CC BY
115
УДК 623.445
Морозова Т.В., Дворцевая А.М., Зайцева Л.В., Осипчик В.С.
СВОЙСТВА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СРЕДСТВАХ БРОНЕЗАЩИТЫ
Морозова Татьяна Владимировна, аспирант кафедры технология переработки пластмасс, инженер 1 категории АО «ЦНИИСМ», e-mail: morozova-tv@mail.ru,
Россия, 141371, Московская область, Сергиево-Посадский район, г. Хотьково;
Дворцевая Анастасия Миркаримовна, аспирант кафедры технология переработки пластмасс, старший инженер ООО НПП «АРМОКОМ-ЦЕНТР»;
Зайцева Любовь Валентиновна, старший инженер ООО НПП «АРМОКОМ-ЦЕНТР»; Осипчик Владимир Семенович, д.т.н., профессор кафедры технология переработки пластмасс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125480, Москва, Миусская площадь, д. 9.
При повышении баллистических требований к средствам защиты и использовании сверхвысокопрочных текстильных материалов в изделиях встает необходимость введения в структуру бронежилета композитных материалов, обладающих стойкостью к высокоскоростному удару и не снижающих его общие защитные свойства. В настоящей работе исследованы различные композитные материалы на противоосколочную стойкость и стойкость к удару.
Ключевые слова: композитные материалы, матрица, наполнитель, бронежилет, стойкость.
PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS USED IN THE MEANS OF ARMOR PROTECTION
Morozova T.V., Dvortsevaya A.M., Zaitseva L.V., Osipchik V.S. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Limited liability company Research and production enterprise "ARMOCOM-CENTRE", Hotkovo, Russia
With increasing requirements for ballistic protection and use of extra-strong textile materials in the products arises the necessity of introducing in the structure of composite body armor material with resistance to high speed impact and does not reduce its overall protective properties. In the present work various composite materials on anti-shatter resistance and resistance to impact are investigated.
Keywords: composite materials, matrix, filler, body armor, resistance.
При проектировании бронежилетов основными показателями, на которые следует ориентироваться, являются противоосколочная и противопульная стойкость, масса и толщина изделия, эргономика. Однако, даже при соблюдении всех этих требований можно столкнуться с еще одной немаловажной проблемой - заброневая контузионная травма. Современные бронежилеты первого класса защиты состоят из мягких пакетов на основе арамидных или полиэтиленовых материалов. Они очень хорошо удерживают пули и осколки, но в силу своей мягкости легко деформируются под действием высокоскоростного удара, что приводит к значительному запреградному эффекту. Для того чтобы решить эту проблему возможно использование композитных материалов в качестве подложки.
В настоящее время многими предприятиями, занимающимися средствами индивидуальной защиты, проведены достаточно полные исследования в области баллистических свойств тканых защитных структур. Исследованы зависимости баллистической стойкости от различных видов переплетения нитей в тканях, от текстуры составляющих нитей, а также от количества элементарных составляющих в нитях, используемых для производства армирующих материалов [1, 2].
На основании проведенных исследований можно достаточно достоверно прогнозировать
противопульную и противоосколочную стойкость подбираемых тканых составляющих для «мягких» защитных структур бронежилетов. Однако, баллистические свойства композитных материалов, подвергаемых воздействиям ударных нагрузок с высокой энергией удара, изучены недостаточно.
По результатам анализа прочностных характеристик тканых броневых структур для проведения исследований механизма разрушения и реализации баллистических свойств композитных материалов были выбраны ткани на основе арамидных нитей Руслан линейной плотности 58,8 текс с наиболее распространенной текстильной структурой - полотняным и саржевым переплетением.
В качестве матриц были выбраны материалы, имеющие различную химическую природу:
- эпоксидная композиция на основе эпоксидиановой смолы ЭД-20, активного разбавителя - алифатической смолы ДЭГ-1 и отвердителя аминного типа;
- полиуретановая композиция;
- термопласт полиолефинового ряда.
