Полимерные композиционные материалы: броневые материалы и конструкции — броня
«Специальные полимерные композиционные материалы»

КевларДля изготовления материалов и конструкций, предназначенных для однократного удержания высокоскоростного высокоэнергетического удара различной интенсивности используют :
1) ткани различной текстуры на основе волокон из ароматических полиамидов (Kevlar, СВМ, Русар, Twaron и др.), сверхвысокомолекулярного полиэтилена (Spectra, Dyneema и др.) — полимерная текстильная (тканая) броня;
2) органо- и стеклотекстолиты на основе тканей из волокон Kevlar, СВМ, Армос, Русар, стеклянных и их смесей с полимерными и термореактивных (олигоакрилаты, олигомалеинаты, эпоксидные), термопластичных (блоксополимерные, иономерные), эластомерных связующих с высокой энергией разрушения при ударных нагрузках — полимерная композиционная броня;
3) супергибридные полимер-металлические и полимер-керамические межслоевые композиционные материалы — комбинированная броня;
4) нанополимерные материалы на основе полимерных гелей и электроактивных полимеров.

Полимерные текстильные (тканые) броневые материалы

В полимерных текстильных материалах, обеспечивающих защиту от высокоскоростного инденторного воздействия («мягкая» броня) используют многослойные пакеты из тканей (и войлоков) с определенным плетением волокон (текстурой). Наиболее эффективны ткани из волокон со специфической фибриллярной структурой, образующейся на стадии вытяжки из растворов, расплавов, гелей, волокнообразующих полимеров при оптимальной степени вытяжки.

Наибольшее применение в качестве компонентов материалов «мягкой» брони получили волокна из ароматических полиамидов СВМ, Армос, Русар (Россия), Kevlar (DuPont, США), Twaron (Enka, Нидерланды) и волокна из CBMПЭ Spectra (Allied Fibers, США), DYNEEMA (DSM, Нидерланды).

Для многих полимеров в ориентированном состоянии характерна фибриллярная структура с чередованием аморфных и кристаллических участков с периодичностью порядка единиц десятков нм. При вытягивании многих видов волокон наблюдается изменение характера зависимости свойств волокна от кратности вытягивания, что связано с изменением механизма ориентации, разворотом кристаллитов, перестройкой аморфных областей, формированием фибриллярных структур.

Наличие фибриллярной структуры (фибриллы в волокнах Kevlar— стержни из палочкообразных кристаллов диаметром около 50 нм, в волокнах из СВМПЭ — шиш-кебабной структуры длиной 50-70 им, длина фибрилл — функция молекулярной массы полимера) является одним из проявлений анизотропии энергетических характеристик волокнообразующих полимеров. Межфибриллярные прослойки в волокнах из гибкоцеппых полимеров (например, из СВМПЭ) имеют большое число цепей, проходящих из одной фибриллы в другую в поперечном направлении. Высокая жесткость макромолекул ароматических полиамидов затрудняет межфибриллярный переход цепей, следствием чего является продольная расщепляемость микрофибрилл со значительной затратой энергии на преодоление межмолекулярного взаиимодействия.

Удержание высокоскоростного удара полимерными волокнами с фибриллярной структурой обеспечивается комплексным механизмом торможения роста трещин:

1)созданием барьеров на пути трещин — фибриллярное расщепление волокон на плоскости с минимальной поверхностной энергией; участием межфибриллярного взаимодействия в перераспределении механических напряжений между структурными элементами волокна и межфазной областью; ветвлением трещин преимущественно в аксиальном направлении, в результате чего поверхность разрушения волокон в сотни раз превосходит площадь их поперечного сечения; участием межфазной области в перераспределении и релаксации напряжений;
2)затуплением вершины трещины вследствие многостадийного протекания релаксацнонных процессов; демпфированием и релаксацией напряжений при создании растущей трещины :поверхностью из-за низкого ЕI волокон;
3) низкой чувствительностью волокон к концентраторам напряжений;
4)сильной фибрилляцией с отщеплением микрофибрилл с поверхности волокон при увеличении деформации, накоплением дефектов.

Обмен энергиями между двумя системами трещин выражается в том, что при предельном расщеплении и проскальзывании структурных элементов волокна относительно друг друга, волокно частично выполняет функцию матрицы вплоть до момента разрыва фибрилл отдельнoro фрагмента. Множественность актов разрушения фиксируется акустической эмиссией, уровень которой более чем в 3 раза выше, чем при разрушении углеродных волокон.

Разрушение волокон практически при всех видах механического нагружения обязательно проходит через стадию межфибриллярного расщепления волокна с последующим обрывом отдельных продольно расположенных структурных элементов.

