Материалы, применяемые для изготовления бронежилетов. Ткань для баллистической защиты

Защитная ткань полотняного переплетения из высокопрочной арамидной нити равной линейной плотности по основе и утку позволяет повысить ее прочность за счет ее выполнения из нитей с одинаковой продольной конфигурацией и равным количеством нитей на единицу ширины в обоих направлениях, и коэффициентом крутки нитей не превышающим 4. 2 с.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к текстильной промышленности, в частности к защитной ткани специального назначения, используемой для изготовления бронежилетов, защитной одежды и других целей. Известны защитные ткани для бронежилетов на основе нитей из высокопрочных ароматических полиамидов (СВМ, Армос, Кевлар, Тварон). Практически, все известные текстильные структуры тканей полотняного, саржевого и др. способов переплетения, изготовленные из высокопрочных арамидных нитей, могут использоваться в качестве средств индивидуальной бронезащиты с большей или меньшей эффективностью. Совершенно очевидно, что максимальное проявление защитных свойств ткани можно достигнуть при оптимальной структуре ткани. Большинство баллистических тканей из арамидных нитей (СВМ и Армос) (артикул 6801, ТУ 17 РСФСР 18-86001-91, артикул 56319, ТУ 17 РСФСР 62-10540-83, артикул АС-21, ТУ 17 РФ 19-57-41-93) имеют большой запреградный прогиб при воздействии пули и показывают различие в свойствах ткани по основе и утку, в частности, наличие разного количества нитей основы и утка на единицу ширины, разную разрывную нагрузку ткани по основе и утку, разный химический состав основы и утка и др. Техническим решением, наиболее полно иллюстрирующим подход к решению проблемы конструирования защитной ткани, является ткань для баллистической защиты, описанная в патенте РФ N 2041986, кл. D 03 D 15/00, по которому защитная ткань выполнена с наполнением 100 - 150% и коэффициентом уплотненности переплетения 0,75: 1 из системы основных и уточных нитей линейной плотности 100 - 58,8 текс на основе ароматических сополиамидов (Армос), с соотношением диаметров элементарной и комплексной нити 1:300 - 330, причем коэффициент крутки основных нитей составляет 7 - 15, а уточных 2 - 15. В данном случае упор делается на повышенную разницу таких механических показателей нитей основы и утка, как деформация растяжения и модуль деформации растяжения, что ведет к разобщенной работе нитей основы и утка и к снижению баллистической стойкости ткани. Повышенную баллистическую стойкость пакета можно ожидать в случае, когда максимальное количество энергии пули или осколка расходуется на деформацию элементов пакета. Чем больше деформация, тем больше время взаимодействия пули или осколка со слоями ткани в пакете, тем существеннее относительное перемещение комплексных и элементарных нитей в зоне взаимодействия и тем меньше разрушение нитей в ткани пакета. Однако большая деформация слоев ткани (т. н. "отдулина") нежелательна, так как она может привести к значительному травматическому воздействию на субъект зашиты. С другой стороны, чем больше энергии пули или осколка будет поглощено трением нитей, тем меньше будет и деформация и разрушение. С этой точки зрения одновременное и единообразное трение нитей способствует максимальному поглощению энергии пули или осколка в зоне взаимодействия последних с тканевым пакетом. В этом случае силовое воздействие равномерно распределяется на большую массу комплексных и элементарных нитей, суммарное динамическое сопротивление слоев ткани в пакете возрастает, а деформация и разрушение снижаются. Для этого необходимо, чтобы нити основы и утка представляли собой комплексную структуру, обеспечивающую индивидуальное включение в работу составляющих их элементарных нитей, а продольная конфигурация нитей основы и утка была одинаковой, задавая равное сопротивление продольному перемещению (вытаскиванию) и одинаковое удлинение одинаково извитых нитей. При этом количество нитей основы и утка на единицу ширины должно быть равным. Технической задачей изобретения является повышение баллистической стойкости защитной ткани, что позволяет сократить количество ее слоев при изготовлении бронежилета, снизить его вес и повысить эргономические характеристики. Решение технической задачи изобретения достигается за счет того, что защитная ткань полотняного переплетения из высокопрочной арамидной нити равной линейной плотности по основе и утку, согласно предложению, выполнена из нитей с одинаковой продольной конфигурацией и равным количеством нитей на единицу ширины в обоих направлениях, при этом по этим направлениям отношение разрывных удлинений ткани не превышает 1,25, усилие при извлечении одиночных нитей равной длины отличается не более, чем на 20% и коэффициент крутки нитей, определяемый по формуле (1), не превышает 4. где - коэффициент крутки; К - величина крутки, кручений/м; Т - линейная плотность нити, текс. Вторым вариантом решения технической задачи изобретения является защитная ткань полотняного переплетения из высокопрочной арамидной нити равной линейной плотности по основе и утку, выполненная из нитей с одинаковой продольной конфигурацией и равным количеством нитей на единицу ширины в обоих направлениях, при этом по этим направлениям отношение разрывных удлинений ткани не превышает 1,25, усилие при извлечении одиночных нитей равной длины отличается не более, чем на 20% и коэффициент крутки нитей одного из направлений не превышает 4. Для подтверждения технического результата изобретения были изготовлены экспериментальные баллистические ткани полотняного переплетения из арамидных нитей (СВМ) с круткой 13, 50 и 100 кр./м и с линейной плотностью 58,8 текс и на их основе - пулезащитные пакеты. Баллистическая стойкость пулезащитного тканевого пакета оценивалась по стандартной методике, принятой в НИИ спецтехники МВД РФ и отвечающей требованиям специальных огнестрельных испытаний средств индивидуальной бронезащиты. Для сравнения были испытаны пакеты из ткани полотняного