CC BY
23
УДК 623.444:[677.4+678.7]
Куприянова Е.В., Морозова Т.В., Дворцевая А.М., Аристов В.М.
СТОЙКОСТЬ ГИБРИДНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗАЩИТНЫХ ШЛЕМОВ К УДАРНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ НОЖА
Куприянова Елена Владимировна, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс, ведущий конструктор
отделения АО «ЦНИИСМ», e-mail: elena.kupreanova@yandex.ru;
Россия, 141371, Московская область, Сергиево-Посадский район, г. Хотьково;
Морозова Татьяна Владимировна, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс, инженер 1 категории АО «ЦНИИСМ»;
Дворцевая Анастасия Миркаримовна, аспирант кафедры технология переработки пластмасс, старший инженер ООО НПП «АРМОКОМ-ЦЕНТР»;
Аристов Виталий Михайлович, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9.
С целью проектирования шлема, защищающего от ножевого воздействия, было исследовано поведение при ударе тонких композитных пластин. Для сравнения механизма разрушения были испытаны на пробиваемость и прогиб образцы на основе арамидной ткани и СВМПЭ UD-материала. Наилучшие результаты противопорезной стойкости были получены на комбинированном композитном материале, состоящем из жестких фронтальных слоев и эластичных тыльных слоев. При этом наиболее эффективная работа арамидных нитей была достигнута при пониженном количестве эластичного связующего.
Ключевые слова: стойкость к воздействию ножа, защитный шлем, композитный материал, связующее.
STAB RESISTANCE OF HIBRID COMPOSITE MATERIALS FOR PROTECTIVE HELMETS
Kupriyanova E.V., Morozova T.V., Dvortsevaya A.M., Aristov V.M.. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Joint-stock company «Central Scientific Research Institute of Special Machine Building», Russia, Hotkovo
In order to design a stab resistance helmet, the behavior of the impact of thin composite plates was investigated. For comparison of the mechanism of destruction, samples based on aramid fabric and UHMWPE UD material were tested for penetration and deflection The best results of the stab protection were obtained on a combined composite material consisting of rigid front layers and elastic back layers. The most effective work of aramid yarns was achieved with a reduced amount of elastic binder.
Keywords: stab resistance, protective helmet, composite material, binder
Введение
Анализ информационных источников, в том числе зарубежных, показывает, что уличные беспорядки, криминальные действия,
террористические акты сопровождаются
применением не только огнестрельного, но и холодного оружия. В некоторых исследовательских работах указывается максимальная сила удара на уровне 212 Н и максимальная скорость 14,88 м/с [1]. В настоящее время много внимания уделяется защитным структурам от колюще-режущего оружия в составе бронежилетов и костюмов, и практически нет исследований в области средств защиты головы.
В войсках специального назначения используются противоударные шлемы,
изготовленные на основе литьевого поликарбоната. Изделия эти являются довольно громоздкими и не обеспечивают достаточную защиту от низкоскоростных осколков и воздействия открытого пламени. Данные шлемы обычно имеют подтулейное устройство в виде вкладыша из вспененного полистирола, который также является
составной частью защитной конструкции и разрушается при ударном воздействии.
Таким образом, создание гибридного композитного материала и проектирование на его основе легкого малогабаритного противоударного шлема с защитной структурой, способной выдержать удар острыми предметами, является достаточно актуальной проблемой.
Методы испытания
Основным требованием к защитным свойствам противоударных шлемов является отсутствие проникновения острия ножа с энергией 30 Дж до поверхности макета головы. При этом методика испытания защитных касок по ГОСТ 12.4.091 предусматривает испытания шлема вместе с амортизирующим устройством. Существующие отечественные и зарубежные методики не позволяют оценить противоударную стойкость материалов для шлемов. Испытания образцов проводят на блоке, материал которого - пластилин или войлок - не обеспечивает реальный прогиб конструкции. Оценка ударного воздействия
проводится или по глубине выхода ножа из материала или по следам контрольных пластин, при этом прогиб конструкции в свободном состоянии не учитывается. В данной работе для испытания защитных структур противоударных шлемов использована конструкция испытательного стенда, позволяющая вместе со стойкостью на порез учитывать прогиб защитной структуры.
В качестве ударника был использован штык-нож. Энергия удара составила 15 Дж. Для регистрации длительности ударного воздействия была применена методика акустического измерения давления воздуха.
Материалы
Установлено, что наиболее эффективным механизмом разрушения гибких структур является вытягивание и растяжение нитей при отсутствии раздвижки нитей в плоскости слоя [2]. Хорошие результаты при испытаниях на порез и прокол показывают плоскоориентированные материалы на основе сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон (СВМПЭ), а также плотнонабитые ткани полотняного переплетения с металлическим и керамическим покрытием. Введение металлического покрытия предотвращает раздвижку нитей и способствует включению в работу большего количества армирующих элементов [3]. В композитных материалах роль «торможения» нитей играет связующее. При этом для обеспечения вытягивания нитей при ударе необходимо повышать эластичность и снижать его содержание.
С точки зрения обеспечения минимального прогиба при ударе связующее должно обладать достаточной конструкционной жесткостью. В данной работе было исследовано влияние количественного содержания эластичного и «жесткого» связующего на стойкость к порезу тонких композитных пластин.
