CC BY
15УДК 621-039-419; 620.22-419; 537.868 Irina V. Zlobina1, Nikolai V. Bekrenev2 И.В. Злобина1 , Н.В. Бекренев2
HARDENING OF PROTECTIVE MATERIALS BASED ON ARAMIDE FABRICS IN MICROWAVE
ELECTROMAGNETIC FIELD
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, 77, Politechnicheskaya street, Saratov, 410054, Russia e-mail: irinka_7_@mail.ru
The influence of the microwave electromagnetic field on the strength of ballistic materiass was studied for aramid fabric TSVM-DZh as an example. It was found that after exposure of a single-layer aramid fabric to the microwave electromagnetic field the resistance of the fabric to cone piercing increased, both in the dry and wet state (after soaking the samples for 30 minutes) - an increase of about 2 times was experimentally obtained. The best resutts were achieved when a microwave electromagnetic field with an average power density was applied during 4-8 minutes. These resutts allow us to predict an improvement in the operational characteristics of the elements of individual protection of the 1st and 2nd classes.
Keywords: Microwave electromagnetic field, ballistic materials, aramid fabric, monolayer, wet state, power output, strength, perforation force.
Введение
В настоящее время полимеры и материалы на их основе серьезно потеснили такие основные конструкционные материалы, как железобетон, металл, дерево. Возможности полимерных материалов чрезвычайно широки благодаря многообразию полимеров и наполнителей, неисчерпаемой вариабельности составов композитов на их основе и методов их модификации [1].
При создании новых материалов главной задачей является улучшение комплекса физико-механических свойств. При этом основной показатель свойств - сопротивление материала разрушению. Самое высокое значение прочности характерно для систем с идеальной или близкой к идеальной структурой, а реальное значение прочности намного ниже. Не имея возможности реализовать на практике прочность идеальных структур, ученые с давних пор идут по пути улучшения свойств реальных, доступных материалов. Во многих случаях наряду с повышением прочности при создании композитов ставятся задачи повышения модуля упругости, характеризующего жесткость материала, повышения теплостойкости, стойкости к удару,
УПРОЧНЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АРАМИДНЫХ ТКАНЕЙ В СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., 410054, Россия, г. Саратов, ул.Политехническая, 77. e-mail: irinka_7_@mail.ru
Исследовано влияние СВЧ электромагнитного поля на прочность баллистических материалов на примере арамидной ткани ТСВМ-ДЖ. Установлено, что после воздействия на однослойную арамидную ткань СВЧ электромагнитного поля, повышается сопротивление последней прокалыванию конусом, как в сухом, так и во влажном состоянии(после замачивания образцов в течение 30 мин) - экспериментально получено увеличение показателя около 2 раз. Наилучшие результаты/ обеспечиваются при воздействии СВЧ электромагнитного поля средней удельной мощности в течение 4-8 мин. Приведение результат позволяют прогнозировать улучшение эксплуатационны>/х характеристик элементов индивидуальной защиты/ 1-го, 2-го классов.
Ключевые слова: СВЧ электромагнитное поле, баллистические материалы, арамидная ткань, монослой, влажное состояние, удельная мощность, прочность, усилие прокалывания.
химической, масло-, бензостойкости, улучшения внешнего вида или размерной стабильности изделий и т. д. [1]. В связи с этим разработан ряд технологий, направленных на улучшение механических характеристик наполнителя и матрицы в составе полимерных композиционных материалов (ПКМ). Среди них можно выделить направленные на варьирование характеристик отдельно наполнителя и матрицы, а также их взаимодействия. Существующие методы упрочнения ПКМ в достаточной мере описаны в [1].
Технология, в соответствии с которой авторами была проведена обработка исследованных образцов, имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими, в частности, требуется минимальное количество специализированного оборудования, отсутствует необходимость в обеспечении особых условий для проведения обработки, что делает технологию применимой не только в лабораторных, но и производственных условиях. Также важным аспектом является использование для обработки изделий, прошедших полный технологический цикл, что обуславливает экономическую эффективность, особенно для крупных предприятий.