переплетения артикула 56319. Данная ткань в 25 слоев используется при изготовлении бронежилетов для Российской армии. Образцы экспериментальных баллистических тканей, собранные в пакеты из 16 и менее слоев размером 250 х 250 мм с закрепленными краями прикладывались к поверхности мастичного (пластилинового) блока. Испытания проводили выстрелами из пистолета ПМ по нормали с дистанции 5 метров штатными патронами. В процессе испытаний оценивали количество пробитых слоев, характер разрушения слоев, глубину внедрения тыльных слоев образца в пластилиновый блок (отдулина). Изобретение иллюстрируется следующими примерами и табл. 1 и 2. Пример 1 (основной). Ткань для баллистической защиты полотняного переплетения из арамидной нити (СВМ) линейной плотности 58,8 текс с круткой 13 кручений на метр по основе и утку (коэффициент крутки 0,99) имеет поверхностную плотность 170 г/м 2 при числе нитей основы и утка на 10 см равном 136. Разрывное удлинение ткани по основе 7,8%, по утку - 8,5%, усилие вытаскивания одиночной нити длиной 8 см по основе 0,93 H, по утку - 0,9 H. Результаты испытаний пакета из 13 слоев ткани размером 25 х 25 см и поверхностной плотностью 2,21 кг/м 2 приведены в табл. 2, из которой следует, что ткань обладает очень высокой баллистической стойкостью при высокой равномерности обрыва нитей основы и нитей утка (соотношение 0,82 против 0,64 у одной из лучших серийных тканей артикула 56319). Пример 2 (основной). Ткань для баллистической защиты полотняного переплетения из арамидной нити (СВМ) линейной плотности 58,8 текс с круткой 13 кручений на метр по основе (коэффициент крутки 0,99) и 100 кручений на метр по утку (коэффициент крутки 7,66) имеет поверхностную плотность 170 кг/м 2 при числе нитей основы и утка на 1 см равном 136. Разрывное удлинение ткани по основе 8,8%, по утку 8,2%, усилие вытаскивания одиночной нити длиной 8 см по основе 0,8 H, по утку - 0,68Н. Результаты испытаний пакета из 16 слоев ткани размером 25 х 25 см и поверхностной плотностью 2,72 кг/м 2 приведены в табл. 2, из которой следует, что ткань обладает хорошей баллистической стойкостью при высокой равномерности обрыва нитей основы и утка (соотношение 0,83) Пример 3 (сравнительный). Ткань для баллистической защиты полотняного переплетения из арамидной нити (СВМ) линейной плотности 58,8 текс с круткой 100 кручений на метр по основе и утку (коэффициент крутки 7,66) имеет поверхностную плотность 170 г/м 2 при числе нитей основы и утка на 10 см равном 136. Разрывное удлинение ткани по основе 8,6%, по утку 8,1%, усилие вытаскивания одиночной нити длиной 8 см по основе 0,58 H, по утку - 0,57 H. Результаты испытаний пакета из 16 слоев ткани размером 25 х 25 см и поверхностной плотностью 2,72 кг/м 2 приведены в табл. 2, из которой следует, что ткань с отличными физико-механическими показателями и очень высокой равномерностью обрыва нитей основы и утка (соотношение 0,96) не держит пулю. Пример 4 (основной). Ткань для баллистической защиты полотняного переплетения из арамидной нити (СВМ) линейной плотности 58,8 текс с круткой 13 кручений на метр по основе (коэффициент крутки 0,99) и 50 кручений на метр по утку (коэффициент крутки 3,83) имеет поверхностную плотность 170 г/м 2 при числе нитей основы и утка на 10 см равном 136. Разрывное удлинение ткани по основе 8,1%, по утку - 8,0%, усилие вытаскивания одиночной нити длиной 8 см по основе 0,95 H, по утку - 0,88 H. Результаты испытаний пакета из 16 слоев ткани размером 25 х 25 см и поверхностной плотностью 2,72 кг/м 2 приведены в табл. 2, из которой следует, что ткань обладает хорошей баллистической стойкостью при высокой равномерности обрывов нитей основы и утка (соотношение 0,9). Пример 5 (сравнительный). Ткань для баллистической защиты полотняного переплетения из арамидной нити (СБМ) линейной плотности 58,8 текс с круткой 100 кручений на метр по основе и по утку (коэффициент крутки 7,66) имеет поверхностную плотность 176 г/м 2 при числе нитей основы и утка на 10 см равном 140. Разрывное удлинение ткани по основе 7,2%, по утку - 6%, усилие вытаскивания одиночной нити длиной 8 см по основе 0,65 H, по утку - 0,48 H. Результаты испытаний пакета из 16 слоев ткани размером 25 х 25 см и поверхностной плотностью 2,82 кг/м 2 приведены в табл. 2, из которой следует, что, несмотря на повышенную плотность ткани, пакет пропускает пулю при низкой равномерности обрывов нитей основы и утка (соотношение 0.56). Пример 6 (сравнительный). Ткань для баллистической защиты полотняного переплетения из арамидной нити (СВМ) линейной плотности 58,8 текс с круткой 100 кручений на метр по основе и по утку (коэффициент крутки 7,66) имеет поверхностную плотность 183 г/м 2 при числе нитей основы и утка на 10 см равном 144. Разрывное удлинение ткани по основе 8,5%, по утку - 5,6%, усилие вытаскивания одиночной нити длиной 8 см по основе 0,95 H, по утку - 0,58 H. Результаты испытаний пакета из 16 слоев ткани размером 25 х 25 см и поверхностной плотностью 2,93 кг/м 2 приведены в табл. 2, из которой следует, что несмотря на еще большую плотность ткани (по сравнению с примером 5), пакет не держит пулю и ткань работает еще хуже, что видно из соотношения обрывов нитей основы и утка, равного 0,43. Величина отдулины, образующаяся при испытании стандартного пакета из 24 слоев ткани артикула 56319, была принята за 1. По этому показателю все экспериментальные ткани имели преимущество (отдулина не превышала 0,75). Обычно баллистически стойкая ткань считается эффективной, если количество пробитых слоев тканого пакета, собранного из нее, не превышает 50%. Данные примеров и таблиц показывают, что по сравнению с применяемыми в настоящее время для целей бронезащиты тканями, в том числе и с тканями, изготовленными по патенту РФ 2041986, предлагаемая в данном изобретении ткань в соответствии с формулой изобретения обладает более высокими пулезащитными свойствами, что позволяет сократить количество слоев тканого материала при изготовлении бронежилета и уменьшить его вес.

