Г.П. ЗАЙЦЕВ компания «АЛОКС» С.Петербург.
В последние десятилетия керамические материалы находят всё большее применение в составе композитной брони для защиты личного состава и военной техники. Это обусловлено комплексом уникальных свойств керамических материалов – низкой плотностью (в 2 – 3 раза ниже, чем у стали), высокой твёрдостью (в 1,5 раза выше, чем у стали), высоким модулем упругости, достаточной прочностью, для отдельных видов брони – радиопрозрачностью. Причём наиболее успешно по сравнению с металлами керамика используется для
бронезащиты от наиболее тяжёлых видов воздействия – бронебойных пуль и снарядов. Так, например стандартная толщина стальной брони от калибра 7,62мм.составляет 15,5мм. и, соответственно, вес одного кв.метра такой брони (поверхностная плотность) составляет 15,5мм.х 7,8г/см куб. = 121кг/м.кв., в то время как при толщине в 9мм. корундовой керамики АЛ1 поверхностная плотность композита составляет 40кг/м.кв., т.е. в три раза легче.
Выполняя роль дробяще-отклоняющего слоя в составе композитной брони, керамические материалы позволяют снизить её вес и повысить эффективность бронезащиты. Повышение эффективности композитной брони с использованием керамических материалов во многом обусловлено оптимальным сочетанием дробящего керамического слоя и энергопоглощающей подложки из полиматериалов – стали, алюминия, титана, стекло- и органопластиков (рис. 1).
Высокотвёрдая преграда конечной толщины во время дробления сердечника разрушается сама. Область разрушения может иметь различную форму: цилиндр, усечённый конус и т.п. После разрушения преграды продолжает двигаться не пуля массой М и скоростью V, а поток осколков пули и брони массой Мф и средней скоростью Vф. Особенность данного явления в том, что кинетическая энергия потока осколков Еф меньше, чем кинетическая энергия пули Е.
Величина Мф определяется объёмом разрушенной зоны, которая обычно имеет форму усечённого конуса с углом при вершине 2α. Масса дробящего слоя, вовлечённая в движение потока осколков, зависит от радиуса пули R и величины угла α.
Таким образом, дробящий эффект заключается в рассредоточении усилий, воспринимаемого бронёй, на большую площадь контакта, а также в поглощении части энергии пули за счёт разрушения преграды и вовлечения разрушенного объёма дробящего слоя в движение. Кинетическая энергия потока осколков в этом случае меньше исходной энергии пули на величину ∆Е = Е – Еф.
Систематические исследования А.Б. Синани, Г.С. Пугачёва показали, что в общем балансе энергии, затраченной на пробитие пластины из керамики, собственно процесс её хрупкого фрагментирования составляет 2 – 3%, остальное связано с кинетической энергией разлетающихся осколков (40 – 45%) и деформированием ударника (45 – 50%). Несмотря на малую долю энергии, связанной с разрушением самой преграды, именно её свойства во многом определяют протекание процесса пробития.
Из анализа результатов многочисленных экспериментов следует, что чем больше твёрдость, модуль упругости и прочность керамики, тем более эффективно происходит разрушение пули.
Впервые требования к пригодности материала в качестве бронезащитного были предложены Ж.Ж. Стиглицем в виде эмпирического критерия М = ЕНк/ρ, где Е – модуль упругости, Нк – твёрдость по Кнупу, ρ – плотность. При этом им были сделаны следующие ограничения по свойствам: Е – не менее 280 ГПа, Нк – не менее 20 ГПа и ρ – не более 3000 кг/м². в наибольшей мере этому критерию и свойствам удовлетворяют материалы таблицы1.
Таблица 1.
| Материал | Свойства | |||||
| Ρ, кг/м³ | Нк, ГПа | σр, МПа | Е, ГПа | Т, К | М, ГПа²м³ | |
| Карбид бора горячепрессованный | 2500 | 30 | 300 | 450 | 3300 | 5,4 |
| Оксид алюминия спечённый | 39003800 | 1816 | 370350 | 390340 | 2320 | 1,91,8 |
| Диборид титана горячепрессованный | 4500 | 33 | 350 | 570 | 3400 | 4,2 |
| Карбид кремния самосвязанный | 3120 | 21 | 200 | 410 | 3300 | 2,8 |
| Сталь | 7800 | 3,5 | 3000 | 210 | 1950 | 0,1 |
С увеличением параметра М ударостойкость керамики возрастает. Более резкую зависимость от параметра К1с демонстрирует расчётный критерий способности керамических бронезащитных материалов к рассеянию и поглощению кинетической энергии ударника (Д), предложенный В.С. Нешпором, Г.П. Зайцевым, А.Л. Майстренко.
