Бронезащитный пакет из арамидных тканей с дискретным полимерным покрытием Российский патент 2024 года по МПК F41H1/02 

Изобретение относится к области разработки средств бронезащиты и защитных экранов на основе многослойных пакетов из арамидных тканей от поражения стрелковым и холодным оружием, а также от других видов поражающих элементов (например, в защитных экранах турбореактивных двигателей при разлете поврежденных лопаток), и может быть использовано для создания бронежилетов и элементов защиты различных объектов.

В литературе представлены описания тканевых бронежилетов, основу которых составляют защитные преграды из текстильных материалов. Такие преграды, как правило, представляют собой многослойные пакеты, включающие слои из арамидной ткани с различными типами плетения и укладки [1-3].

Конструкция тканевого бронежилета состоит из нескольких слоев арамидной ткани, конструктивно собранных в единый защитный пакет (бронепанель). Количество слоев в бронепанели может колебаться от 7 до 30 и более [2], что определяется созданием требуемого уровня защиты.

Однако наличие средств индивидуальной бронезащиты из тканей на основе высокопрочных синтетических волокон выявило проблему наличия заброневой контузионной травмы в случае непробития бронежилета.

Текстильная бронепанель в ряде случаев, при значительно сниженной массе бронежилета, оказывалась неприемлемой для использования из-за недопустимо высокого травматического воздействия на мягкие ткани биологического объекта. Соответственно, актуальной задачей является разработка технических решений по снижению заброневого травматического эффекта.

Цель настоящего изобретения заключается в создании и исследовании свойств бронезащитного пакета из слоев арамидной ткани с дискретным полимерным покрытием, обеспечивающим снижение заброневого воздействия.

При работе над изобретением были решены следующие задачи:

- доказана эффективность использования бронепанелей, составленных из слоев арамидной ткани с нанесенным дискретным полимерным покрытием для снижения заброневого действия при поражении индентором;

- выбран оптимальный полимерный материал для дискретного покрытия;

- обоснованы геометрические размеры и расположение одиночного элемента, а также шаг между элементами;

- определен порядок расположения слоев арамидной ткани с различными вариантами геометрической структуры единичного элемента и типом полимерного материала дискретного покрытия.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в:

- снижении степени заброневого повреждающего воздействия индентора через бронезащитный пакет из слоев арамидной ткани с дискретным полимерным покрытием в случае его непробития;

- повышении сопротивляемости на прокол индентором колющего типа. Указанный технический результат достигается тем, что:

- при воздействии индентора, энергия через одиночные элементы дискретного покрытия перераспределяется на большее число волокон, в следствии чего, эффективность рассеивания энергии становиться выше, уменьшается степень вытяжки отдельных нитей из общего объема ткани, в результате увеличивается угол конуса, что обеспечивает снижение величины заброневого воздействия;

- дискретные полимерные покрытия находятся внутри ткани и не выступают наружу, поэтому каждый слой арамидной ткани плотно прилегает к соседним слоям и способен двигаться относительно них в связи с низким коэффициентом трения арамидных волокон, что сохраняет функциональные свойства тканевого пакета;

- при проколе дискретные полимерные покрытия, расположенные перпендикулярно друг к другу, препятствуют раздвижению нитей и тормозят прохождение индентора колющего типа;

- появляется возможность снизить общий вес бронепакета за счет уменьшения количества слоев арамидной ткани.

В отличие от жестких бронеэлементов, текстильная бронепанель в большинстве своего объема не оказывает практически никакого сопротивления энергетическому воздействию в направлении удара индентора, за исключением локальной зоны удара и, следовательно, не перераспределяет сообщенную ей энергию удара поражающего элемента на большую площадь. Основная часть энергии удара сосредоточивается в пределах места контакта поражающего элемента с бронепанелью и далее передается защищаемому объекту.

Пробитие тканевого бронепакета может происходить по двум возможным вариантам, это либо разрыв нитей, либо их вытягивание из общего объема ткани в локальном месте воздействия поражающего элемента (индентора).

Для уменьшения заброневого воздействия в тканевых бронепакетах используют несколько способов [5,6], один из которых заключается в использовани и дополнительных демпфирующих материалов в виде пакетов или пластин, размещенных с внутренней стороны бронежилета, прилегающих непосредственно к защищаемому объекту [7,8].

