Структурированная керамическая броня

Полезная модель относится к композитным керамическим броневым конструкциям для защиты от высокоскоростных кинетических снарядов как транспортных средств и сооружений, так и человека. Броня выполнена в виде монолитно-сегментированной керамической панели с заданной топологией структурной неоднородности, полученной путем предварительного заключения внутрь панели пространственной конструкции, выполненной из листового элемента с проделанными в нем разрезами и подвергнутого непрерывной деформации с образованием между этими разрезами отверстий, заполненных в процессе формирования панели керамической массой. Техническим результатом полезной модели является повышение надежности керамической брони при многократных попаданиях в нее поражающих средств.

Полезная модель относится к композитным керамическим броневым конструкциям, которые могут использоваться в качестве средств защиты как авиационной техники, так и других транспортных средств и защитных сооружений, а также в качестве индивидуальных защитных средств от высокоскоростных кинетических снарядов.

Из уровня техники известно устройство дискретно-композитной броневой пластины для поглощения и рассеивания кинетической энергии высокоскоростных снарядов. Указанная пластина содержит одинарный внутренний слой керамических гранул, которые объединены и находятся в упругом эластичном материале таким образом, что в нескольких разнесенных друг от друга рядах и столбцах гранулы взаимосвязаны. При попадании снаряда в гранулу, она контактирует с четырьмя соседними гранулами из соседних рядов и столбцов, которые ее удерживают, воспринимая на себя часть передаваемой энергии. Рассеяние происходит путем передачи взаимодействия от первой гранулы, в которую направлен удар снаряда, к периферийным гранулам из отдаленных рядов и столбцов. (US 7117780, МПК F41H 5/02, опубликован 10.10.2006).

Недостатком такого устройства является большое, в сравнении с керамическим моноблоком, запреградное смещение дискретной композитной панели в силу невысокой эффективности процесса поглощения энергии снаряда. Это делает ее малоприменимой для средств индивидуальной бронезащиты. Дискретная композитная броня, в основном, применяется для защиты наземных транспортных средств.

В качестве ближайшего аналога выбрано известное устройство керамической брони, в котором баллистическая структура, обеспечивающая защиту от снаряда, состоит из цельной монолитной керамической пластины, имеющей выпуклую лицевую и вогнутую тыльную сторону и первоначальной группы отверстий (щелей) шириной меньше или приблизительно равной 1/10 толщины этой пластины, проходящих по всей глубине пластины, и имеющих некоторую длину отверстия. Упомянутая группа отверстий образует первоначальный узор (паттерн), состоящий из системы двумерных многоугольников, впечатанных в выпуклую лицевую сторону пластины. Каждый многоугольник первоначального типа ограничен прямыми линиями и вершинами так, что конечные точки каждой прямой, не пересекаются с конечными точками смежных прямых. Таким образом, стороны каждого многоугольника первого типа остаются открытыми при каждой вершине, а первоначальные смежные многоугольники пересекаются в одной или более, чем одна, вершине, а первоначальный узор делит пластину на множество баллистических сегментов с целью не допустить распространения трещин от снаряда на соседние сегменты, и обеспечить защиту против второго снаряда. Щели в указанном устройстве создают, например, гидроабразивной или лазерной фрезеровкой, тем самым, формируя указанные многоугольные сегменты. Известная керамическая броня может служить вставкой в бронежилет, предназначенный для защиты от поражающих элементов (снарядов), в частности легкого стрелкового оружия (US 7617757, МПК F41H 5/08, опубликован 17.11.2009).

Недостатком ближайшего аналога является то, что для единичного сегмента, подвергшегося воздействию кинетического снаряда, поглощение энергии происходит аналогично единичной керамической плитке сравнимого размера в мозаичной бронеплите, т.е. без увеличения эффективности процесса поглощения, поскольку структура сегмента однородна.

Другим недостатком ближайшего аналога является сложность и высокая стоимость затрат на получение в цельной монолитной керамической пластине щелей, предназначенных для формирования вышеописанных многоугольных сегментов. Особенно это относится к изготовлению крупноформатных объемно-криволинейных монолитных керамических броневых устройств.

Техническим результатом полезной модели является повышение надежности в эксплуатации, иными словами «живучести», керамической брони при многократных попаданиях в нее поражающих средств, благодаря обеспечению эффективности поглощения и рассеяния энергии кинетического снаряда при взаимодействии с броней, обусловленных ее внутренней структурой, обеспечивающей управляемое разрушение керамической матрицы в процессе взаимодействия с кинетическим снарядом.

Названный технический результат достигнут в полезной модели с помощью следующей совокупности признаков.

Броня выполнена в виде структурированной керамической панели с заданной топологией структурной неоднородности, полученной путем предварительного заключения внутрь панели пространственной конструкции, выполненной из листового элемента с проделанными в нем разрезами и подвергнутого непрерывной деформации с образованием между этими разрезами отверстий, заполненных в процессе формирования панели керамической массой.

Листовой элемент может быть выполнен из бумаги или картона, толщиной 50÷3000 мкм.

Кроме того, листовой элемент может быть выполнен из водорастворимой бумаги.

Также, в соответствии с другим вариантом выполнения брони, листовой элемент может быть выполнен из полимерной пленки, толщиной 25÷500 мкм.

