elektronik sigara Корундовая бронекерамика:опыт производства и применения

A+ A A-

Корундовая бронекерамика:опыт производства и применения

Оцените материал
(11 голосов)

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

3900

3800

18

16

370

350

390

340

2320

 

1,9

1,8

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 = Poρki/ρko ;   hi = hoρko/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 

Плотность

г/см³

Стоимость

Сырья

руб./кг 

Стоимость изделий руб./кг

Эквивалент. поверхност. плотность кг/м²

Цена в

тыс. 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 47.12«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. 47.3

 

    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

Последнее изменение Четверг, 04 Октябрь 2012 16:27
Авторизуйтесь, чтобы получить возможность оставлять комментарии

Содержание

Войти or Регистрация

Войти

Регистрация

User Registration
Отмена