Следующим способом снизить влияние повышенного заброневого воздействия является использование различных по характеристикам тканей [5]. Именно поэтому текстильная легкая броня, как правило, состоит из нескольких слоев. В основном они отличаются плетением и линейной плотностью.

Пакет лицевого демпфера - это прокладка со специальными каналами предназначенная для улучшения вентиляции и обеспечения дополнительного комфорта пользователю. Кроме того, такая структура снижает заброневое воздействие пуль и осколков на организм человека. Имеет линейную плотность от 5 до 110 текс. Чаще всего при попадании этот слой будет разрушаться, обеспечивая при этом первичное торможение индентора.

Пакет плавного торможения - это слой в котором происходит основное торможение пули. Этот пакет обладает большим модулем упругости, чем пакет жесткого торможения. Линейная плотность составляет примерно от 25 до 400 текс.

Пакет жесткого торможения предназначен для резкой остановки индентора. Обладает самой высокой плотностью и является наименее пластичным из всех слоев. Линейная плотность выше 455 текс.

Опыты показали, что для текстильного бронепакета описанные выше способы гашения динамического воздействия оказываются недостаточными, а повышение ее жесткости, например, за счет прострачивания, склеивания и др., как правило, снижает ее балистическую стойкость [2, 4].

Таким образом, приведенные структуры составов тканевых бронежилетов являются прототипами предлагаемого изобретения, однако имеют недостатки, заключающиеся в возникновении в организме человека и другом защищаемом объекте при непробитии бронежилета высоких значений заброневой деформации, способных привести к тяжелым травмам, смерти, или выходу из строя защищаемого объекта, а также в утяжелении бронежилета, за счет использования дополнительных жестких и демпфирующих слоев.

Стойкость текстильной брони определяется ее способностью преобразовывать кинетическую энергию индентора в упругую энергию растяжения нитей слоев ткани, из которых состоит текстильная бронезащита. Это происходит вследствие того, что в распределении энергии индентора, внедряющегося в слои ткани, участвуют только малая часть нитей, ограниченная фронтом распространения волн при поперечном ударе, которые участвуют в поглощении энергии поражающего элемента. Такое преобразование энергии при поперечном ударе по текстильному материалу осуществляется системой продольных и поперечных волн, распространяющихся в нитях. Для реализации механизма деформирования нитей в продольных и поперечных волнах необходимо согласованное движение нитей и индентора, что показывает представленная на фиг.1 схема распространения волн в слое ткани при поперечном ударе, где позиция 1 - фронты продольных волн в нитях утка; 2 - фронты продольных волн в нитях основы; 3-фронты поперечных волн; 4 - область воздействия [2, 4].

Таким образом, решение задачи дополнительного поглощения энергии в слоях ткани может быть достигнуто путем ее перераспределения в дополнительные зоны, вовлеченные в торможение индентора, что позволит снизить величину заброневой деформации.

Сущность изобретения заключается в том, что на каждую арамидную ткань (позиция 1 фиг.2) из слоев пакета, нанесены единичные прямоугольные элементы дискретного покрытия (позиция 2 фиг.2) в виде прямоугольников, длина которых соответствует сумме половины шага и полуторной ширины элемента, и которые располагаются перпендикулярно друг другу с расстоянием между центрами единичных прямоугольных элементов дискретного покрытия равным половине шага t (фиг.2) и распределены по всей площади ткани с шагом t (фиг.2), а ширина единичного прямоугольного элемента дискретного покрытия d (фиг.2), при этом ширина единичного прямоугольного элемента дискретного покрытия d (фиг.2) не должна быть менее 1 мм и не более одной пятой шага t (фиг.2), а также оси по длинным сторонам всех прямоугольных элементов располагаются вдоль основы или утка ткани, и каждый элемент дискретного покрытия прочно соединен с нитями ткани по всей толщине ткани в проекции прямоугольного элемента (сечение А-А фиг.2), тем самым локально соединяя соседние нити основы либо утка на величину длины единичного элемента, что обеспечивает уменьшение заброневого воздействия, за счет перераспределения энергии индентора и дальнейшей ее диссипации на большее число нитей, а также повышении сопротивляемости на прокол. Каждый единичный прямоугольный элемент дискретного покрытия представляет собой полимерный материал, заполняющий по всей толщине ткани в проекции прямоугольного элемента все пространство между нитями и адгезионно соединен силами межмолекулярного взаимодействия с нитями ткани, тем самым локально соединяя соседние нити основы либо утка на величину длины единичного прямоугольного элемента дискретного покрытия. Важной особенностью является постоянное перекрытие сцепления одной нити по основе или утку с двумя соседними элементами, расположенными в одном направлении. Величина перекрытия должна быть равной полуторной ширине единичного прямоугольного элемента дискретного покрытия.