Формула изобретения

1. Защитная ткань полотняного переплетения из высокопрочной арамидной нити равной линейной плотности по основе и утку, отличающаяся тем, что ткань выполнена из нитей с одинаковой продольной конфигурацией и равным количеством нитей на единицу ширины в обоих направлениях, а коэффициент крутки нитей не превышает 4. 2. Защитная ткань полотняного переплетения из высокопрочной арамидной нити равной линейной плотности по основе и утку, отличающаяся тем, что ткань выполнена из нитей с одинаковой продольной конфигурацией и равным количеством нитей на единицу ширины в обоих направлениях, а коэффициент крутки нитей одного из направлений не превышает 4.

До революции продажа и для личного пользования было уделом мастеров-одиночек. Спросом пользовались даже книжки на тему «Сделай сам». В частности, инженер Егор Каланов из Борисоглебска через газету «Ярославские губернские ведомости» разместил объявление: «Помогу сделать панцирь от пуль нагана и револьверов новых образцов. Секрет стоит один рубль, но спасет от смутьянов и грабителей».

По мнению эксперта по бронежилетам Игоря Новоселова, связано это было с наличием оружия у населения. «Среди тех, кто пытался нажиться на этом, были и инженеры Маврикий Лаский и Казимир Цеглен, которые предоставили в Полицейский Резерв свою многослойную ткань, - поясняет Новоселов. - Но с появлением патронов с бездымным порохом, с более высокой начальной скоростью, эта идея была забыта. Вплоть до 1955 года ударение ставилось на стальные панцири. Так что попытки заработать на этом деле были еще сто лет назад».

С тех пор многое изменилось. Новые технологические возможности и инновационные материалы позволяют шить бронежилеты практически так же, как обычные швейные изделия. О том, как заработать на этом нетрадиционном для российского малого бизнеса предпринимательстве, мы и решили рассказать.

Акцент на «первоклассниках»

В наши дни актуальность использования бронежилетов в личных целях резко возросла, в том числе и нательной бронезащиты от пуль травматического и холодного оружия. Форумчанин RNVHD1987 спрашивает: «Где можно купить рубашку из материала, защищающего от ножа и травматики? Нарваться на серьезный огнестрел можно, но чаще всего защита нужна от пьяных горячих парней, например, в ресторане. Они-то сразу стреляют из «Осы» или норовят ударить ножом».

Ему вторит и продавец травматического оружия Игорь Маркелов из Москвы: «Люди спрашивают про легкие бронежилеты. Если они выкладывают по 10-15 тысяч за пугач с резиновыми пулями, то за рубашку от ножа и пули с дульной энергией до 85 Дж запросто отдадут столько же. Важно, чтобы такая одежда не сильно отличалась от обычной». Таким образом, у малого бизнеса на рынке бронежилетов имеется ниша нательной защиты первого класса.

В целом, эксперты призывают начинающих бизнесменов ориентироваться на первый и второй класс. Для сведения: по российской классификации к «первоклассникам» относят нательную пассивную защиту весом не более 3 кг, которая при этом способна защитить от пуль с малой кинетической энергией и от удара ножа. Второй класс рассчитан уже на защиту от пуль пистолетов типа «наган», ПСМ, ПМ, а также от дроби из охотничьего ружья.

Правильный выбор баллистической ткани

Предприниматель Максим Савельев, который уже несколько лет пробует себя в этом бизнесе, уверен, что заработать на этом рынке можно. «Прежде всего, необходимо определится с материалами, из которых планируете шить бронежилеты, - считает он. - Далее решить вопрос с технологией и уже потом со сбытом. Раньше в России в частном бизнесе в основном использовали американский кевлар и нидерландский тварон, сейчас всё чаще ориентируются на наши ткани, например СВМ».

По его мнению, российские ткани ничем не уступают импортным, а по некоторым показателям - лучше. К примеру, ткань из арамидной нити производства НПО «Термостойкий текстиль» имеет низкий запреградный прогиб при попадании пули.