1. Злобина Ирина Владимировна, канд. техн. наук, доцент, каф. «Техническая механика и детали машин», e-mail: Irina V. Zlobina, Ph.D (Eng.), Associate Professor, Department «Technical Mechanics and Machine Parts»
2. Бекренев Николай Валерьевич, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. «Техническая механика и детали машин», e-mail Nikolai V. Bekrenev, Dr Sci (Eng.), Professor, Head of the Department «Technical Mechanics and Machine Parts»
Дата поступления - 15 ноября 2018 года
Актуальность
Высокие прочностные и термостойкие характеристики органопластиков - композитов на основе тканей из арамидных нитей и полимерного связующего определяют их применение в качестве так называемых «баллистических» материалов, использующихся в качестве индивидуальных средств защиты 1-го и 2-го класса для экипировки служащих МЧС и персонала, работающего в экстремальных условиях, когда возможные аварийные ситуации, сопровождающиеся механическим поражением скоростными объектами, воздействием высоких температур или жидкостей под давлением. Хорошие защитные свойства арамидных тканей в сочетании с легкостью и гибкостью привели к их широкому применению в армии, авиации и во флоте [2-4]. В России к одним из наиболее распространенных баллистических материалов на основе арамидных нитей относятся ТСВМ, «Русар» и некоторые другие в целом сходные по свойствам материалы. По сравнению с металлическими и керамическими защитными средствами арамидные ткани и композиты на их основе имеют существенно меньший вес и обеспечивают гибкость и свободу движений, могут носиться скрытно под верхней одеждой, хотя, естественно, не обеспечивают адекватной защиты в боевых условиях с применением автоматического стрелкового оружия.
Однако, арамидным тканям присущи и значительные недостатки, связанные со слабым противодействием малоскоростным твердым ударникам [5, 6], с ослаблением защитных свойств при намокании, воздействии прямых солнечных лучей, достаточно большой заброневой эффект, приводящий к серьезным травмам. Вследствие этого конструкция элементов защитной одежды усложняется путем введения водо- и светонепроницаемых карманов или внешних слоев ткани, применения многослойных (20-30 слоев) систем, что утяжеляет защитный комплект и снижает подвижность человека.
Исследования по повышению прочности таких тканей направлены на совершенствование технологий получения исходных компонентов и формирования тканей путем оптимизации плетения [7, 8], что усложняет и удорожает процесс, а также приводит к необходимости перестройки или перевооружения производства, что удлиняет цикл внедрения новых разработок.
Увеличение количества локальных конфликтов, а также природных и техногенных аварийных ситуаций требует повышения защитных характеристик гибких материалов и их надежности. Создание единой методологии технологического управления формированием требуемых характеристик материалов путем электромагнитного воздействия на готовый объект без нарушения существующего технологического цикла позволит осуществлять проектирование оптимальных серийных технологических маршрутов с минимальной себестоимостью и высоким качеством продукции, решающей задачу импортозамещения особенно в стратегически важных производствах, направленных на обеспечение безопасности страны и повышение конкурентоспособности изделий.
Методика исследований
Нами выполнены исследования влияния воздействия СВЧ электромагнитного поля на усилие прокола арамидных тканей ТСВМ-ДЖ артикул 56319А, являющихся основой ряда защитных бронепакетов. Во
всех экспериментах использовали монослойные образцы.
Эксперименты проводили на микроволновой установке «Жук-2-02» (ООО «АгроЭкоТех», г. Обнинск Калужской обл.), позволяющей регулировать мощность СВЧ электромагнитного поля частотой 2450 МГц путем изменения дистанции воздействия (рисунок 1 а).