Д = 0,36НvClЕ/ К1с² , где (2)
Нv – твёрдость по Виккерсу, ГПа;
Cl – скорость распространения акустических волн, м/с;
Е – модуль упругости, ГПа;
К1с – критический коэффициент интенсивности напряжений МПа·м½.
Используя полученную зависимость, авторы расчётным путём определили группу керамических материалов, перспективных для использования в качестве ударостойких преград (таблица2).
Таблица 2.
Физико-механические свойства некоторых ударостойких керамик
| Состав керамики | Р, г/см³ | Сl·10ˉ ³, м/с | Е, ГПа | Нv, ГПа | НR, HRA | К1с, МПа·м½. | Д·10ˉ¹², сˉ¹ |
| β-BN | 3,40 | 15,6 | 830 | 45 | _ | 4,1 | 12,4 |
| AlB12 | 2,60 | 12,5 | 405 | 37 | 94 | 2,8 | 8,6 |
| B4C | 2,47 | 13,0 | 415 | 39 | 96 | 3,3 | 6,9 |
| CaB6 | 2,32 | 11,0 | 325 | 26 | 90 | 2,7 | 4,8 |
| AlN | 3,27 | 9,3 | 280 | 15 | 91 | 1,7 | 4,5 |
| Al2O3AЛ 1 | 3,85 | 9,7 | 360 | 16,0 | 88 | 3,4 | 1,7 |
Наряду с перспективными, но достаточно экзотичными материалами типа додекаборид алюминия, гексаборид кальция, кубический нитрид бора, в таблице 2 представлены наиболее широко применяемые бронекерамики на основе карбидов бора и кремния, оксида алюминия.
Вопрос выбора того или иного керамического материала в составе композита для бронезащиты наряду с техническими и технологическими качествами изделий из этого материала (способность противостоять искомому воздействию, форма и размеры конструкционной сборки), предполагает также и стоимость бронезащиты.
Для сравнения массогабаритных характеристик, эквивалентных по своей эффективности материалов, Синани и сотр. установлена зависимость:
Pi = Po√ρki/ρko ; hi = ho√ρko/ρki (3)
Где Pi = ρki· hi, Po = ρko· ho – поверхностные плотности данного материала и материала выбранного в качестве эталонного; hi, ho – толщины этих материалов.
Из выражений (3) следует, что материалы с меньшей плотностью дают выигрыш по массе, но имеют большие габаритные размеры. Например, если в качестве эталонного взять широко распространённый карбид бора плотностью ρko = 2,4 г/см³, толщиной ho = 8 мм, поверхностной плотностью Po = 1,9 г/см², то эквивалентная по стойкости ему пластина из корунда плотностью ρk1 = 3,9 г/см³ должна иметь толщину hk1 = 6,3 мм и поверхностную плотность P1 = 2,4 г/см², а из SiC 6,9 мм и 2,2 г/см².
Сравнительные технико-экономические показатели различных керамических бронематериалов представлены в таблице 3.
Таблица 3
Сравнительно технико-экономические показатели различных керамических бронематериалов.
| Материал | Плотностьг/см³ | СтоимостьСырьяруб./кг | Стоимость изделий руб./кг | Эквивалент. поверхност. плотность кг/м² | Цена втыс. руб за м² | Соотношение цен |
| Карбид бора | 2,5 | 600 | 12000 | 19 | 228 | 9,5 |
| Карбид кремния | 3,2 | 120 | 5000 | 22 | 110 | 4,6 |
| Корунд | 3,9 | 25 | 1000 | 24 | 24 | 1,0 |
Таким образом, по соотношению «цена : качество» корундовый материал является оптимальным, с чем и связан значительный объём его применения в бронезащитных композициях.
Это объясняется, прежде всего, доступностью сырья (бокситы), хорошо отработанной технологией получения глинозёма – исходного материала для корундовой керамики, позволяющей получать десятки тысяч тонн этого материала. Тем не менее для получения качественного материала используют только малощелочные глинозёмы с высоким содержанием α-формы Al2O3-корунда (не менее 95%). Помимо дешевизны относительно карбидов бора и кремния исходного сырья, сама технология более экономична и доступна, прежде всего с точки зрения энергетики. Кроме того, технология позволяет обеспечить автоматизацию процессов прессования при значительных объёмах и непрерывность процесса обжига. Возможность легирования оксида алюминия различными неорганическими добавками позволяет направленно регулировать физико-механические свойства сплавов в широком диапазоне, при этом варьируя и технологические параметры процесса получения материала, оптимизируя их по затратам. Крупнейшие западные фирмы-производители «Етек», «Морган Матрок», «Курс-Тек» и др. имеют достаточно стандартный набор корундовых керамик для бронезащиты в зависимости от вида воздействия (таблица 4).Обращает на себя внимание достаточно широкий диапазон плотности и твёрдости выпускаемых корундовых материалов, что характерно для западных фирм.
