Бесплатный звонок по России

8 (800) 700 38 05

Новости

Жидкая броня

15 января, 2010 г.

Краткие экспериментальные результаты оценки информации по теме «Жидкая броня»,
(проведено НПФ «ТЕХИНКОМ» в рамках НИР. 2005г.)

Задача создания эластичной бронеодежды с изменяющейся жесткостью по сей день находится у разработчиков в стадии постановки. Интерес к этому направлению наметился с 2000 года, когда в средствах массовой информации, в специальных публикациях и в Интернете  появились сообщения о положительных результатах поисков в этой области.

Анализ литературных и патентных источников США за последние 20 лет показал интерес промышленности к, так называемым, STF – (shear-thickening liquids) или STC (shear-thickening compositions) – вязким жидкостям, проявляющим инвертированные квази-тиксотропные свойства. Скачкообразное увеличение вязкости при превышении давления или скорости сдвига выше некоторого критического – имеет название ST (shear-thickening) эффект.

Первые публикации по теме ST- эффекта относятся к периоду 1972-75 гг. (Lee, Reder, Hoffman).
Основные публикации по теме "жидкая броня" в литературе и Интернете являются ссылками, и обсуждением работы "Совершенная индивидуальная бронезащита с применением ST – жидкостей" авторов Y.S Lee, R.G. Erges, N.J.Wagner (Центр композитных материалов и отдел химического инжиниринга Делаверского университета), E.D. Wetzel (Армейская исследовательская лаборатория и Отдел разработки вооружения и материалов Абердинского полигона США).

Авторами работы сделаны следующие выводы:
– баллистическая стойкость ткани Кевлар улучшается под влиянием пропитки ST-жидкостью;
– сравнение с пропиткой обыкновенными Ньютоновскими жидкостями показало, что именно наличие ST-эффекта является необходимым условием для увеличения баллистической стойкости;
– величина поглощения энергии пропорциональна объему жидкости в пакете; 
– пропитанный ST жидкостью пакет баллистической ткани по сравнению с равновесовым сухим показывает почти одинаковую баллистическую стойкость, однако, при меньшем числе слоев и большей гибкости;
– эффект улучшения баллистических свойств при пропитке пакета ткани ST-жидкостью объясняется возрастанием усилия трения между нитями вследствие скачкообразного возрастания вязкости жидкости при росте сдвиговой нагрузки под воздействием поражающего элемента.

Анализ других публикаций позволяет выделить и иные принципы получения эластичных защитных структур с изменяющейся жесткостью при баллистическом воздействии и, вместе с тем, обозначить круг вопросов, требующих ответа для продолжения  исследований.

В связи с изложенным, целью проведенной работы являлась оценка воспроизводимости и практической значимости опубликованных результатов исследований, и поиск альтернативных путей получения эффективной эластичной баллистической защиты.

В экспериментальной части решались следующие задачи:

1.2.1 Провести с применением отечественных материалов эксперимент по  оценке влияния пропитки ST-жидкостью на собственно баллистическую (противоосколочную) стойкость пакета ткани Русар.
1.2.2 Оценить влияние ST-жидкости на противоконтузионные свойства тканевого пакета ОПЗ.
1.2.3 Провести экспериментальное сравнение  влияния пропитки эластичными полимерными составами и ST-жидкостью на защитные характеристики мягких композиций – противоосколочную стойкость и ЗЛКТ с целью выявления отличий в механизмах воздействия поражающего элемента на преграды обоих типов.
1.2.4 Определить направления дальнейших работ в части исследования возможности создания трансформирующейся эластичной защиты.

В качестве основы эластичной структуры с изменяющейся жесткостью взяты пакеты баллистической арамидной ткани Русар арт. 56319 из 30 слоев, обеспечивающие противоосколочную стойкость V50>550 м/сек.

В качестве состава, обеспечивающего ST – эффект, применялась композиция  аналогичная примененной в работе Y.S Lee, R.G. Erges, N.J. Wagner,  E.D. Wetzel: этиленгликоль – оксид кремния в соотношении, близком к 1:1.

В качестве альтернативных пропиточных составов применялись: тиксотропная композиция на базе силиконового каучука, сохраняющая постоянную вязкость неограниченное время, клеи термоэластопласты постоянной липкости расплавного и водоэмульсионного  способов нанесения, полиуретановая водно-эмульсионная дисперсия.