I
Рисунок 1. Микроволновая установка «Жук-2-02» (а) и экспериментальная установка для проведения испытаний (б)
Исследовали три уровня мощности: низкий, средний и высокий. Конкретные параметры удельной мощности не указываются в связи с проходящей процедурой патентования. Время обработки устанавливали равным 1, 4 и 8 мин. Испытания образцов до и после обработки проводили на компьютерной установке, оснащенной тензометрическими датчиками усилий и червячным механизмом нагружения (рисунок 16). Сигналы датчиков передавались через аналогово-цифровой преобразователь в компьютер. Обработка результатов измерения нарастания приложенной к образцу нагрузки по специальной заложенной в установке программе (ЬаЬУ1ЕШ, г. Орел) позволяла получить графики нагрузки (момента) в динамике от момента ее приложения до прокола образца, фиксируемого по спаду кривой нагружения. В экспериментах использовали образцы размерами 30х40 мм. Специальная оснастка позволяла зажимать образцы по контуру в натянутом и свободном состоянии и закреплялась на блоке тензометрического датчика. В нагружающем рычаге установки закреплялся стальной инден-тор в виде конуса (угол при вершине 90 °) с радиусом скругления вершины 0,1 мм. Испытывали контрольные и обработанные образцы в сухом и увлажненном состоянии. При СВЧ обработке образец закрепляли на
столе установки напротив оси рупорной излучающей антенны при помощи скотча. Увлажнение образцов осуществляли путем замачивания в воде в течение 30 мин. СВЧ обработку проводили при минимальном уровне мощности перед замачиванием.
Результаты и обсуждение
При исследовании влияния СВЧ обработки на баллистические материалы получены следующие результаты. Внешний вид образцов в сухом и увлажненном состоянии после прокола конусом представлен на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2. Деформация со стороны индентирования и с противоположной стороны контрольного (а) и обработанного в течение 4 мин (б) образцов в сухом состоянии
Анализируя внешний вид области прокола образцов, можно констатировать следующее. Для контрольного образца как в сухом, так и во влажном состоянии характерна область прокола малой площади, фактически повторяющая контур конического инден-тора. На вершине области прокола отмечаются промежутки между нитями, раздвинутыми конусом, что свидетельствует практически о сквозном проколе. Особенно это проявляется у увлажненных образцов. По видимому это связано со снижением трения и облегчением скольжения между нитями, что способствует их легкому смещению под вершиной индентора, которая их раздвигает и обеспечивает прокол ткани. Образцы ткани, подвергнутые воздействию СВЧ электромагнитного поля средней удельной мощности, оказываются не проколотыми, форма области прокола имеет ша-трообразный вид, захватывая значительную площадь. При этом высота образовавшегося выступа меньше на 40-45 % по сравнению с контрольным образцом. Можно заключить, что в процесс деформации ткани вовлечено большее число нитей, которые плотно связаны друг с другом, препятствуя проникновению индентора. При этом нити не раздвигаются, а перемещающийся индентор, стремясь продвинуться, расширяет зону их деформации по площади образца. В особенности это различие заметно при проколе увлажненных образцов: зона прокола контрольного образца выглядит, как острый конус малого поперечного сечения, зона воздействия обработанного образца охватывает практически всю его площадь. Т.е. скольжение нитей практически не наблюдается в этом случае. Очевидно, воздействие СВЧ электромагнитного поля вызывает «распушивание имеющихся и образование новых микрофибрилл, которые задерживают воздух между нитями, что резко снижает смачиваемость ткани, и она остается относительно сухой. Малое количество влаги между волокнами лишь незначительно снижает трение и нити сохраняют способность консолидированного восприятия проникающего действия индентора.
Графики нагружения образцов и их анализ представлены на рисунке 4-6.
Анализ графиков нагружения свидетельствует, что в целом они имеют сходный характер с одним максимумом нагрузки в момент прокола. Однако, увлажненный контрольный образец имеет несколько последовательных максимумов с последующими провалами (рисунок 4б). Это может быть следствием скольжения и расхождения нитей под вершиной индентора.
Установлено, что уровень удельной мощности СВЧ электромагнитного поля по-разному влияет на усилие прокола арамидной ткани (рисунок 5). С увеличением времени СВЧ воздействия до 4-х мин на малой и средней удельной мощности происходит стабильный рост прочности образца, при дальнейшем увеличении времени он становится значительно менее интенсивным. При обработке образцов на большой СВЧ мощности в первую минуту происходит наибольшее упрочнение материала, превышающее достигнутый при малом и среднем уровнях мощности уровень.