Для определения влияния эластичности связующего на пробиваемость и прогиб композитной панели были изготовлены образцы с различной жесткостью по толщине. Для этого сначала слои ткани пропитывали более эластичным полиуретановым связующим марки СКУ. После частичного отверждения к ним добавляли слои на основе эпоксидного связующего марки ЭДП. Далее многослойный пакет прессовали под давлением 10 атм. Для обеспечения дополнительной жесткости использовалась конструкционная ткань на основе углеродных и стекловолокон. В качестве основного армирующего материала была выбрана арамидная ткань саржевого переплетения арт. 86-282. Для сравнения механизма работы композитных материалов на основе арамидных и полиэтиленовых волокон были изготовлены методом прессования образцы из СВМПЭ ИБ-материала марки G21 (производства Израиль) с содержанием связующего на уровне 15-20%.
Поверхностная плотность всех образцов для испытания составила от 1,3 до 1,6 кг/м2.
Результаты испытаний и их обсуждение
Испытания образов с помощью двух методик -на подложке и с воздушным зазором, показали существенные различия в поведении защитных структур. При испытании на подложке лучшие результаты показали образцы на основе СВМПЭ, внешний вид которых свидетельствует о минимальном количестве разрушенных волокон. В ходе испытаний с воздушным зазором по совместным показателям перемещения ножа и прогиба лучшие результаты показал комбинированный композитный материал (ККМ) на основе конструкционной стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, и арамидной ткани саржевого переплетения арт. 86-282 с полиуретановым связующим. Было отмечено отсутствие расслоения в образце ККМ на границе эпоксидное/полиуретановое связующее. Хотя образец на основе СВМПЭ имел на 50% меньшую длину разреза, перемещение ножа было на 20% больше, чем у ККМ. Все образцы СВМПЭ после удара имели ярко выраженную зону прогиба и вытягивания волокон. Среднее время воздействия ножа при испытании на подложке составило от 8 до 10 мс, с воздушным зазором - от 17 до 20 мс.
На рисунке 1 показаны результаты испытаний на противопорезную стойкость образцов с различным содержанием связующего.
Рис.1. Противопорезная стойкость тонких композитных пластин с поверхностной плотностью 1,3 кг/м2
Высокая противопорезная стойкость образца ККМ может быть объяснена эффективной работой каждой составной части материала. Первые, более жесткие слои, обеспечивают снижение прогиба тонкой пластины. В тыльных слоях благодаря эластичному связующему высокопрочные арамидные нити имеют возможность вытягиваться вслед за ударником. При этом раздвижка нитей практически отсутствует.
Увеличение количества эластичного связующего с 15 до 30% приводит к снижению противопорезной стойкости почти в 1,5 раза, при этом растет прогиб пластины. Причиной этого явления скорее всего является снижение способности нитей передвигаться
из-за трения на границе волокно-связующее. Поэтому большая часть нитей перерезается, время взаимодействия с ударником возрастает и увеличивается прогиб.
Главным отличием ККМ от СВМПЭ-образца является наличие жестких фронтальных слоев, прочно «сцепленных» с тыльными слоями благодаря хорошей совместимости эпоксидного и полиуретанового связующих. На рисунке 2 показаны особенности разрушения тыльных слоев СВМПЭ и ККМ образцов при воздействии ножа с энергией 15 Дж. На ККМ образце заметно наличие вытянутых нитей, что свидетельствует об их эффективной работе. Отсутствие ярко выраженных зон вытягивания нитей на образце ККМ может свидетельствовать о способности полиуретанового связующего реверсировать после удара, возвращая неповрежденные нити в исходное положение. Наличие связующего на разрушенных нитях (рисунок 2в) свидетельствует о хорошей ударной прочности соединения волокно-связующее.
I
u fe?
Рис. 2. Особенности разрушения СВМПЭ ЦЭ-материала (а) и комбинированного композитного материала (б, в) на основе арамидной ткани и высокоэластичного связующего при воздействии ножа с энергией 15 Дж
1, 2 - зона вытягивания нитей, 3 - раздвижка нитей, 4 -разрушенные нити; 5 - полиуретановое связующее; 6 -вытянутые и разрушенные нити
Работа будет продолжена в части исследования физико-механических и баллистических
характеристик полученных композитных
материалов, а также проектирования защитной структуры шлема, обеспечивающей при воздействии штык-ножа с энергией 30 Дж перемещение не более 20 мм.
Выводы
1. Был предложен и опробован испытательный стенд для исследования материалов защитных структур противоударных шлемов, позволяющий вместе со стойкостью на порез учитывать прогиб защитной структуры.
2. Наилучшие результаты противопорезной стойкости были получены на комбинированном композитном материале, состоящем из жестких фронтальных слоев и эластичных тыльных слоев на основе арамидной ткани. При этом наиболее эффективная работа арамидных нитей была достигнута при пониженном количестве полиуретанового связующего - 15%.
3. Испытания ККМ образцов показали отсутствие расслоения на границе эпоксидного и полиуретанового связующих, а также видимых зон вытягивания нитей.
Список литературы:
1. Bleetman А., Watson C., Horsfall I. Wounding patterns and human performance in knife attacks: optimising the protection provided by knife-resistant body armour//Journal of Forensic and Legal Medicine. -issue 4. - 2003. - С.243-248.
2. Харченко Е.Ф., Соловьева Е.А. Особенности взаимодействия холодного оружия типа штык-нож с гибкими материалами // Вопросы оборонной техники, Научно-технический сборник. - Серия 16. -Выпуск 9. - М. - 2013. - С.63-67.
3. Харченко Е. Ф., Ермоленко А. Ф. Композитные, текстильные и комбинированные бронематериалы. Монография. -Том 2. - М. - 2013. -С.7-8.