При изготовлении образцов композитных материалов основополагающим фактором являлась одинаковая поверхностная плотность пакетов армирующего наполнителя.
Все композитные материалы, изготовленные на основе выше перечисленных наполнителей и матриц, подвергались испытаниям по определению противоосколочной стойкости V50 (скорость 50% непробития имитатором осколка в виде стального шарика диаметром 6,3мм, массой 1,05г). Полученные данные представлены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что текстильная структура наполнителя не влияет на противоосколочную стойкость композита в целом. Проанализировав характер разрушения композитных материалов, сделаны следующие наблюдения и выводы.
С фронтальной стороны у всех композитных материалов с использованием эпоксидной матрицы наблюдается разрушение нитей перпендикулярно длине волокон со значительной выпучиной наружных слоев композитного материала в сторону, обратную движению осколка (рисунок 1а). То есть для наружных слоев композитного материала критична работа на срез. Подобное явление обусловлено достаточно жесткой структурой сшивки связующего, топологическая структура которого имеет сетчатый вид с мелким размером ячеек.
Таблица 1. Противоосколочная стойкость композитов
Армирующий материал Связующее Удлинение связующего, % У50, м/с, композита
Арамидная ткань полотняного переплетения из нити Руслан 58,8 текс Эпоксидное 4 391
Полиуретановое 450 457
Термопластичное 550 538
Арамидная ткань саржевого переплетения из нити Руслан 58,8 текс Эпоксидное 4 386
Полиуретановое 450 468
Термопластичное 550 517
Рис 1. Характер разрушения композита на основе арамидной ткани и эпоксидного связующего (а), полиуретанового связующего (б), термопластичного полиолефинового связующего (в) после осколочного воздействия
С тыльной стороны наблюдается следующее явление. Волна сжатия, распространяясь по толщине, частично отражается от поверхности раздела соседних (верхних) слоев и частично проходит через эту поверхность, порождая новые волны, и, проходя до тыльной поверхности, она трансформируется в волну растяжения, способную вызвать разрушение типа отрыва, как внутри слоя, так и между слоями.
Для того чтобы предотвратить возникновение подобных дефектов в композитных материалах на основе эпоксидной матрицы (или любой другой реактопластичной жестко сшитой матрицы) необходимо проводить модификацию матричных материалов веществами, способными изменить топологическую структуру матрицы. Подобными модификаторами могут выступать
высокомолекулярные бутадиен-акрилонитрильные каучуки с активными концевыми группами типа СКН-30КТРА, которые могут вступать в химическую реакцию с основными компонентами матричных материалов, а также образовывать особые эластифицированные зоны в матрице, обладающие демпфирующими свойствами. Таким образом, противоударная стойкость композитных материалов на их основе может быть значительно увеличена.
Композитные материалы, в качестве матриц которых использовалось эластичное полиуретановое связующее, отвержденное при комнатной температуре (процесс полимеризации при этом протекает в основном в линейном направлении, формируя вытянутые ячейки), показали совершенно другую картину.
С фронтальной стороны наблюдаются локальные (незначительные) отслоения в наружных слоях композитного материала, обусловленные тем, что эластичное полиуретановое связующее позволяет нитям вытягиваться и реализовывать баллистические свойства в наиболее полном объеме (рисунок 1б).
С тыльной стороны композитный материал сохраняет свою монолитность, то есть полиуретановая матрица способствует равномерному
(равностороннему) распространению ударной волны.
Наиболее интересные выводы можно сделать на основе анализа баллистических испытаний композитных материалов с термопластичной полиолефиновой матрицей.
На лицевой поверхности наблюдается утяжка нитей в армирующем наполнителе крестообразно с частичным расслоением в наружных слоях композитного материала (рисунок 1в). Размер расслоений обусловлен размером утяжки нитей, что
объясняется высоким относительным удлинением матричного материала и низкой адгезионной прочностью на границе раздела матрица-наполнитель.