При разрушении волокон Kevlar49 выделяется вдвое больше энергии, чем при разрушении хрупких волокон. Три четверти этой энергии расходуется на создание развитой поверхности разрушения и деформацию расщепленных волокон. Процесс разрушения высокопрочных арамидных волокон можно классифицировать как обширное аксиальное расщепление, в котором лри статическом нагружении длина трещин примерно в 70 раз превышает диаметр волокна, а в случае усталостного нагружения волокна знакопеременными нагрузками длина трещин примерно в 485 раз превышает диаметр волокна (в 7 раз больше). Такой характер разрушения волокна обусловливает многие важные эксплуатационные свойства, в том числе высокую стойкость к ударному и усталостному пагружению. При импульсном высокоскоростном растяжении для филаментов СВМ, Армос, Тwаroп характерно одноэтапное разрушение, для (филаментов Русар — трехэтапное, что резко повышает стойкость изделий на основе Русар-С, Русар НТ к пенетрации.

Исследования, проведенные на образцах «мягкой» (тканевой) брони из тканей ТСВМ (арт. ДЖ-56319) саржевого переплетения, ткани из волокон Twaron (фирма Akzo Nobel), ткани Twaros (полотно из нитей Twaron 93 текс), изготовленных на основе волокон подшлихтованых, отмытых и гидрофобизированных, показали сложность и многофакторность стойкости «мягкой» брони, которая повышается при увеличении энергоемкости тканевого материала (его прочности и деформируемости). Стойкость брони определяет комплекс свойств (деформируемый объем, его форма, поля нагружений-деформаций, коэффициенты внешнего трения, количество адсорбированной влаги, частота и амплитуда колебаний динамического «гружения, скорости распространения обратимой и необратимой деформаций) и особенно текстуру ткани. Так, искривленность нитей в ткани Twaros полотняного плетения по сравнению с тканью ТСВМ (саржа) с учетом зазора между нитями, зависящего от степени натяжения утка и основы, в 1,25 раза выше.

Важным свойством арамидных нитей (как и многих других волокнистых конструкций) является дискретность их структуры. Каждая нить состоит из множества моноволокон (филаментов). Например, в нити СВМ линейной плотностью 29,4 текс таких филаментов 200. Дискретность структуры определяет высокую стойкость нитей к изгибным напряжениям.

Малый диаметр моноволокон позволяет нитям выдерживать значительные изгибные напряжения без разрушения. В современной бронеодежде используются ткани полотняного, саржевого, сатинового (атлас) переплетения из нитей с линейной плотностью от 14 до 110 текс. Толщина тканых бронепакетов колеблется от 6-7 мм (1 класс защиты) до18-20мм (2 класс — предел текстильной брони).

Разработка тканых структур для «мягкой» брони в связи со сложностью процессов, имеющих место при динамических скоростях нагружения и интерпретации результатов испытаний, ориентируется во многом на результаты экспериментальных испытаний, которые позволяют сформулировать некоторые рекомендации:

1) эффективны пакеты из слоев тканей различного типа. Верхние слои первыми принимают на себя высокоскоростной удар и должны обеспечить максимальный отбор энергии индентора. Нижние слои не должны подвергаться пенетрации и минимизировать травмирование организма человека;
2) лицевые слои пакетов пробиваются по механизму «раздавливания», для которых необходимы ткани со структурой, которая эффективно преобразует локальное воздействие индентора в распределенный по объему конус деформации, в котором нити работают, в основном, на растяжение; 3) лицевые «жертвенные» и тыльные слои многослойного текстильного бронепакета целесообразно изготавливать из плотных тканей; толщина тканей средних слоев и количество переплетений на единицу длины нитей утка и основы должны быть меньше, чем у лицевых и тыльных слоев.

Полимерная броня из непропитанных полимерными связующими тканями с определенным плетением волокон применяется в качестве защиты от высокоскоростных ударных нагрузок конструкций вертолетов, самолетов, ГТД (защита конструкций при разрушении разделительных колец турбинных лопаток). Так, кольцевой экран толщиной 38 мм, сформированный из 75-100 слоев тканей из полиарамидных волокон, задерживает осколки разрушенного колеса с частотой вращения 6000 об/мин из ванадий-никель-хромового сплава.

К преимуществам текстильной брони, при сравнении ее с другими защитными структурами 1-2 класса защиты, следует отнести меньший вес и больший комфорт при эксплуатации изделия. Толщина тканых бронепакетов разных фирм-производителей колеблется от 6-7 мм для 1 класса защиты, до 18-20 мм — для 2-го. В составе защитных структур могут применяться демпферы различных конструкций для уменьшения травмирования организма человека.