Рисунок 3. Деформация со стороны индентирования и с противоположной стороны контрольного (а) и обработанного в течение 4 мин (б) образцов во влажном состоянии
Рисунок 4. Кинетика нарастания прокалывающего усилия при испытаниях сухих (а, в) и увлажненных (б, г) образцов. Образцы/ в и г подвергнуты/ воздействию СВЧ электромагнитного поля средней удельной мощности в течение 4-х мин
Однако с дальнейшим ростом времени воздействия прочность ткани снижается и при 8-и минутной обработке, хотя и превышает прочность контрольного образца, почти в 1,5 раза меньше достигаемого при обработке на средней мощности излучения уровня. Это может быть связано с развитием термических процессов в диэлектрической арамидной ткани, приводящих к деструкции и скручиванию части фибрилл, что приводит к частичной потере механических связей между нитями и, как следствие, - к облегчению скольжения и проникновению индентора. При кратковременном воздействии СВЧ электромагнитного поля большой удельной мощности может происходить помимо активации межмолекулярной связи еще микрооплавление фибрилл, способствующее лучшему сцеплению волокон в нити и между нитями, что не достигается при среднем и малом уровнях мощности. Данный эффект обеспечивает максимальное упрочнение слоя ткани. Однако, наибольшее упрочнение достигается при среднем уровне СВЧ мощности и времени обработки, равном 48 мин.
Сравнение значений усилия прокола сухих и увлажненных образцов (рис. 6) показывает, что после увлажнения как контрольный, так и обработанный образцы имеют в 3 раза меньшую прочность при прокалывании конусом. При этом предварительно обработанный в СВЧ электромагнитном поле средней удельной мощности в течение 4-х мин образец выдерживает прокол с усилием, составляющим не менее 70 % от прочности контрольного сухого образца, в то время как для контрольного образца, как уже отмечалось, этот показатель составляет не более 30 %. Следовательно, можно предположить значительно большую стойкость арамидных тканей, предварительно модифицированных в СВЧ электромагнитном поле, к увлажнению, что позволит упростить конструкцию защитных средств в плане гидроизоляции.
Рисунок 5. Влияние удельной СВЧ мощности на усилие прокола ткани ТСВМ-ДЖ в сравнении с контрольным образцом в зависимости от времени обработки
Рисунок 6. Влияние влажности арамидной ткани на величину усилия прокалывания стальным коническим индентором при среднем уровне мощности СВЧ электромагнитного поля для следующих групп образцов: сухое состояние -1 (контрольная), 3 (обработка СВЧ); влажное состояние - 2 (контрольная), 4 (обработка СВЧ)
Изложенное подтверждает приведенные выше описания механизма изменения внешнего вида образцов сухих и увлажненных арамидных тканей после модифицирования в СВЧ электромагнитном поле.
Таким образом, применение обработки в СВЧ электромагнитном поле окончательно изготовленных элементов из арамидных тканей позволит повысить надежность и стойкость средств индивидуальной защиты личного состава механизированных частей российской армии, экипажей летательных аппаратов и судов, полиции и МЧС, а также легких защитных ком-
г
позиционных армированных конструкций технических систем различного назначения.
Выводы
Приведенные данные показывают восприимчивость арамидной ткани к воздействию СВЧ электромагнитного поля, что подтверждает повышение ее стойкости к прокалыванию конусом. Описанные результаты были получены при исследовании монослоя ткани в сухом и увлажненном состоянии. Положительная динамика отмечена в обеих группах опытных образцов. Это свидетельствует о формировании дополнительных связей внутри и между волокнами.
Для разработки серийных технологий и оборудования необходимо формирование строгого научного описания процессов, происходящих на микро- и нано-уровне в волокнистых арамидных материалах при воздействии электромагнитных полей различного частотного диапазона и интенсивности, для чего целесообразно продолжение исследований с использованием современной аналитической аппаратуры и компьютерного моделирования.