Среди российских новинок баллистической ткани интерес представляют ткань AuTx, которую часто называют «золотым текстилем». Этот материал выпускается нашей компанией «Каменскволокно». «Бронежилет из AuTx при равных прочностных характеристиках по сравнению с бронежилетом из кевлара вдвое легче, - утверждает Игорь Маркелов. - А между тем, это важнейший коммерческий показатель. К примеру, «первоклассник» из кевлара весит 1,5 кг, когда такая же пассивная защита из «золотого текстиля» - всего 750 грамм. Следовательно, можно без ущерба по массе вставить пластины сверхвысокомолекулярного полиэтилена».

Советы предпринимателей

Как правило, продавцы этих материалов прилагают подробные инструкции по технологии бесшовного шитья. «Ориентир на тот или иной материал определяет набор оборудования, - говорит Максим Савельев. - Что касается оборудования, то понадобятся ножницы Miller KS-1, например, для кевлара и других аналогичных тканей ценой до 1 000 рублей. А для «шитья» часто используют метод , в частности с помощью машины KOUCCI KCM-6620 с ценником 350 тысяч рублей. Опять-таки, все зависит от материала».

«Такие бронежилеты реализуются в том числе и через интернет-магазины, - говорит Новоселов. - Их названия говорят сами за себя: «Ямайка», «Грация», «Казак». Производители стремятся сделать эту защиту незаметной и легкой, для подрубашечного ношения . Однако в любом случае нужна сертификация».

По словам Игоря Новоселова, сертификацию можно пройти в АНО «Вымпел-Тест», который руководствуется ГОСТ Р 50744. «Для этого представляют документы согласно утвержденному перечню, в том числе технологическую документацию, протоколы испытаний и гигиенический сертификат на материалы, - говорит эксперт. - После этого бизнес можно считать стартовавшим».

Все защитные структуры бронеодежды можно разделить на пять групп, в зависимости от применяемых материалов:

Текстильная (тканая) броня на основе арамидных волокон

Сегодня баллистические ткани на основе арамидных волокон являются базовым материалом для гражданских и военных бронежилетов. Баллистические ткани производятся во многих странах мира и существенно различаются не только названиями, но характеристиками. За границей это — кевлар (США) и тварон (Европа), а в России - целый ряд арамидных волокон, заметно отличающихся от американских и европейских по своим химическим свойствам.

Что же представляет собой арамидное волокно? Выглядит арамид как тонкие волокна-паутинки желтого цвета (очень редко используют другие цвета). Из этих волокон сплетаются арамидные нити, а уже из нитей впоследствии изготавливается баллистическая ткань. Арамидное волокно имеет очень высокую механическую прочность.

Большинство специалистов в области разработки бронеодежды считают, что потенциал российских арамидных волокон до сих пор полностью не реализован. Например, броневые структуры из наших арамидных волокон превосходят зарубежные в соотношении «характеристики защиты/вес». А некоторые композитные структуры по этому показателю ничуть не хуже структур из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). При этом, физическая плотность СВМПЭ в 1,5 раз меньше.

Марки баллистических тканей :

• Кевлар ® (Дюпон, США)
• Тварон ® (Тейджин Арамид, Нидерланды)
• СВМ, РУСАР® (Россия)
• Херакрон® (Колон, Корея)

Металлическая броня на основе стали (титан) и алюминиевых сплавов

После длительного перерыва со времен средневековых доспехов, бронепластины изготавливались из стали и широко использовались во время Первой и Второй Мировых войн. Легкие сплавы стали применяться позже. Например, во время войны в Афганистане получили распространение бронежилеты с элементами из броневого алюминия и титана. Современные броневые сплавы позволяют уменьшить толщину панелей в два-три раза по сравнению с панелями, изготовленными из стали, и, следовательно, в два-три раза уменьшают вес изделия.

Алюминиевая броня. Алюминий превосходит стальную броню, обеспечивая защиту от бронебойных пуль калибра 12,7 или 14,5 мм. Кроме того, алюминий обеспечен сырьевой базой, более технологичен, хорошо сваривается и обладает уникальной противоосколочной и противоминной защитой.

Титановые сплавы. Основным преимуществом титановых сплавов считается сочетание коррозионной стойкости и высоких механических свойств. Чтобы получить сплав титана с заранее определенными свойствами, его подвергают легированию хромом, алюминием, молибденом и другими элементами.

Керамическая броня на основе композиционных керамических элементов

С начала 80-х годов в производстве бронеодежды применяются керамические материалы, превосходящие металлы по соотношению «степень защиты/вес». Однако, использование керамики возможно только в сочетании с композитами из баллистических волокон. При этом необходимо решать проблему низкой живучести подобных бронепанелей. Также не всегда удается эффективно реализовать все свойства керамики, поскольку такая бронепанель требует бережного обращения.

В Российском Минобороны задачу высокой живучести керамических бронепанелей обозначили еще в 1990-х годах. До тех пор керамические бронепанели сильно проигрывали стальным по этому показателю. Благодаря такому подходу сегодня российские войска имеют надежную разработку - бронепанели семейства «Гранит-4».

Основная масса бронежилетов за границей состоит из композитных броневых панелей, которые изготавливаются из цельных керамических монопластин. Причина этого в том, что для солдата во время боевых действий шанс быть многократно пораженным в область одной и той же броневой панели крайне мал. Во-вторых, такие изделия гораздо более технологичны, т.е. менее трудоемки, а значит, и стоимость их гораздо ниже стоимости набора из плиток меньшего размера.