Кроме того, листовой элемент может быть выполнен из волокнисто-керамического ровинга или из тонко- или толстолистового керамического сырья.

Согласно варианту брони, в листовом элементе может быть выполнена перфорация.

Полезная модель поясняется чертежом и фотографиями.

На фиг.1 (а, б, в) показаны некоторые из вариантов форм разрезов и прорезей, образованных в листовом элементе; на фото 1 (а, б, в) показана последовательность получения из листового элемента пространственной конструкции.

Листовой элемент 1 выполняют, например, из плоского волокнисто-керамического ровинга, тонко- или толстолистового керамического сырья, бумажного листа, ткани, пленки, или комбинации указанных материалов. До выполнения разрезов на листовой элемент могут наносить, в том числе путем напыления, реакционно-способные в отношении керамической массы вещества.

В листовом элементе 1 выполняют разрезы и/или прорези 2 (фиг.1a; фото 1а). Листовой элемент 1 с разрезами и/или прорезями 2 подвергают непрерывной, т.е. без разрывов, пространственной деформации путем осуществления одной из нижеперечисленных операций: сдавливания, растягивания, скручивания, изгибания или совмещения некоторых из перечисленных операций. Деформация, как указывалось, ведется без разрывов элемента 1 по линиям разрезов и/или прорезей.

Показанный на фото 1 листовой элемент 1 подвергают деформации путем его растягивания в ширину с образованием пространственной конструкции 3 (фото 1б), которую фиксируют механическим путем или с помощью подходящего для этих целей вещества, например, компаунда, клея и т.п. (фото 1в). После чего зафиксированную пространственную конструкцию 3 помещают в пресс-форму.

В пресс-форму подают сухой порошкообразный или мокрый субстрат, содержащий керамическую массу (в т.ч. вяжущие цементы), который заполняет пресс-форму вместе с указанной пространственной конструкцией 3. Полученную заготовку могут подвергать прессованию или иному механическому воздействию, например, вибрации, которое компактизирует субстрат с целью получения керамического компакта.

Керамический компакт, в зависимости от рецептуры субстрата и процесса керамизации, может быть подвергнут или не подвергнут обжигу. После завершения процесса керамизации получают керамическую броню с заданной топологией структурной неоднородности.

При деформации листового элемента 1, имеющего разрезы, образуется регулярная структура, которая после описанных выше процедур формирования компакта, образует в керамическом компакте 6 топологическую структуру пространственно-связанных неоднородностей. Указанные неоднородности в монолитном броневом элементе являются зоной управляемого разрушения в процессе диссипации энергии удара кинетическим снарядом. Это происходит вследствие того, что скорость распространения упругих колебаний в керамическом монолите дифференцирована по значению (выше или ниже) в матрице и в зоне неоднородности.

На границах участков монолита с разным акустическим импедансом происходит ударно-волновая интерференция упругих колебаний. Управление интерференцией производится за счет задания в керамической матрице топологии структурной неоднородности. При этом удается получить оптимальное значение размеров и форм регулярных структур неоднородностей в керамическом монолите.

На фиг.1 показаны некоторые варианты разрезов и/или прорезей, обеспечивающих последующую деформацию листового элемента 1, для получения керамической брони с заданной топологией структурной неоднородности. Например, на фиг.1а показана плоскостная фигура с параллельными разрезами и прорезями 2, подобная образцу, показанному на фото 1, а также с наличием дополнительных перфораций 7, предназначенных для получения крупных регулярных сегментов для деталей изделия среднего и большого формата, подобного представленному выше ближайшему аналогу.

Технический результат полезной модели обеспечивается благодаря управляемому разрушению единичных сегментов, для чего используются, в частности, плоскостные фигуры с прямолинейными прорезями 5 или прорезями в виде логарифмической спирали 6, подобные тем, что показаны на фиг.1б и фиг.1в соответственно, позволяющие получить в процессе взаимодействия брони с кинетическим снарядом динамическое возникновение субструктурных элементов керамической матрицы с поведением, подобным указанному ранее ближайшему аналогу. При этом в предложенной монолитной керамической броне с заданной топологией структурной неоднородности обеспечивается минимизация запреградного смещения.

1. Броня, выполненная в виде структурированной керамической панели с заданной топологией структурной неоднородности, полученной путем предварительного заключения внутрь панели пространственной конструкции, выполненной из листового элемента с проделанными в нем разрезами, подвергнутого непрерывной деформации с образованием между этими разрезами отверстий, заполненных в процессе формирования панели керамической массой.

2. Броня по п.1, отличающаяся тем, что листовой элемент выполнен из бумаги или картона толщиной 50÷3000 мкм.

3. Броня по п.2, отличающаяся тем, что листовой элемент выполнен из водорастворимой бумаги.

4. Броня по п.1, отличающаяся тем, что листовой элемент выполнен из полимерной пленки толщиной 25÷500 мкм.

5. Броня по п.1, отличающаяся тем, что листовой элемент выполнен из волокнисто-керамического ровинга.

6. Броня по п.1, отличающаяся тем, что листовой элемент выполнен из тонко- или толстолистового керамического сырья.

7. Броня по п.1, отличающаяся тем, что в листовом элементе выполнена перфорация.