В качестве альтернативной баллистической структуры исследовалась многослойная ортотропная UD-структура на основе некрученых нитей Русар и клеевых составов. Приготовление UD-структур проводилось на специальной опытной установке для изготовления однонаправленного препрега из некрученых нитей (см. рисунок 1).


Рис. 1 – Опытная установка НПФ «ТЕХИНКОМ» для получения UD-структур из арамидных волокон; отработка процесса получения UD-структур из комплексных нитей Тварон.

Полученные таким образом однонаправленные ленты-препреги послойно укладывались под углом 0о/90о в пакеты и прессовались при температуре 120-160оС и давлении 5-10 кг/см2 для получения структуры заданной поверхностной плотности (см. рисунок 2).

 

Рис. 2. Материалы на основе UD-структур из арамидных волокон Тварон (4) и Русар (1-8):
1. рулонный UD-слой на основе некрученой нити Русар;
2. рулонный ортотропный материал Русар на основе двух UD-слоев;
3. рулонный UD-слой на основе некрученой нити Русар с прослойкой ПЭ пленкой;
4. UD-структура на основе нити Тварон;
5. ортотропный препрег из двух UD-слоев Русар;
6. разреженный ортотропный препрег Русар;
7. многослойная ортотропная эластичная баллистическая структура Русар на основе UD-слоев;
8. многослойный ортотропный жесткий композит на основе UD-слоев и ПУ связующего.

В качестве показателя, характеризующего противоосколочную стойкость  композиции, принималась средняя скорость осколков, обеспечивающая непробитие защитной композиции с 50% вероятностью.

Анализ результатов определения противоосколочной стойкости защитных композиций подтверждает в целом известный ранее факт об отрицательном влиянии пропиток тканевых пакетов на противоосколочную стойкость

Образец, представляющий собой пакет, пропитанный дисперсией частиц окиси кремния наноразмеров в этиленгликоле, по сути, повторяющий эксперимент, описанный в обсуждаемой работе, а также образец, в котором SiO2 заменен на дисперсию Al2O3 с размерами частиц на 1-2 порядка более крупными показали одинаково низкий результат.

Обсуждение полученного результата с позиций работы не представляется возможным, поскольку в работе не приводятся данные по показателю V50, являющемуся базовым при определении баллистических свойств мягких защитных пакетов.

Результаты оценки противоконтузионных свойств защитных композиций не дают дополнительной информации о существовании позитивной аномалии свойств пакетов ткани, пропитанных композицией этиленгликоль-окись кремния. При обстреле из пистолета ПМ в одинаковых условиях защитные композиции вели себя весьма сходно – в отсутствие вентилирующе-амортизирующего подпора (ВАПа) контузия по методикам на желатине и пластилине превышала допустимую вторую степень. Соответственно, при использовании стандартного для российских бронежилетов ВАПа (15-20 мм пенополиэтиленовых валиков) степень контузии понижалась до допустимой и ниже. Конфигурация вмятины в пластилиновом блоке при использовании ВАПа претерпевает изменения в сторону расширения по площади и уменьшения по глубине. Аналогичная картина наблюдается для UD-структуры с отличиями в меньшую сторону геометрических параметров, обусловленных малой деформируемостью распрямленных, уложенных параллельно высокомодульных волокон в слоях.

Следует учесть, что условия эксперимента по изучению влияния ST-эффекта на баллистические свойства ЗК не могут быть полностью идентичными условиям процитированной работы, особенно в части приготовления образцов, однако критерии, приведенные в ней, а именно: вид частиц их размеры, концентрация и вид дисперсионной среды воспроизведены, на наш взгляд, полностью. Более детальных характеристик исследованной ST-композиции в обсуждаемой работе не приводится.

Что касается UD-структур, то обращает на себя внимание устойчивый результат по показателю V50, укладывающийся в требования ТТЗ на современные отечественные бронежилеты при содержании арамида до 40% меньшем, чем в серийных защитных композициях на основе ткани Русар арт. 56319. В частности, образец представляет, на наш взгляд, интерес с пропиткой неотвержденным силиконовым составом, поскольку наряду с удовлетворительной противоосколочной стойкостью обладает практической гидрофобностью т.к. пористая гидрофильная волокнистая структура Русар полностью изолирована от доступа влаги, находясь в слое гидрофобного силиконового полимера. Неотвержденный силиконовый состав, обладая одним из самых низких показателей поверхностного натяжения, идеально смачивает поверхность волокон, заполняет все межволоконное пространство и вытесняет воздух и влагу даже в случае временного нарушения целостности покровного слоя.

