе и последующей деформации каждого отдельного слоя с большей реализацией их прочностных свойств.

Облицовка, выполненная из двух слоев высокомодульной органической ткани, пропитанной клеем на эпоксидном связующем, исключает возможный разлет осколков керамики и пули и гасит их кинетическую энергию.

В зависимости от требуемой геометрии бронепреграды (например, для бронежилетов) керамические пластины и подложка могут выполняться с различной степенью кривизны.

Совокупность заявляемых признаков позволяет создать многослойную бронепреграду с поверхностной плотностью не более 42-43 кг/м², и запреградным воздействием - не более 20 мм, которая защищает объект от нескольких пуль Б-32 калибра 7,62 мм СВД, летящих со скоростями до 840 м/с, при расстоянии между попаданиями в объекте не менее 100 мм, что соответствует 6а классу ГОСТ Р 50744-95, ГОСТ Р 50963-96.

Заявляемая многослойная бронепреграда схематично изображена на фиг.1, где 1 - керамические пластины, 2 - подложка, 3 - пластичный материал, 4 - наружная облицовка. На фиг.2 показано как керамические пластины при раскладке смещены друг относительно друга на половину их габаритного размера с целью предотвращения образования стыков четырех соседних пластин.

Керамический слой 1 выполнен из реакционно-связанного карбида кремния с плотностью 2,9-3,1 г/см³ и микротвердостью 26-29 ГПа.

Прилегающая к керамическому слою подложка 2 может быть выполнена из:

1) металла (алюминиевого сплава АМГ6-М или титана ВТ1) или

2) органокомпозита (на основе высокомодульной органической ткани), или

3) комбинации вышеперечисленных материалов (градиентная, слоистая подложка).

Действие бронепреграды заключается в следующем: пуля внедряется в защитный слой наружной облицовки 4, пробивает его и вступает в контакт с одной из нескольких керамических пластин 1. При этом происходит разрушение до 80% пули и ее торможение. Керамическая пластина 1 разрушается, но разделительный слой 3 гасит энергию ударной и звуковой волны, что предотвращает разрушение соседних плиток 1. Наружная облицовка 4 удерживает осколки керамики и пули от разлета, тем самым устраняя обратный выброс. Подложка 2 окончательно гасит кинетическую энергию осколков пули и керамики, задерживая их внутри бронепреграды.

Промышленную применимость заявляемой бронепреграды подтверждают опытные данные. Для примера рассмотрим бронезащитный элемент заявляемой конструкции.

Пример 1

Керамические пластины 1 70*70*8 мм выполнены из реакционно-связанного карбида кремния с плотностью 2,9 г/см³ и микротвердостью 28 ГПа.

Подложка 2 органокомпозитная толщиной 10 мм.

С помощью герметика ВГО-1 пластины прикреплены к подложке.

Керамический слой 1 и подложка 2 заключены в наружную облицовку 4, которая выполнена из двух слоев высокомодульной органической ткани типа ТСВМ, пропитанной клеем на эпоксидном связующем.

Толщина бронезащитного элемента составляет 18 мм.

Поверхностная плотность бронезащитного элемента - 37 кг/м².

Бронезащитный элемент был испытан тремя выстрелами из СВД калибра 7,62 мм, тип пули Б-32, скорость подхода первой пули - 810 м/с, второй - 800 м/с, третьей - -803 м/с. Выстрелы были произведены на расстоянии между собой не менее 100 мм.

Запреградное действие после попадания первой пули - 18 мм, второй пули - 19 мм, третьей пули - 20 мм.

При обследовании бронезащитного элемента установлено, что бронезащитный элемент не пробит насквозь после трех попаданий, осколки керамики и пуль находятся внутри бронезащитного элемента.

Пример 2

Керамические пластины 1 100*100*8 мм выполнены из реакционно-связанного карбида кремния с плотностью 2,9 г/см³ и микротвердостью 28 ГПа.

Подложка 2 выполнена из алюминия (АМГ6-М) толщина 7 мм.

С помощью герметика ВГО-1 пластины прикреплены к подложке.

Керамический слой 1 и подложка 2 заключены в наружную облицовку 4, которая выполнена из двух слоев высокомодульной органической ткани типа ТСВМ, пропитанной клеем на эпоксидном связующем.

Толщина бронезащитного элемента составляет 16 мм.

Поверхностная плотность бронезащитного элемента - 43 кг/м².

Бронезащитный элемент был испытан тремя выстрелами из СВД калибра 7,62 мм, тип пули Б-32, скорость подхода первой пули - 805 м/с, второй - 813 м/с, третьей - -823 м/с. Выстрелы были произведены на расстоянии между собой не менее 100 мм.

Запреградное действие после попадания первой пули - 17 мм, второй пули - 17 мм, третьей пули - 19 мм.

При обследовании бронезащитного элемента установлено, что бронезащитный элемент не пробит насквозь после трех попаданий, осколки керамики и пуль находятся внутри бронезащитного элемента.

Опытная проверка подтвердила достижение указанного технического результата: указанный бронезащитный элемент обеспечивает защиту от нескольких пуль Б-32 калибра 7,62 СВД, летящим со скоростями до 840 м/с, при расстоянии между попаданиями в объекте не менее 100 мм. Поверхностная плотность бронезащитного элемента не более 43 кг/м². Запреградное воздействие не более 20 мм.

Изобретение относится к броневым конструкциям для индивидуальных и транспортных средств защиты от воздействия бронебойных пуль стрелкового оружия. Многослойная бронепреграда содержит подложку, слой примыкающих друг к другу керамических пластин и наружную облицовку. Керамические пластины скреплены с наружной облицовкой, подложкой и между собой в слое, в местах примыкания их торцов друг к другу с помощью герметика. Керамические пластины выполнены размером от 45*45 до 100*100 мм из реакционносвязанного карбида кремния плотностью 2,9-3,1 г/см³, микротвердостью 26-29 ГПа, имеют механически обработанную поверхность на толщину 0,05-1,5 мм и насечки на поверхности в виде сетки. Причем пластины смещены в слое относительно друг друга на половину их габаритного размера. Подложка выполнена из алюминиевого сплава или титана, или органокомпозита на основе высокомодульной органической ткани, или их комбинации. Облицовка выполнена из двух слоев высокомодульной органической ткани, пропитанной клеем на эпоксидном связующем. Толщина слоя герметика между керамическими пластинами не превышает 0,4 мм. Изобретение позволяет повысить стойкость к бронебойным пулям и снизить запреградное воздействие. 2 ил.

Многослойная бронепреграда, содержащая подложку, слой примыкающих друг к другу керамических пластин и наружную облицовку, причем керамические пластины скреплены с наружной облицовкой, подложкой и между собой в слое, в местах примыкания их торцов друг к другу с помощью герметика, отличающаяся тем, что керамические пластины выполнены размером от 45×45 до 100×100 мм из реакционносвязанного карбида кремния плотностью 2,9-3,1 г/см³, микротвердостью 26-29 ГПа, имеют механически обработанную поверхность на толщину 0,05-1,5 мм и насечки на поверхности в виде сетки, при этом пластины смещены в слое относительно друг друга на половину их габаритного размера, подложка выполнена из алюминиевого сплава или титана, или органокомпозита на основе высокомодульной органической ткани, или их комбинации, облицовка выполнена из двух слоев высокомодульной органической ткани, пропитанной клеем на эпоксидном связующем, толщина слоя герметика между керамическими пластинами не превышает 0,4 мм.