Используемые элементы:

• Оксид алюминия (корунд);
• Карбид бора;
• Карбид кремния.

Композитная броня на основе высокомодульного полиэтилена (слоистого пластика)

На сегодняшний день наиболее передовым видом бронеодежды с 1 по 3 класс (с точки зрения веса) считаются броневые панели на основе волокон СВМПЭ (сверхвысокомодульного полиэтилена).

Волокна СВМПЭ имеют высокую прочность, догоняя арамидные. Баллистические изделия из СВМПЭ имеют положительную плавучесть и не теряют при этом своих защитных свойств, в отличие от арамидных волокон. Однако СВМПЭ совершенно не подходит для изготовления бронежилетов для армии. В военных условиях велика вероятность контакта бронежилета с огнем или раскаленными предметами. Более того, зачастую бронежилет используется в качестве подстилки. А СВМПЭ, какими бы свойствами он ни обладал, остается все же полиэтиленом, предельная температура эксплуатации которого не превышает 90 градусов Цельсия. Однако СВМПЭ отлично подходит для изготовления полицейских жилетов.

Стоит заметить, что мягкая бронепанель, изготовленная из волокнистого композита, не способна обспечить защиту от пуль с твердосплавным или термоупрочненным сердечником. Максимум, что может обеспечить мягкая структура из ткани — защита от пистолетных пуль и осколков. Для защиты от пуль длинноствольного оружия необходимо использовать бронепанели. При воздействии пули длинноствольного оружия создается высокая концентрация энергии на малой площади, к тому же такая пуля является острым поражающим элементом. Мягкие ткани в пакетах разумной толщины их уже не удержат. Именно поэтому целесообразно использовать СВМПЭ в конструкции с композитным основанием бронепанелей.

Основными поставщиками арамидных волокон из СВМПЭ для баллистических продуктов являются:

• Дайнима® (ДСМ, Нидерланды)
• Спектра® (США)

Комбинированная (многослойная) броня

Материалы для бронежилетов комбинированного типа подбираются в зависимости от условий, в которых будет эксплуатироваться бронеодежда. Разработчики СИБ комбинируют применяемые материалы и используют их вместе — таким образом удалось значительно улучшить защитные свойства бронеодежды. Текстильно-металлическая, керамикоорганопластиковая и другие виды комбинированной брони на сегодняшний день широко используются во всем мире.

Уровень защиты бронеодежды варьируется в зависимости от материалов, которые в ней используются. Однако, сегодня решающую роль играют не только сами материалы для бронежилетов, но и специальные покрытия. Благодаря достижениям нанотехнологии, уже разрабатываются модели, удароустойчивость которых многократно повышена при значительном уменьшении толщины и веса. Такая возможность возникает благодаря нанесению на гидрофобизированный кевлар специального геля с наночистицами, повышающего стойкость кевлара к динамическому удару в пять раз. Такая броня позволяет существенно уменьшить размеры бронежилета, сохраняя тот же класс защиты.

О классификации СИЗ читайте .

dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2014-0-9-6-6

АРАМИДНЫЙ СЛОИСТО-ТКАНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ И УДАРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Исследован арамидный слоисто-тканый материал, предназначенный для защитных конструкций, в частности - для усиления корпуса вентилятора авиационного турбореактивного двигателя, что позволит обеспечить непробиваемость корпуса при разрушении лопатки вентилятора. Рассмотрено влияние состава и структуры арамидного слоисто-тканого материала на его ударную и баллистическую стойкость.

Введение

Развитие авиационной техники требует постоянного совершенствования материалов. Использование современных композиционных материалов позволяет повысить весовые и эксплуатационные характеристики изделий . Снижение массы воздушного судна имеет принципиальное значение, поскольку позволяет снизить потребление топлива, увеличить полезную нагрузку, т. е. количество пассажиров и объем груза . Арамидные пластики как конструкционные материалы, отличаются низкой плотностью, высокими характеристиками прочности и ударной вязкости. Органопластики - многофункциональные материалы. В зависимости от состава и структуры они могут применяться для изготовления деталей различного назначения - конструкционного, электро- и радиотехнического, теплоизоляционного, для защиты от механического и баллистического воздействия .

При попадании в двигатель самолета птиц или инородных предметов важно, чтобы разрушение лопаток вентилятора не привело к повреждению обшивок планера самолета и системы управления . С целью защиты в авиационных турбореактивных двигателях корпуса вентилятора используют органопластики (Органит 6Н, Органит 6НТ). Органопластик позволяет локализовать зону разрушения и удержать разрушившиеся лопатки внутри корпуса вентилятора.

В соответствии с ужесточенными требованиями норм АП-23 корпус вентилятора двигателя должен удерживать лопатку вентилятора в случае ее разрушения в корневом сечении. При этом вторичные эффекты при разрушении лопатки (разрушение других лопаток, увеличение дисбаланса ротора, местное повышение температуры) не должны приводить к таким опасным последствиям, как возникновение нелокализованного пожара, разлет опасных фрагментов за пределы корпуса двигателя.

Для удерживающего устройства корпуса вентилятора разработан арамидный слоисто-тканый материал. Стойкость арамидного слоисто-тканого материала к высокоскоростному ударному воздействию зависит в первую очередь от баллистической стойкости ткани . Способ фиксации слоев ткани относительно друг друга является наиболее значимым конструктивно-технологическим фактором для обеспечения максимальной реализации баллистических свойств ткани в составе изделия.