Заключение.

1. Проведен с применением отечественных материалов эксперимент по оценке влияния пропитки ST-композицией на противоосколочную баллистическую стойкость пакета ткани Русар. Полученные на сегодня данные свидетельствуют об отрицательном влиянии указанной пропитки на баллистическую стойкость пакета.

2. Оценено влияние ST-композиции на противоконтузионные свойства тканевого пакета ОПЗ. Результат не подтверждает опубликованные выводы.

3. Отрицательные результаты, полученные в данной работе, не являются окончательными. Они могут являться следствием:
– не идентичности условий приготовления образцов и проведения эксперимента с условиями прототипа;
– ошибочного выбора авторами публикации назначения применения ST-эффекта и некорректной постановки эксперимента и выводов.

Вызывает возражение применение авторами терминов "баллистические испытания" и "баллистическая стойкость" при описании проведенного ими эксперимента и трактовке результатов. Испытания имитатором осколка, проведены авторами на скоростях ниже баллистического предела. Следовательно, влияние ST-пропитки на бронепробиваемость мягкого пакета не изучалось. Т.е. собственно баллистические свойства не исследовались, и выводы сделаны лишь на основании качественного сравнительного изучения диссипативных свойств пакетов ткани Кевлар с пропиткой ST-составом и без нее. Результат, подтвержденный экспериментом в работе, может свидетельствовать о возможности снижения закрытой локальной контузионной травмы (ЗЛКТ) при использовании пропитки ST-жидкостью. Однако, как уже отмечалось выше, хорошо известны данные, об улучшении диссипативных свойств защитных пакетов ткани при пропитке составами, обладающими вязкоэластическими свойствами. Пропитка эластичными полимерными составами позволяет обеспечить удовлетворительные эксплуатационные свойства, поскольку влияет на гибкость пакета в допустимых пределах. В то же время, при тупом ударе механически застеклованный полимер способствует распределению энергии по поверхности, снижая плотность энергетического воздействия и ЗЛКТ.
Даже насыщенный водой пакет баллистической ткани, при тупом ударе, в некоторых диапазонах воздействующих скоростей и масс может проявлять более высокие диссипативные свойства. Это объясняется увеличением доли инерционной составляющей защиты благодаря возрастанию массы пакета, а также проявлением вязкоэластического поведения низковязкой в нормальных условиях жидкости (воды) при истечении под большим давлением через систему микрокапилляров, образованных межволоконным пространством. Однако противоосколочная стойкость и устойчивость пакетов ткани, пропитанных полимерами, и, тем более, мокрых к проколу острым индентором снижается. Поэтому возникает противоречивая постановка задачи. С одной стороны, необходима эластичность брони для удобства эксплуатации и задержания низкоэнергетических поражающих элементов – мелких осколков и пистолетных пуль. С другой стороны – необходима жесткость для перераспределения энергии на большую поверхность для снижения ЗЛКТ от пистолетных пуль и пуль длинноствольного оружия при непробитии защитной композиции, включающей бронепанели различной конструкции. Противоречивость задачи может быть снижена именно пакетом с изменяющейся жесткостью.

4. Исследования ST-эффекта и разработки защитных структур необходимо продолжить в рамках отдельной НИР с целью точного определения областей и возможностей практического применения.

5. Проведено экспериментальное сравнение влияния эластичных полимерных составов на защитные характеристики гибких защитных структур – тканевых и UD. Установлено преимущество UD-структур перед тканевыми. Равновесовые UD и тканевые защитные структуры демонстрируют близкие результаты по противоосколочной стойкости при значительно меньшем (20-40%) содержании арамидных нитей в UD-структуре, что представляет практический интерес. Благодаря более низкому содержанию арамидов технико-экономические показатели UD-структур при производстве эластичных бронепанелей и подложек для композитных керамических бронепанелей  являются более перспективными.

6. Проведенные исследования позволили наметить исследования в части изучения ST-композиций и изучения возможности создания трансформирующейся эластичной защиты, а также один из путей дальнейшего совершенствования защитных структур для СИБ с применением UD-технологии.

Все новости