Полимерные композиционные броневые материалы

При разработке материалов, эффективных в качестве защитных от высокоскоростных инденторных воздействий, анализ свойств полимерных композиционных материалов с полимерными волокнами, в том числе непрерывными, и тканями из них в качестве наполнителей (ВПКМ, органоволокниты и органотекстолиты на основе термореактивных или термопластичных связующих, органопластики, органиты), характеризующих их поведение при статических и динамических нагрузках со скоростью деформирования при ударе е* = 10-3 с-1 (разрушающие напряжения, трещиностойкость, коэффициенты концентрации напряжений, энергоемкость разрушения при ударе и др.), являются лишь первым шагом к оптимизации состава и структуры материалов с требуемой динамической работоспособностью при е* = 102-104 с-1.

Использование ВПКМ различного состава и структуры в качестве броневых материалов имеет ряд особенностей. Пенетрации высокоскоростного индентора в многослойные пакеты из тканей препятствуют волокна, деформирующиеся с растяжением и сжатием и поглощающие энергию удара при разрушении.

Деформации волокнистой фазы ВПКМ, зафиксированной в материале отвержденным, застеклованным связующим, ограничены, что приводит к определенному снижению показателей защитных свойств ВПКМ при воздействии высокоскоростного индентора по сравнению с показателями многослойных тканевых пакетов из волокон Kevlar, CBM, Русар. В то же время легкая формуемость полимерных композиций позволяет:

1) изготавливать защитные изделия с дискретными волокнами сложных фиксированных форм (бронешлемы, бронекаски и др.);
2) использовать ВПКМ с непрерывными волокнами и тканями в качестве наполнителей для бронезащиты от пенетрации инденторами короткоствольного стрелкового оружия, осколков или бронирования транспортных средств;
3) использовать в качестве жестких подложек в различных типах полимер-полимерной, полимер-керамической, полимер-металлической брони.

Для изготовления конструкций, предназначенных для однократного удержания высокоскоростного удара используются органо- и стеклопластики на основе «хрупких» полимерных матриц с высокой энергией разрушения. При высокоскоростном ударном воздействии накопление дефектов в ВПКМ сначала идет отдельно в матрице и волокнах (в матрице и стеклянных волокнах — хаотичная система трещин, в полимерных волокнах накапливаются аксиальные трещины с локальным обрывом фибрилл).

Разрушение полимерных волокон (Kevlar, CBM, Русар, СВМПЭ) при растяжении проходит по межфибриллярному механизму с выровом участков микрофибрилл. При увеличении деформации происходит сильная фибрилляция с отщиплением микрофибрилл с поверхности волокон.

Комбинированные (супергибридные) полимер-металлические и полимер-керамические броневые материалы и конструкции

Полимерные текстильные и композиционные материалы не эффективны для защиты от высокоскоростных (1000-1100 м/с) пуль и осколков и низкоскоростных нуль особой конструкции, раздвигающих нити в тканях, пролетающих между нитями, не разрушая их. В этих случаях защита от высокоскоростных ударных воздействий, предотвращение пенетрации защитных материалов осуществляется использованием многослойных комбинированных (супергибридных) защитных конструкций (полимер-металлическая, полимер-керамическая броня). Комбинированная броня основана на использовании различных сочетаний разных типов брони, например, слоев из тканей и металлических или керамических бронеэлементов, слоев из органопластиков с волокнами или тканями из волокон ароматических полиамидов, СВМПЭ с бронеэлементами из металлов или керамики, слоев из тканей и органо (стекло) пластиков.

Разработка комбинированных броневых конструкций — наиболее рациональный путь совершенствования средств защиты 5-6 классов защиты (по ГОСТ Р50744-95), позволяющий оптимизировать их весовые и защитные характеристики. Особенности поглощения энергии высокоскоростного удара различными материалами позволяет разделить защитную конструкцию на функциональные слои, выполняющие специфические задачи:

2) остановка индентора (остатков пули, осколков) в слоях, сформированных из полимерных волокон (тканевых пакетах). Жесткие слои из ВПКМ позволяют реализовать высокую прочность при сжатии керамических элементов, наклеенных на их поверхность, а высокая прочность органо- и стеклопластиков — существенно снизить энергию индентора. Низкая плотность полимерных слоев позволяет оптимизировать массу всей многослойной защитной конструкции.

Принцип проектирования комбинированной брони заключается в обеспечении снижения воздействия индентора до такого уровня, при котором после пенетрации индентором части защитной конструкции, его остаточная энергия уже недостаточна для пенетрации оставшихся слоев защитной конструкции. Например, если наружные слои тканевых пакетов изготавливать из высокопрочных волокон малого диаметра (бронежилеты фирмы «ФОРТ Технология»), то увеличивается размер осколков, что усложняет их пенетрацпю. В бронежилетах 5 и 6 классов защиты используются, как минимум, два типа материалов (ткани из полиарамидпых или СВМПЭ — волокон и бронеэлементы из керамики, стали, титана, алюминия). Масса м2 брони со стальными элементами составляет 50-60 кг, с керамическими (дороже в 2 раза) — 45-50 кг.