В отечественной практике, как правило, применяли корундовые материалы, ранее разрабатываемые для задач электронной промышленности (типа ВК-94-1).
Таблица 4.
Свойства керамических бронематериалов марки Cera shield фирмы Coors Tek.
| Свойства | Ед. измерения | АД 90 | Z-Plus 94 | АД-96 | Fσ-98 | CAP 4 | CAP 3 |
| Содержание оксида алюминия | % | 90 | 94 | 96 | 98 | 98,5 | 99,5 |
| Плотность | г/см³ | 3,60 | 3,70 | 3,72 | 3,80 | 3,80 | 3,90 |
| Прочность при изгибе | МПа | 338 | 352 | 358 | 375 | 375 | 379 |
| Модуль упругости | ГПа | 276 | 303 | 303 | 350 | 350 | 370 |
| Коэффициент Пуассона | 0,22 | 0,21 | 0,21 | 0,22 | 0,22 | 0,22 | |
| Прочность при сжатии | МПа | 2482 | 2103 | 2068 | 2500 | 2500 | 2600 |
| Твёрдость | ГПа Кнупп 1000гр | 10,4 | 11,5 | 11,5 | 13,7 | 13,7 | 14,1 |
| Роквелл 4N | 75 | 78 | 78 | 82 | 82 | 83 | |
| Вязкость разрушения | МПа·м½ | 3 – 4 | 4 – 5 | 4 – 5 | 4 – 5 | 4 – 5 | 4 – 5 |
ООО «АЛОКС» организовано технологами-материаловедами, имеющими многолетний опыт разработок в отраслевой науке и освоения производства специальных керамических материалов и изделий на их основе. На базе отечественных материалов и оборудования разработана технология и освоено производство изделий из корундовой керамики различного назначения, в том числе именно для задач бронезащиты. Регулируя состав и технологические параметры процессов помола, формования и спекания была достигнута возможность регулирования микроструктуры и свойств корундовых материалов, что позволило дифференцировать их по свойствам (плотности, твёрдости, вязкости разрушения, прочности), ( табл.5) технологичности и оптимизировать их применение в составе композитов с различными подложками. Впервые была показана возможность использования полученных корундовых материалов в составе радиопрозрачной брони для защиты антенных конструкций.
Таблица 5
Корундовые материалы ООО «Алокс»
| Свойства | Ед. изм. | ||||
| АЛ 1 | АЛ 2 | АЛ 3 | АЛ 1 М | ||
| Содержание Al2O3 | % | 97,0 | 95,0 | 94,0 | 95,0 |
| Плотность | г/см³ | 3,85 | 3,85 | 3,70 | 3,91 |
| Пористость открытая | % | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Модуль упругости | ГПа | 340 | 350 | 310 | 375 |
| Скорость звука | м/с | 9600 | 9650 | 9300 | 9800 |
| Твёрдость | HV | 15,0 | 15,5 | 14,2 | 18,0 |
| HRA | 89 | 89 | 88 | 90 | |
| Прочность при:- изгибе-сжатии | МПа | 250 | 280 | 300 | 400 |
| 1500 | 1680 | 1800 | 2100 | ||
| Вязкость разрушения | МПа·м½ | 3,8 | 4,0 | 4,2 | 5,6 |
Анализируя физико-механические свойства отечественных и импортных образцов (таблица 4,5), можно отметить их близость, что также подтверждает и опыт проведения сравнительных баллистических испытаний образцов как у нас в стране, так и за рубежом.
Согласно методике НИИ стали при определении баллистических свойств материала учитывают число волновых пробегов до разрушения, характерного для конкретного материала при воздействии пули Б-32 со штатными скоростями. По данным И. А. Беспалова (табл.6) отечественные корундовые материалы в основном близки по качеству зарубежным аналогам.