Механизм действия единичного прямоугольного элемента дискретного покрытия заключается в следующем: при воздействии индентора на пакет из арамидной ткани, первыми в процесс торможения и поглощения энергии вовлекаются непосредственно волокна находящиеся под индентером, при этом их количество соответствует величине двойного диаметра индентора (при размере тканевого пакета 40x60 см, число непосредственно вовлеченных волокон на ткани без дискретного покрытия составляет всего лишь 2% от общего числа), затем образуются фронты продольных и поперечных волн основы и утка, которые при достижении элементов дискретного покрытия передаются всем нитям имеющим сцепление с элементом. Тем самым расширяется зона площади ткани, вовлекаемой в процесс диссипации энергии удара, а взаимное перекрытие одиночных элементов расширяет количество воспринимаемых волокон на величину четырех длин одиночного элемента с каждой итерацией, в размере единичного шага дискретного покрытия. Одиночные элементы между собой не соединены и тем самым не мешают драпируемости ткани, что приводит к сохранению эксплуатационных характеристик пакета из арамидных тканей с дискретным полимерным покрытием. Он остается достаточно гибким для использования в элементах бронежилета скрытого ношения.

Для исследования процесса взаимодействия индентора с арамидной тканью с дискретным полимерным покрытием были проведены испытания на зависимость от вида единичного прямоугольного элемента дискретного полимерного покрытия и типа применяемого полимерного материала. Испытания проводились с использованием хронографа, обеспечивающего измерение скорости предметов с погрешностью 0,1 м/с. В качестве индентора использовался стальной шар диаметром 4,5 мм и с начальной скоростью 215 м/с.Первоначально проводились испытания образцов без нанесения единичных прямоугольных элементов дискретного покрытия, среднее значение скорости индентора после пробития одного слоя арамидной ткани составила 212,8 м/с. В Таблице 1 представлены результаты исследований пробития арамидных тканей с различными единичными прямоугольными элементами дискретного покрытия.

В качестве полимера №1 был взять силиконовый герметик, полимер №2 - каучуковый герметик и полимер №3 - полистирол. Полимерные составы наносились на ткань методом шелкографии через специально подготовленные трафареты (фиг.3), где в трафарете №1 t=11 мм, d=1 мм; в трафарете №2 t=18 мм, d=1 мм; в трафарете №3 t=18 мм, d=2 мм;

Снижение скорости свидетельствует, что часть энергии индентора поглотила арамидная ткань, а из анализа данных из таблицы 1 можно сделать вывод, что на величину поглощенной и перераспределенной энергии в большей степени влияют вязко-упругие характеристики полимерного материала и в меньшей степени вид дискретного полимерного покрытия. Результаты показали снижение скорости до 16% по сравнению с материалом без дискретного полимерного покрытия с использованием Полимера №2.

Воздействие колющих предметов наиболее опасно для тканевых бронежилетов, так как пробитие и поражение объекта происходит за счет раздвижения волокон, на что затрачивается гораздо меньше энергии. Дискретное полимерное покрытие препятствует глубокому проникновению заостренного индентора, вследствие блокировки его в элементарной ячейке одиночных элементов. При этом есть вероятность попадания острия индентора непосредственно в сам одиночный элемент, что так же приводит к блокированию проникновения.

Экспериментально проведено многократное воздействие на образцы на ограниченном участке. Скорость внедрения индентора для всех испытуемых образцов была постоянной и равной 100 мм/мин. Расстояние между точками составляет 20 мм. Испытания проводились согласно ГОСТ 12.4.260-2011.

Для наглядного отображения по данным таблиц была составлена сводная диаграмма зависимости усилия на прокол от вида дискретного полимерного покрытия и геометрических параметров дискретного покрытия.

По данным таблицы 2 видно, что лидирующие положение занимает Полимер №3, так как при малых скоростях деформации он проявляет наибольшую стойкость к проколу, которая в шесть раз больше по сравнению с материалом без дискретного полимерного покрытия.

