Композиционная баллистическая структура

Изобретение относится к области вооружения, разработкам средств индивидуальной бронезащиты (например, касок, шлемов) и, в частности, к композиционным баллистическим структурам на основе арамидных тканей.

Известен (пат. US 4181768, 1980 г.) композиционный пулезащитный материал, состоящий из чередующихся слоев ткани из поли - (п)-фенилентерефталамида и 6,6 нейлоновой пленки, спрессованных в жесткий композит. Вес пленочных слоев составляет 10-30% веса всей структуры. Ткань сравнительно жесткая с поверхностной плотностью 169-678 г/м². В примерах наилучшие результаты испытаний приведены для ткани с переплетением «рогожка»: V₅₀ составляла около 670 м/сек при поверхностной плотности структуры 10 кг/м² и количестве связующего 16% веса.

Недостатком такого композиционного материала является сложность технологии изготовления, а именно, прессования при определенном давлении и температуре в течение необходимого времени до плавления нейлоновой пленки и связывания тканых слоев в жесткий композит. Связанные нейлоном высокомодульные волокна хуже воспринимают ударную нагрузку, что в итоге приводит к снижению защитных свойств материала.

В пат RU 2100748 (1977 г.) композиционный пулезащитный 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. В примере композиционный пулезащитный материал состоит из набора трех легковесных слоев из низкомодульного материала типа капрон и десяти слоев ткани из арамидных нитей, образующих наружную часть, и двенадцати слоев арамидной ткани, образующих внутреннюю часть пулезащитного материала. Слои из капрона расположены в верхних слоях наружной части материала с послойным чередованием с ткаными слоями из арамидных волокон: слой капрона, слой арамидной ткани и т.д. При этом слои наружной части материала выполнены из ткани сатинового переплетения, а слои внутренней части - из ткани саржевого переплетения. Предполагается, что такое построение обеспечивает большую жесткость в направлении основы и утка слоев ткани наружной части материала, чем жесткость слоев ткани внутренней части. Для увеличения коэффициента трения между нитями слои внутренней части материала пропитаны слабым раствором смолы. О баллистической стойкости композита заявители не сообщают.

Из уровня техники известны также оболочки для баллистического шлема (US 2006/0048284 и 2009/0061186), где в качестве армирующего материала используют слои ткани Kevlar-KM2 с разной поверхностной плотностью, при этом поверхностная плотность одной части слоев ткани составляет менее 160 г/м², а другой - в пределах 160-200 г/м². Количество слоев более 28. Средняя толщина оболочки менее 6, 5 мм, средняя поверхностная плотность менее 7, 5 кг/м². При этом количество связующего не более 12% вес структуры. Отмечается, что изготавливают такие оболочки методом прессования слоев ткани под давлением порядка 150-300 кг/см². Приведенные результаты испытания баллистической стойкости показали значение V₅₀, равное 2000 фут/сек (610 м/сек), при этом коэффициент защиты (параметр, определяющий качество шлема) составлял 286.

Технической задачей изобретения является разработка такой конструкции защитной структуры (органокомпозита), которая бы обеспечивала максимальную подвижность ее элементов в условиях баллистического воздействия на композит, переводя кинетическую энергию баллистического снаряда в тепло за счет трения, при минимальном содержании связующего и для повышения баллистических свойств структуры.

Техническая задача изобретения решается за счет того, что в качестве армирующего наполнителя используют равноплотную ткань атласного переплетения с раппортом от 12 до 20 при сдвиге от 2 до 18 с поверхностной плотностью от 450 до 720 г/м² из арамидных высокопрочных высокомодульных нитей линейной плотности 29,4 текс, трощеных в 4.5 или 6 сложений с подкруткой от 20 до 100 кручений на метр, а в качестве связующего термоотверждаемые пленочные клеи, эпоксидные и поливинилбутиральные композиции в количестве от 5 до 10% от массы композита.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение баллистической стойкости органокомпозита (V50, м/с) за счет увеличения подвижности армирующих органокомпозит арамидных нитей в составе ткани и повышенным в связи с этим поглощением кинетической энергии баллистического снаряда.

Для подтверждения достигнутого результата был изготовлен и подвергнут баллистическим испытаниям ряд плоских композиционных панелей размером 380×380 мм разного состава согласно изобретению. Результаты испытаний приведены в следующих примерах.

Пример 1.