С тыльной стороны после баллистических испытаний происходит расслоение композитного материала, обусловленное тем, что термопласты полиолефинового ряда обладают низкой адгезией к волокнам армирующего наполнителя и низкой пропитывающей способностью, образуя при прессовании «псевдокомпозиты» [3].
Для проведения исследований по влиянию матриц различной химической природы на баллистические характеристики композитов были выбраны в качестве наполнителя арамидная ткань, в качестве матриц -реактопласты различной химической природы и термопластичные матрицы на основе полиолефинов и их химических и физических модификаций.
Виды матриц:
- полипропиленовая термовытянутая пленка - ПП;
- фенолокаучуковая клеящая пленка ВК-3;
- пленка полиформ (пятислойная пленка, где 1-й и 5-й слой - полиэтилен низкого давления, 2-й и 4-й слой - СЭВА, 3-й слой - полиамид 6) - ПФ;
- пленка растягивающаяся из сополимера полиэтилена с винилацетатом - СЭВА;
- пленка полиэтиленовая сшивающаяся - литера "О", с перекисно-обработанной поверхностью - ПЭсш;
- пленка комбинированная 30% СЭВА + 70% полиэтилена - ПЭ+СЭВА;
- эпоксидное связующее на основе эпоксидиановой смолы и отвердителя аминного типа - ЭД.
Для каждого вида композиционных материалов, на основе вышеперечисленных матриц был подобран оптимальный способ изготовления и режимы переработки (температура, удельное давление и время термообработки).
Отформованные плоские образцы
композиционных материалов подвергались следующим видам испытаний: определение физико-механических характеристик, адгезионной прочности по границе раздела полимер - ткань, стойкость к ударным воздействиям на установке УТ-1 с энергией нагружения 42Дж, противоосколочная стойкость (таблица 2).
Показатели ВК-3 ЭД ПЭ+СЭВА ПЭсш СЭВА ПФ ПП
Прочность при изгибе, кгс/мм2 6,1 15,6 4,6 6,4 2,8 3,6 7,4
Модуль упругости при изгибе, кгс/мм2 60 - 98 261 77 62 296
Адгезия, кгс 4,0 2,0 2,0 2,0 1,5 1,0 2,0
Стойкость к удару 42 Дж Скв. Скв. Скв. Непроб. Непроб. Непроб. Непроб.
Противоосколочная стойкость, V50, м/с 210 280 - 323 349 339 353
Таким образом, наивысшей противоосколочной стойкостью обладают композиты на основе термопластичной матрицы. Однако недостатком таких материалов является то, что в условиях эксплуатации (при воздействии теплоты, кислорода, света и ионизирующих излучений) происходит окислительная деструкция полимера, приводящая к охрупчиванию композитного материала, и, как следствие, значительному сокращению срока службы изделий на их основе.
Жесткие реактопласты показали худшие баллистические характеристики. Но, с другой стороны, связующие данного типа хорошо сохраняют конструкцию изделий.
Весьма перспективными являются связующие типа полиуретанов, которые сочетают достоинства выше перечисленных материалов.
Список литературы
1. Харченко Е.Ф., Морозова Т.В., Анискович В.А., Клепиков И.В. Исследование противоосколочной стойкости различных текстильных бронематериалов на основе арамидных нитей // Вопросы оборонной техники. Научно-технический сборник. - Серия 15 . - Выпуск 1(138) . - № 2(139). -2005.
2. Харченко Е.Ф., Морозова Т.В., Анискович В.А., Клепиков И.В. Исследование противоосколочной стойкости и характера разрушения арамидных бронематериалов на основе микрофиламентных нитей// Вопросы оборонной техники. Научно-технический сборник. - Серия 15 . - Выпуск 3(140)-4(141). - 2005.
3. Зайцева Л.В., Морозова Т.В. О механизме разрушения и реализации баллистических свойств в различных типах композитов. Девятая международная научно-практическая конференция «Новейшие тенденции в области конструирования и применения баллистических материалов и средств защиты». Тезисы докладов. М. - 2007 . - 156 с.