Также целесообразно проведение натурных испытаний композиционных структур на основе модифицированных в СВЧ электромагнитном поле арамид-ных тканей путем их обстрела из огнестрельного оружия по стандартным методикам огневых испытаний.
Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ № 17-03-00720 «Методология оптимизационного микроконструирования композиционных материалов для объектов сложной формы повышенной динамической прочности, послойно формируемых электротехнологическими методами».
Литература
1. Бондалетова Л.И., Бондалетов В.Г. Полимерные композиционные материалы (часть 1): учеб. пособие. Томск: ТПУ, 2013. 118 с.
2. BhatnagarAshok. Lightweight ballistic composites. Woodhead Publishing Limited, Cambridge England. 2006. 416 p.
3. Чистяков Е.Н. Российские бронежилеты и новые броневые материалы // Техника и вооружение. 2013. № 8.. URL: https://coollib.eom/b/271132/read (дата обращения: 22.11.2018).
4. Игнатова А.М., Артемов А.О. Аналитический обзор современных и перспективных материалов и конструкций бронепреград и защит от поражения // Фундаментальные исследования. 2012. № 6-1. С. 101105.
5. Шустов Ю.С, Курденкова А.В. Исследование физико-механических свойств тканей из нитей Русар //
Концепт. 2016. Т. 3. С. 36-40. URL: https://e-koncept.ru/2016/56019.htm (дата обращения: 22.11.2018).
6. Шульдешова П.М., Железина Г.Ф. Арамид-ный слоисто-тканый материал для защиты от баллистических и ударных воздействий // Труды ВИАМ. 2014. № 9. Ст. 06. URL : https://elibrary.ru/item.asp?id=21921923 (дата обращении: 22.11.2018). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-9-66.
7. Сафонов П.Е. Разработка оптимальных технологических параметров изготовления арамидных тканей технического назначения : автореф. дис. ... канд. тех. наук. М., 2013. 16 с.
8. Слугин А. И., Парфенов О. В., Николаева Н.А. Исследование баллистических свойств тканей // Технология текстильной промышленности. 2011. № 4. С. 74-78.
References
1. Bondaletova L.I, Bondaletov V.G. Polimernye kompozicionnye materialy (chast' 1): ucheb. posobie. Tomsk: TPU, 2013. 118 s.
2. Bhatnagar Ashok Lightweight ballistic composites. Woodhead Publishing Limited, Cambridge England. 2006. 416 p.
3. Chsstjakov E.N. Rossijskie bronezhilety i novye bronevye materialy // Tehnika i vooruzhenie. 2013. № 8.. URL: https://coollib.com/b/271132/read (data obrashheni-ja: 22.11.2018).
4. Ignatova A.M., Artemov A.O. Analiticheskij ob-zor sovremennyh i perspektivnyh materialov i konstrukcij bronepregrad i zashhit ot porazhenija // Fundamental'nye issledovanija. 2012. № 6-1. S. 101-105.
5. Shustov Ju.S., Kurdenkova A.V. Issledovanie fiziko-mehanicheskih svojstv tkanej iz nitej Rusar // Kon-cept. 2016. T. 3. S. 36-40. URL: https://e-koncept.ru/2016/56019.htm (data obrashhenija: 22.11.2018).
6. Shul'deshova P.M., Zhelezina G.F. Aramidnyj sloisto-tkanyj material dlja zashhity ot ballisticheskih i udarnyh vozdejstvij // Trudy VIAM. 2014. № 9. St. 06. URL : https://elibrary.ru/item.asp?id=21921923 (data obrashhenii: 22.11.2018). DOI: 10.18577/2307-60462014-0-9-6-6.
7. SafonovP.E. Razrabotka optimal'nyh tehnolog-icheskih parametrov izgotovlenija aramidnyh tkanej tehnicheskogo naznachenija : avtoref. dis. ... kand. teh. nauk. M., 2013. 16 s.
8. Slugin A.I., Parfenov O.V., Nikolaeva N.A. Issledovanie ballisticheskih svojstv tkanej // Tehnologija tekstil'noj promyshlennosti. 2011. № 4. S. 74-78.