Ткань атласного переплетения в структуре 15/4 (15 - раппорт ткани, 4 - сдвиг) изготовили из трощеной в 5 сложений и подкрученной до 40 кр./м арамидной нити Русар линейной плотности 29,4 текс с круткой 50 кр./м. Плотность набивки трощеных нитей по основе и утку составляла 200 нитей на 10 см ширины. Поверхностная плотность ткани составляла 599,7 г/м². На основе ткани и эпоксидного связующего ЭДТ-69Н был изготовлен препрег с массовой долей связующего 5,1%. Из 9-ти слоев препрега была составлена защитная структура, которую прессовали при температуре 160°C и давлении 25 кг/см² в течении 2-х часов. После охлаждения до 70°C давление снимали. Защитная панель при поверхностной плотности 5,7 кг/м² и содержании связующего 5,3% имела толщину 5,7 мм. Панель подвергли баллистическим испытаниям в рамке с гидравлическими зажимами имитатором осколка FSP 1,1 г (17 гран). Предел баллистической стойкости V50 оказался равным 620 м/с.

Пример 2.

Ткань атласного переплетения в структуре 20/7 (20 - раппорт ткани, 7 - сдвиг) изготовили из трощеной в 6 сложений и подкрученной до 30 кр./м арамидной нити Русар-С линейной плотности 29,4 текс с круткой 50 кр./м. Плотность набивки трощеных нитей по основе и утку составляла 200 нитей на 10 см ширины. Поверхностная плотность ткани составляла 1074 г/м². На основе ткани и эпоксидного связующего ВСК-14-3 был изготовлен препрег с массовой долей связующего 6,7%. Из 14-ти слоев препрега была составлена защитная структура, которую прессовали при температуре 190°C и давлении 25 кг/см² в течение 2-х часов. После охлаждения до 70°C давление снимали. Защитная панель при поверхностной плотности 10,74 кг/м² и содержании связующего 6,5% имела толщину 8,2 мм. Панель подвергли баллистическим испытаниям в рамке с гидравлическими зажимами имитатором осколка FSP 1,1 г (17 гран). Предел баллистической стойкости V50 оказался равным 780 м/с.

Пример 3.

Ткань атласного переплетения в структуре 12/5 (12 - раппорт ткани, 5 - сдвиг) изготовили из трощеной в 4 сложения и подкрученной до 100 кр./м арамидной нити Арус линейной плотности 29,4 текс с круткой 50 кр./м. Плотность набивки трощеных нитей по основе и утку составляла 190 нитей на 10 см ширины. Поверхностная плотность ткани составляла 455,8 г/м². Из 15-ти слоев ткани и 14-ти слоев эпоксиполиамидного пленочного клея ПКС-171 толщиной 0,2 мм был составлен пакет, который отпрессовали при температуре 160°C и давлении 25 кг/см² в течение 1,5 часов. После охлаждения до 70°C давление снимали. Защитная панель при поверхностной плотности 7,31 кг/м² и содержании связующего 6,9% имела толщину 6,5 мм. Панель подвергли баллистическим испытаниям в рамке с гидравлическими зажимами имитатором осколка FSP 1,1 г (17 гран). Предел баллистической стойкости V50 оказался равным 735 м/с.

Пример 4.

Ткань атласного переплетения в структуре 14/5 (14 - раппорт ткани, 5 - сдвиг) изготовили из трощеной в 4 сложения и подкрученной до 80 кр./м арамидной нити Русар линейной плотности 29,4 текс с круткой 50 кр./м. Плотность набивки трощеных нитей по основе и утку составляла 180 нитей на 10 см ширины. Поверхностная плотность ткани составляла 431,8 г/м². Из 10-ти слоев ткани и 9-ти слоев метилолполиамиднофенольного пленочного клея МПФ-1 толщиной 0,15 мм был составлен пакет, который отпрессовали при температуре 160°C и давлении 25 кг/см² в течение 1,5 часов. После охлаждения до 70°C давление снимали. Защитная панель при поверхностной плотности 4,57 кг/м² и содержании связующего 5,9% имела толщину 4,7 мм. Панель подвергли баллистическим испытаниям в рамке с гидравлическими зажимами пулей Para FMJ 9 мм 124 гран. Предел баллистической стойкости V50 оказался равным 548 м/с при штатной скорости пули в 436 м/с.

Пример 5.

Ткань атласного переплетения в структуре 18/5 (18 - раппорт ткани, 5 - сдвиг) изготовили из трощеной в 5 сложений и подкрученной до 40 кр./м арамидной нити Русар линейной плотности 29,4 текс с круткой 50 кр./м. Плотность набивки трощеных нитей по основе и утку составляла 180 нитей на 10 см ширины. Поверхностная плотность ткани составляла 539,8 г/м². Из 12-ти слоев ткани и поливинилбутираля ПВБ был изготовлен пакет, который отпрессовали при температуре 170°C и давлении 25 кг/см² в течение 1 часа. После охлаждения до 70°C давление снимали. Защитная панель при поверхностной плотности 6,88 кг/м² и содержании связующего 6,2% имела толщину 6,1 мм. Панель подвергли баллистическим испытаниям в рамке с гидравлическими зажимами имитатором осколка FSP 1,1 г (17 гран). Предел баллистической стойкости V50 оказался равным 705 м/с.