Таблица 6
Баллистические свойства некоторых керамических материалов на основе корунда
| Производитель, год выпуска | Число волновых пробегов до разрушения |
| «Gumi», Индия, 2008 | 22,0 |
| АЛ1М «АЛОКС» 2011 | 21,0 |
| АЛ1 «АЛОКС» 2011 | 17,1 |
| АЛ3 «АЛОКС»2011 | 16,5 |
| «Barat», Германия, 2008 | 15,1 |
| «ОНПП «Технология», г.Обнинск, 2006 | 15,2 |
| «Прогресс», г. Ухта, 2006 | 14,7 |
| «НЭВЗ-Союз», г. Новосибирск, 2008 | 12,2 |
С 2000 г. взамен бронежилета 6Б5 на основе карбида бора на вооружение Российской армии была принята модель 6Б13 разработки НПФ «Техинком», которая предназначена для защиты по 6А классу по ГОСТ Р 50744-95 и стандарту министерства юстиции США NIJ 01.01.04. Жилет снабжён грудной и спинной бронепанелями «Гранит-4» массой 3,1 кг площадью 7,5 дм² (рис. 2).
Панели «Гранит-4» представляют собой мозаику из корундовых плит материала АЛ1 компании «АЛОКС» размером 50х50х9 R (410,265), напрессованную на подложку из арамидной ткани «Русар».
Сравнение эксплуатационных характеристик отечественного бронежилета 6Б43 с самым современным бронежилетом армии США модели IOTV , боевая эксплуатация которого начата в 2010 году, показало, что отечественный бронежилет при близких масса –габаритных параметрах обладает большей пробивной устойчивостью, в том числе и к бронебойно-зажигательным боеприпасам.(рис.3) При этом следует учесть , что импортный бронеблок состоит из дорогостоящих карбида бора и специальных волокон из полиэтилена.
Компания «АЛОКС», имеет стабильный опыт применения своей продукции для задач защиты по 6а классу по ГОСТ Р 50744-95(СВД, 7,62 мм ,Б32,10 м) , NIJ(США) и DIN(ФРГ) в составе композитов «керамика-сталь» , «керамика-алюминий» , «керамика- органо-и стеклопластики»
. Для сравнения, 6а класс защиты достигается при толщине бронестали 15,5 мм и при поверхностной плотности 121 кг в кв.метре , в то время как керамика АЛ1 в толщине 9 мм в составе композита обеспечивает поверхностную плотность всего 41 кг на кв.метр, т.е. в 3 раза легче. Этот эффект еще больше возрастает при увеличении калибров ударника и его твердости.
Наряду с традиционно рименяемыми пластинами той или иной формы, для вышения живучести блока может быть использована т.н. «дискретная броня», в которой керамические сфероцилиндры закреплены в пластичную органическую матрицу.
Это позволяет при повышении в 4-5 раз живучести, изготавливать конструкции сложного профиля. Новый ассортимент керамических изделий успешно испытан и находится в стадии освоения.(Рис.4)
Это подтверждено также многолетним опытом поставок керамических пластин разных форм и размеров для защиты техники по стандарту STANAG 4565 (3и4 уровни). Ассортимент выпускаемых защитных элементов разнообразен и зависит от требований заказчика по качеству и точности изготовления. Более 20 лет стабильна потребность в пластинах 50х50 мм, толщиной от 6 до 12 мм, чаще всего арочного типа с радиусом изгиба 265 и 410 мм, пластинах 100х100х14,5 мм, в т.ч. фасонного профиля. Этот ассортимент изделий составляет с 2004 года от 7 до 10 тонн ежегодно и поставляется в рамках государственных контрактов под контролем представительства заказчика Объем поставок в рамках поисковых работ по НИР и ОКР с рядом заинтересованных в 2011 году составил 5 тонн. Полученные положительные результаты применения керамик компании ,,АЛОКС,, позволяют прогнозировать увеличение объема поставок в 2012 году на 50-70%,а в 2013- 2014 гг. в 2-3 раза.
Существующие мощности фирмы позволяют увеличить объемы производства защитной керамики (в зависимости от ассортимента) до 50 тонн в год.
Перспективным и уникальным является разработанный керамический материал, который наряду
с защитными свойствами, обладает радиопрозрачностью, что делает его перспективным для защиты антенных конструкций.
Технологический опыт и технические возможности компании позволяют также изготавливать изделия сложной формы и высокой точности, такие, например, как нитепроводники для химических волокон и проволоки (рис.5),сопла для распыления ядохимикатов ( рис.6) 00000000000,детали нефтяной и химической арматуры. Этот ассортимент изделий из корундовой керамики ранее был широко востребован и при экономической целесообразности может быть восстановлен. Также компания «АЛОКС», всегда готова к освоению новых видов продукции.
Be the first to comment on "Корундовая бронекерамика:опыт производства и применения"