В настоящее время в России и за рубежом накоплен большой опыт ис-пользования тканей из высокопрочных арамидных волокон (СВМ, Русар, Кевлар, Тварон) для изготовления ненагруженных защитных конструкций (бронежилетов, броневых панелей автомобилей и др.) .

Известно, что с уменьшением линейной плотности элементарных волокон (филаментов) баллистическая стойкость тканей повышается . По данным разработчиков ткани из микрофиламентных нитей, именно малый диаметр филаментов в сочетании с химической структурой полимера позволяет нитям выдерживать значительные напряжения при изгибе без разрушения и обеспечивать высокие баллистические характеристики ткани.

При выборе армирующего наполнителя для арамидного слоисто-тканого материала для удерживающего устройства корпуса вентилятора наряду с баллистической стойкостью важным требованием является коррозионная безопасность арамидной ткани по отношению к металлам. Коррозионная безопасность является важнейшей характеристикой авиационных материалов. Коррозионно-опасными (коррозионно-активными) являются материалы, способные выделять во внешнюю среду кислые или щелочные продукты, вызывающие коррозию. Коррозионную активность оценивают по кислотности материала, выражаемой с помощью водородного показателя - рН водной выдержки, а также по концентрации ионов Сl" и SO 4 ² в водной вытяжке измельченного образца материала. Для авиационных материалов показатель рН водной вытяжки должен быть в пределах 6-7; содержание ионов Сl" не должно превышать 0,02%; ионов SO 4 ² - до 0,05%. Разработанные предприятием ЗАО «КШФ „Передовая текстильщица”» баллистические ткани из нейтральных арамидных нитей удовлетворяют этим требованиям. Целью данной работы является исследование характеристик арамидного слоисто-тканого материала в зависимости от его состава, структуры и технологических способов, используемых при его изготовлении.

Материалы и методы

Для армирования арамидного слоисто-тканого материала выбрана ткань из нейтрального отечественного арамидного волокна. Ткань имеет высокую баллистическую стойкость, повышенную стойкость к поглощению влаги, в том числе благодаря водоотталкивающей пропитке. Ткань имеет высокие технологические свойства (высокая формоустойчивость текстильной структуры и гибкость) и может быть использована для изготовления изделия методом намотки .

Слои арамидного слоисто-тканого материала для удерживающего устройства корпуса вентилятора необходимо фиксировать относительно друг друга, чтобы исключить их смещение в процессе эксплуатации и обеспечить работоспособность изделия. Полимерный материал для соединения слоев ткани должен обладать высокой адгезией и химико-технологической совместимостью с арамидными волокнами .

Для соединения слоев арамидной ткани использовали клеи двух марок - ВКР-27 и ВК-3. Преимуществом клея ВКР-27 является его способность к отверждению при комнатной температуре. Особенностью этого клея является то, что его следует наносить на ткань непосредственно при намотке изделия, т. е. использовать «мокрую» намотку при изготовлении изделия. Клей ВК-3 - клей горячего отверждения. Преимуществом этого клея является возможность изготовления на его основе препрегов (путем предварительного нанесения на арамидную ткань), которые можно использовать при изготовлении изделий методом «сухой» намотки. Клеи ВКР-27 и ВК-3 позволяют реализовать баллистические свойства ткани в составе арамидного слоисто-тканого материала. Технологические характеристики клеев позволяют осуществлять их локальное дозированное нанесение на армирующий наполнитель при изготовлении изделия методом «мокрой» (клей ВКР-27) или «сухой» намотки (клей ВК-3).

Клеи ВКР-27 и ВК-3 обладают высокой липкостью, которая исключает возможность смещения слоев при изготовлении изделия методом намотки. Важно, что при использовании этих клеев возможно локальное дозированное нанесение их на поверхность ткани для создания локальных зон фиксации слоев ткани относительно друг друга.

Площадь и характер распределения зон фиксации слоев арамидной ткани могут влиять на весовые характеристики и баллистическую стойкость арамидного слоисто-тканого материала. Для выявления этих закономерностей проведены исследования влияния способа фиксации слоев ткани (соединение слоев ткани по всей поверхности, локальные соединения различной площади) на баллистические характеристики арамидного слоисто-тканого материала и осуществлена оценка свойств такого материала при различном расположении локальных зон фиксации слоев.

Для исследования влияния способов фиксации на баллистическую стойкость арамидного слоисто-тканого материала проводили нанесение полимерного материала на арамидную ткань различными способами (рис. 1):

Равномерное нанесение полимерного материала по всей поверхности ткани (на 100% поверхности ткани);

Локальное нанесение в виде полос шириной 5-20 мм, занимающих от 10 до 50% поверхности ткани.

Рисунок 1. Равномерное нанесение клея по всей поверхности ткани (а ) и локальное нанесение клея в виде полос шириной 5-20 мм, занимающих от 10 до 50% поверхности ткани (б )

При локальном нанесении варьировали расположение зон нанесения полос клея на поверхность ткани: параллельно нитям основы ткани или под углом к нитям основы.

Баллистические испытания образцов арамидного слоисто-тканого материалапроводили на образцах размером 240×240 мм и толщиной 4,5-5,4 мм. Баллистическое воздействие осуществляли стальным шариком массой 1 г, Ø6,35 мм из баллистического ствола калибром 7 мм по ГОСТ РВ8470-001-2008 с определением u 50 - скорости
50%-ного непробития (скорости шарика, при которой вероятность непробития преграды составляет 50%).