Его показатели в увеличении массы в разы меньше, чем результаты остальных полимерных покрытий. При создании локальных зон фиксации большое значение имеет тип дискретного покрытия (фиг.3). По результатам испытаний наихудший показатель имеет трафарет №2 и не зависимо от вида дискретного полимерного покрытия. Это связано с тем, что площадь локальных зон у трафарета №2 является наименьшей.

Данные примеров и таблиц показывают, что по сравнению с применяемыми в настоящее время для целей бронезащиты тканями, предлагаемая в данном изобретении бронезащитный пакет из арамидной ткани с единичным прямоугольным элементом дискретного покрытия обладает более высокими защитными свойствами и стойкостью к проникновению индентора, что позволяет сократить количество слоев тканного материала при изготовлении элементов бронезащиты и уменьшить его вес.Защитные свойства пакета из арамидных тканей с единичным прямоугольным элементом дискретного покрытия зависят от типа переплетения ткани, адгезии к волокнам и вязко-упругих характеристик полимерного материала, вида единичного прямоугольного элемента дискретного покрытия, которые необходимо подбирать непосредственно к условиям поражающего воздействия для получения оптимального защитного результата.

Источники информации:

1. Концептуальные основы создания средств индивидуальной защиты. - Ч.1. Бронежилеты / В.И.Байдак и др.; под общ. ред. В.Г.Михеева. - М.: Вооружение. Политика. Конверсия, 2003. - 338 с.

2. Григорян, В.А. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования/ В.А. Григорян, И.Ф. Кобылкин, В.М. Маринин, Е.Н. Чистяков. - М.: Изд. РадиоСофт, 2008. - 406 с.

3. Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В. Материалы и структуры легкой бронезащиты: учебник. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - 191 с.

4. Рахматуллин Х.А., Демьянов Ю.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках. - М.: Физматлит, 1961. - 400 с.

5. Пат. РФ №2395055, 27.11.2007, F41H 1/02.

6. Пат. RU 23823 17, 12.09.2008, F41H 1/02.

7. Пат. RU 2437053, 15.09.2010, F41H 1/02.

8. Пат. RU 2531705, 11.07.2012, F41H 1/02.

9. ГОСТ 34286-2017. Бронеодежда. Классификация и общие технические требования. Прин. Постановлением Госстандарта России от 01.03.2019 - М., 2019.

Бронезащитный пакет состоит из двух и более слоев арамидной ткани полотняного или саржевого переплетения. На каждую арамидную ткань, из состава слоя, нанесено дискретное полимерное покрытие в виде единичных прямоугольных элементов дискретного покрытия, длина которых соответствует сумме половины шага и полуторной ширины единичного прямоугольного элемента дискретного покрытия, и которые располагаются перпендикулярно друг другу на расстоянии одной трети от размера их длины и распределены по всей площади ткани. Единичные прямоугольные элементы дискретного покрытия длинными своими сторонами располагаются вдоль оси основы или вдоль оси утка ткани, и каждый единичный прямоугольный элемент дискретного покрытия прочно соединен с нитями ткани по всей толщине ткани в проекции единичного прямоугольного элемента дискретного покрытия, с возможностью обеспечения уменьшения заброневого воздействия за счет перераспределения энергии удара индентора и дальнейшей ее диссипации на большее число нитей и повышения сопротивляемости бронезащитного пакета на прокол. Обеспечивается снижение заброневого воздействия. 3 ил., 2 табл.

Бронезащитный пакет, состоящий из двух и более слоев арамидной ткани полотняного или саржевого переплетения, отличающийся тем, что на каждую арамидную ткань, из состава слоя, нанесено дискретное полимерное покрытие в виде единичных прямоугольных элементов дискретного покрытия, длина которых соответствует сумме половины шага и полуторной ширины единичного прямоугольного элемента дискретного покрытия, и которые располагаются перпендикулярно друг другу на расстоянии одной трети от размера их длины, и распределены по всей площади ткани, при этом единичные прямоугольные элементы дискретного покрытия длинными своими сторонами располагаются вдоль оси основы или вдоль оси утка ткани и каждый единичный прямоугольный элемент дискретного покрытия прочно соединен с нитями ткани по всей толщине ткани в проекции единичного прямоугольного элемента дискретного покрытия, с возможностью обеспечения уменьшения заброневого воздействия за счет перераспределения энергии удара индентора и дальнейшей ее диссипации на большее число нитей и повышения сопротивляемости бронезащитного пакета на прокол.