Корундовая бронекерамика:опыт производства и применения

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.

МатериалСвойства
Ρ, кг/м³Нк, ГПаσр, МПаЕ, ГПаТ, КМ, ГПа²м³      
Карбид бора горячепрессованный25003030045033005,4
Оксид алюминия спечённый3900380018163703503903402320 1,91,8
Диборид титана горячепрессованный45003335057034004,2
Карбид кремния самосвязанный31202120041033002,8
Сталь78003,5300021019500,1

    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 керамикиР, г/см³Сl·10ˉ ³, м/сЕ, ГПаНv, ГПаНR, HRAК1с, МПа·м½.Д·10ˉ¹², сˉ¹
β-BN3,4015,683045_4,112,4
AlB122,6012,540537942,88,6
B4C2,4713,041539963,36,9
CaB62,3211,032526902,74,8
AlN3,279,328015911,74,5
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/см³СтоимостьСырьяруб./кг Стоимость изделий руб./кгЭквивалент. поверхност. плотность кг/м²Цена втыс. руб   за м² Соотношение цен
Карбид бора2,56001200019      2289,5
Карбид  кремния3,21205000221104,6
Корунд3,925100024       241,0

       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.           

СвойстваЕд. измеренияАД 90Z-Plus 94АД-96Fσ-98CAP 4CAP 3
Содержание оксида алюминия%9094969898,599,5
Плотностьг/см³3,603,703,723,803,803,90
Прочность при изгибеМПа338352358375375379
Модуль упругостиГПа276303303350350370
Коэффициент Пуассона 0,220,210,210,220,220,22
Прочность при сжатииМПа248221032068250025002600
ТвёрдостьГПа Кнупп 1000гр10,411,511,513,713,714,1
Роквелл 4N757878828283
Вязкость разрушенияМПа·м½3 – 44 – 54 – 54 – 54 – 54 – 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»

СвойстваЕд. изм.
АЛ 1АЛ 2АЛ 3АЛ 1 М
Содержание Al2O3%97,095,094,095,0
Плотностьг/см³3,853,853,703,91
Пористость открытая%0000
Модуль упругостиГПа340350310375
Скорость звукам/с9600965093009800
ТвёрдостьHV15,015,514,218,0
HRA89898890
Прочность при:- изгибе-сжатииМПа250280300400
1500168018002100
Вязкость разрушенияМПа·м½3,84,04,25,6

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 выпускаЧисло волновых пробегов до разрушения
«Gumi», Индия, 200822,0                             
АЛ1М «АЛОКС» 201121,0
АЛ1 «АЛОКС» 201117,1
АЛ3 «АЛОКС»201116,5
«Barat», Германия, 200815,1
«ОНПП «Технология», г.Обнинск, 200615,2
«Прогресс», г. Ухта, 200614,7
«НЭВЗ-Союз», г. Новосибирск, 200812,2

 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). 

47.12

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».

47.3

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. 

47.4

    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.

47.5
47.6

Добавить комментарий