Испытания к высокоскоростному ударному воздействию образцов арамидного слоисто-тканого материалапроводили ударником (стальной цилиндр массой 20 г, Ø14 мм, длиной 17 мм). Для разгона ударника в стволе пушки использовались гильзы, представляющие собой тонкостенные стаканы из стеклопластика Ø39,8 мм с толщиной стенки 1 мм. На дне стакана сделана ответная часть Ø14 мм и длиной 7 мм для удержания ударника. Внутрь дна гильзы для его укрепления впрессована круглая пластинка из текстолита толщиной 2 мм. Для захвата гильзы, перед образцом устанавливалась ловушка в виде массивной шайбы Ø70 мм и сквозным отверстием Ø25 мм. При ударе о ловушку цилиндрическая часть гильзы разбивалась на мелкие фрагменты, ее задняя, наиболее массивная, часть задерживалась в ловушке, а цилиндрический ударник продолжал полет с той же скоростью в сторону образца. Испытательная установка и вид образца после ударных испытаний показаны на рис. 2.

Рисунок 2. Установка для испытаний (а ) и вид образца (б ) арамидного слоисто-тканого материала после высокоскоростного ударного воздействия

В качестве критерия оценки стойкости арамидного слоисто-тканого материала к высокоскоростному ударному воздействию использовали следующие параметры:

Скорость ударника перед и за образцом;

Остаточная выпуклость образца после удара.

Результаты

В табл. 1 представлены результаты проведенных баллистических испытаний образцов арамидного слоисто-тканого материала, отличающихся размером площади фиксации слоев ткани относительно друг друга и характером распределения зон фиксации в объеме материала.

Таблица 1

Баллистическая стойкость образцов арамидного слоисто-тканого материала

в зависимости от способов фиксации слоев ткани

* Коэффициент баллистической стойкости рассчитывается как отношение u 50 арамидного слоисто-тканого материала к u 50 пакета ткани.

Установлено, что при уменьшении площади зон фиксации (локальное соединение) от 100 до 10% реализация баллистической стойкости ткани возрастает с 0,89 до 0,97, поэтому для реализации высоких баллистических характеристик ткани и снижения массы изделия целесообразно использовать локальное соединение слоев ткани.

Результаты испытаний на стойкость к высокоскоростному ударному воздействию образцов арамидного слоисто-тканого материала с локальным соединением слоев представлены в табл. 2.

Таблица 2

Стойкость опытных образцов арамидного слоисто-тканого материала

к высокоскоростному ударному воздействию

* Образцы арамидного слоисто-тканого материала и пакета арамидной ткани содержат одинаковое количество слоев.

В результате проведенных исследований установлено, что по стойкости к высокоскоростному удару опытные образцы арамидного слоисто-тканого материала не уступают пакету исходного армирующего наполнителя. При проведении испытаний на результаты эксперимента большое влияние оказывает положение ударника при соприкосновении его с образцом: наиболее жесткие условия воздействия возникают при ударе ребром ударника.

Локальная фиксация слоев слоисто-тканого материала обеспечивает механическую связь между слоями, но при этом не фиксирует жестко все армирующие волокна, что позволяет обеспечить высокую сопротивляемость такого материала ударному воздействию за счет способности его к большим деформациям и поглощению энергии удара трением, возникающим между отдельными волокнами.

Обсуждение и заключения

На баллистическую стойкость слоисто-тканого материала влияет характер распределения зон фиксации. Наибольшей баллистической стойкостью обладают образцы слоисто-тканого материала с более равномерным распределением зон фиксации в объеме материала, со смещением зон относительно друг друга по толщине материала.

Высокая стойкость арамидного слоисто-тканого материала к ударным и баллистическим воздействиям позволяет рассматривать эти материалы как перспективные для изготовления защитных конструкций различных типов - удерживающих устройств корпуса вентилятора турбореактивных двигателей, панелей, перегородок, обеспечивающих безопасность эксплуатации авиационных конструкций в нештатных ситуациях (разрушение механизмов, баллистическое поражение пулями и осколками взрывных устройств).

ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST

1. Каблов Е.Н. Современные материалы – основа инновационной модернизации России //Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10–15.
2. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
3. Гуняев Г.М., Кривонос В.В., Румянцев А.Ф., Железина Г.Ф. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов //Конверсия в машиностроении. 2004. №4 (65). С. 65–69.
4. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520–530.
5. Железина Г.Ф. Конструкционные и функциональные органопластики нового поколения //Труды ВИАМ. 2013..
6. Железина Г.Ф. Особенности разрушения органопластиков при ударных воздействиях //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 272–277.
7. Шульдешова П.М., Железина Г.Ф. Влияние атмосферных условий и запыленности среды на свойства конструкционных органопластиков //Авиационные материалы и технологии. 2014. №1. С. 64–68.
8. Железина Г.Ф., Шульдешова П.М. Конструкционные органопластики на основе пленочных клеев //Клеи. Герметики. Технологии. 2014. №2. С. 9–14.
9. Препрег и стойкое к удару и баллистическому воздействию изделие, выполненное из него: пат. 2304270 Рос. Федерация; опубл. 27.02.08.
10. Железина Г.Ф., Соловьева Н.А., Орлова Л.Г., Войнов С.И. Баллистически стойкие арамидные слоисто-тканые композиты для авиационных конструкций //Все материалы. Энциклопедический справочник. Композиционные материалы. 2012. №12. С. 23–26.
11. Деев И.С., Кобец Л.П. Исследование микроструктуры и особенностей разрушения эпоксидных полимеров и композиционных материалов на их основе. Ч. 1 //Материаловедение. 2010. №5. С. 8–16.
12. Деев И.С., Кобец Л.П. Исследование микроструктуры и особенностей разрушения эпоксидных полимеров и композиционных материалов на их основе. Ч. 2 //Материаловедение. 2010. №6. С. 13–18.
13. Хрульков А.В., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследования и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292–301.
14. Тимошков П.Н., Коган Д.И. Современные технологии производства полимерных композиционных материалов нового поколения //Труды ВИАМ. 2013. №4
(сайт).
15. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Сереженков А.А. Конструкционные и термостойкие клеи //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S.
С. 328–335.
16. Коган Д.И., Чурсова Л.В., Петрова А.П. Полимерные композиционные материалы, полученные путем пропитки пленочным связующим //Все материалы. Энциклопедический справочник. Композиционные материалы. 2011. №11. С. 2–6.
17. Коган Д.И., Чурсова Л.В., Петрова А.П. Технология изготовления ПКМ способом пропитки пленочным связующим //Клеи. Герметики. Технологии. 2011. №6.
С. 25–29.
18. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Ким М.А., Бабин А.Н. Расплавные связующие для перспективных методов изготовления ПКМ нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 260–265.
19. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38–42.

1. Kablov E.N. Sovremennye materialy – osnova innovacionnoj modernizacii Rossii //Metally Evrazii. 2012. №3. S. 10–15.
2. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
3. Gunjaev G.M., Krivonos V.V., Rumjancev A.F., Zhelezina G.F. Polimernye kompozicionnye materialy v konstrukcijah letatel"nyh apparatov //Konversija v mashinostroenii. 2004. №4 (65). S. 65–69.
4. Kablov E.N. Materialy i himicheskie tehnologii dlja aviacionnoj tehniki //Vestnik Rossijskoj akademii nauk. 2012. T. 82. №6. S. 520–530.
5. Zhelezina G.F. Konstrukcionnye i funkcional"nye organoplastiki novogo pokolenija //Trudy VIAM. 2013..
6. Zhelezina G.F. Osobennosti razrushenija organoplastikov pri udarnyh vozdejstvijah //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 272–277.
7. Shul"deshova P.M., Zhelezina G.F. Vlijanie atmosfernyh uslovij i zapylennosti sredy na svojstva konstrukcionnyh organoplastikov //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2014. №1. S. 64–68.
8. Zhelezina G.F., Shul"deshova P.M. Konstrukcionnye organoplastiki na osnove plenochnyh kleev //Klei. Germetiki. Tehnologii. 2014. №2. S. 9–14.
9. Prepreg i stojkoe k udaru i ballisticheskomu vozdejstviju izdelie, vypolnennoe iz nego : pat. 2304270 Ros. Federacija; opubl. 27.02.08.
10. Zhelezina G.F., Solov"eva N.A., Orlova L.G., Vojnov S.I. Ballisticheski stojkie aramidnye sloisto-tkanye kompozity dlja aviacionnyh konstrukcij //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. Kompozicionnye materialy. 2012. №12. S. 23–26.
11. Deev I.S., Kobec L.P. Issledovanie mikrostruktury i osobennostej razrushenija jepoksidnyh polimerov i kompozicionnyh materialov na ih osnove. Ch. 1 //Materialovedenie. 2010. №5. S. 8–16.
12. Deev I.S., Kobec L.P. Issledovanie mikrostruktury i osobennostej razrushenija jepoksidnyh polimerov i kompozicionnyh materialov na ih osnove. Ch. 2 //Materialovedenie. 2010. №6. S. 13–18.
13. Hrul"kov A.V., Dushin M.I., Popov Ju.O., Kogan D.I. Issledovanija i razrabotka avtoklavnyh i bezavtoklavnyh tehnologij formovanija PKM //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 292–301.
14. Timoshkov P.N., Kogan D.I. Sovremennye tehnologii proizvodstva polimernyh kompozicionnyh materialov novogo pokolenija //Trudy VIAM. 2013..
15. Lukina N.F., Dement"eva L.A., Petrova A.P., Serezhenkov A.A. Konstrukcionnye i termostojkie klei //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 328–335.
16. Kogan D.I., Chursova L.V., Petrova A.P. Polimernye kompozicionnye materialy, poluchennye putem propitki plenochnym svjazujushhim //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. Kompozicionnye materialy. 2011. №11. S. 2–6.
17. Kogan D.I., Chursova L.V., Petrova A.P. Tehnologija izgotovlenija PKM sposobom propitki plenochnym svjazujushhim //Klei. Germetiki. Tehnologii. 2011. №6. S. 25–29.
18. Muhametov R.R., Ahmadieva K.R., Kim M.A., Babin A.N. Rasplavnye svjazujushhie dlja perspektivnyh metodov izgotovlenija PKM novogo pokolenija //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 260–265.
19. Muhametov R.R., Ahmadieva K.R., Chursova L.V., Kogan D.I. Novye polimernye svjazujushhie dlja perspektivnyh metodov izgotovlenija konstrukcionnyh voloknistyh PKM //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №2. S. 38–42.

Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.