Способ изготовления бронепанели из полимерных композитов и бронепанель из полимерных композитов

Способ изготовления бронепанели из полимерных композитов и бронепанель из полимерных композитов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области вооружения, к разработкам средств защиты и может быть использовано для изготовления бронепанелей для защиты техники и личного состава.

Известна бронепреграда и способ ее изготовления по патенту ФРГ №2334941 от 31.10.72, МКИ⁷ F41H 1/04. Бронепреграда содержит слои полимерного композита.

Известна противоосколочная броня, по патенту США №4664967 НКИ 428-220, МКП⁷ B32B 3/12, публ. 87.05.12.

Известна броня, содержащая слои полимерного композиционного материала (ПКМ) из арамидных волокон по РСТ (WO) №9206840, МКП⁷ F41H 5/04 от 28.02.91.

Также известна бронепанель и способ ее изготовления по заявке Великобритании №2 148 185 от 30.05.1985, МКИ⁷ B32B 7/08.

Известная бронепанель из полимерных композитов содержит синтетическую матрицу, армированную слоями арамидного материала.

При изготовлении бронепанели известным способом прессуют пакет из многослойной полимерной оболочки из арамидного материала, пропитанного синтетическим связующим с образованием матрицы.

Недостатком известной бронепанели и способа ее изготовления является низкая надежность работы из-за низкой несущей способности армирующих арамидных волокон при их извитости (наличии перегибов) в слоях из ткани, а при выравнивании волокон (выполнении слоев из однонаправленных жгутов-ровингов) из-за недостаточного и неравномерного усилия вытягивания волокон из матрицы, снижающего также энергоемкость брони при ее взаимодействии с проникающим поражающим элементом, кроме того, энергоемкость известной бронепанели снижена из-за чрезмерной жесткости материала матрицы, препятствующей поглощению энергии поражающего элемента деформацией дополнительных объемов этого материала.

Известный способ изготовления и известная бронепанель, как наиболее близкие по технической сущности и достигаемому результату, выбраны в качестве прототипов.

Технической задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является создание бронепанели повышенной надежности работы и разработка технологии ее изготовления.

Технический результат способа и устройства, который может быть получен при решении технической задачи, заключается в повышении надежности работы бронепанели за счет повышения несущей способности армирующих арамидных волокон, исключением их извитости за счет повышения и оптимизации усилия вытягивания волокон из матрицы с повышением энергоемкости брони при ее взаимодействии с проникающим поражающим элементом за счет повышения энергоемкости бронепанели поглощением энергии поражающего элемента сдвиговыми деформациями дополнительных объемов материала матрицы вдоль вытягиваемых волокон.

Поставленная задача с достижением технического результата решается за счет того, что при осуществлении способа изготовления бронепанели из полимерных композитов прессуют пакет из слоев арамидного материала, пропитанного синтетическим связующим с образованием матрицы, при этом в соответствии с изобретением каждый слой арамидного материала формируют из параллельных волокон с изменением их направления по слоям, а каждое волокно дополнительно закрепляют в матрице химической связью материала волокон, содержащего в арамидной группировке NH-группы и связующего, содержащего NCO-группы за счет приготовления его на основе форполимера уретанового СКУ ПФЛ-100, и повышают тем самым эластичность матрицы, причем для формирования слоя арамидного материала берут отрезки однонаправленного жгута-ровинга, равномерно распределяя последние по всей площади прессования с обеспечением поверхностной плотности для каждого слоя, замеренной до пропитки, 0,5-1,2 кг/м², а эластичность матрицы обеспечивают использованием связующего с предельным относительным удлинением при разрыве 200-320% за счет применения композиции следующего состава:

- форполимер уретановый СКУ-ПФЛ-100 - 100 м.ч. (массовых частей);

- эпоксидная смола ЭД-20 - 10 м.ч.;

- отвердитель диамет-Х - 14 м.ч.;

- ацетон - 8 м.ч.

Поставленная задача с достижением технического результата для устройства решается за счет того, что бронепанель из полимерных композитов, изготовленная представленным выше способом, содержит синтетическую матрицу, армированную слоями арамидного материала, при этом в соответствии с изобретением каждый слой арамидного материала сформирован из параллельных волокон с изменением их направления по слоям, а каждое волокно снабжено оболочкой из продукта химической связи материала волокон, содержащего в арамидной группировке NH-группы и материала матрицы, содержащего NCO-группы, за счет наличия в его составе форполимера уретанового СКУ ПФЛ-100, причем каждый слой арамидного материала выполнен из отрезков однонаправленного жгута-ровинга, равномерно распределенных по всей площади бронепанели, а эластичность матрицы обеспечена применением материала с предельным относительным удлинением при разрыве 200-320%.

Отличительными признаками способа являются следующие признаки:

- каждый слой арамидного материала формируют из параллельных волокон с изменением их направления по слоям - признак существенный, предусматривает наличие новых операций и новое их исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы бронепанели за счет повышения несущей способности армирующих арамидных волокон исключением их извитости, так как исследованиями установлено, что наличие изгибов и перегибов, присущих волокнам в тканях, значительно снижает их прочность при всех условиях нагружения;

- каждое волокно дополнительно закрепляют в матрице химической связью материала волокон, содержащего в арамидной группировке NH-группы и связующего, содержащего NCO-группы за счет приготовления его на основе форполимера уретанового СКУ ПФЛ-100 - признак существенный, предусматривает наличие новых операций и новое их исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы бронепанели за счет повышения и оптимизации усилия вытягивания волокон из матрицы с повышением энергоемкости брони при ее взаимодействии с проникающим поражающим элементом, так как при этом взаимодействии в известной бронепанели усилие вытягивания волокна обеспечивается его извитостью, а в предлагаемой - упомянутой, более эффективной, химической связью;

- повышают эластичность матрицы - признак существенный, предусматривает наличие новых операций, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы бронепанели за счет повышения энергоемкости бронепанели поглощением энергии поражающего элемента сдвиговыми деформациями дополнительных объемов эластичного материала матрицы вдоль вытягиваемых волокон, так как наибольшая энергоемкость эластомеров реализуется как раз работой на сдвиг (пример - резиновый сайленд-блок);

- причем для формирования слоя арамидного материала берут отрезки однонаправленного жгута-ровинга, равномерно распределяя последние по всей площади прессования с обеспечением поверхностной плотности для каждого слоя, замеренной до пропитки, 0,5-1,2 кг/м² - признак существенный, предусматривает наличие новых операций и новое их исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы бронепанели, является полученным экспериментально примером конкретного, наиболее оптимального, исполнения первого из перечисленных признака, доказательство его существенности аналогично;

- эластичность матрицы обеспечивают использованием связующего с предельным относительным удлинением при разрыве 200-320% за счет применения композиции следующего состава:

- форполимер уретановый СКУ-ПФЛ-100 - 100 м.ч. (массовых частей);

- эпоксидная смола ЭД-20 - 10 м.ч.;

- отвердитель диамет-Х - 14 м.ч.;

- ацетон - 8 м.ч. - признак существенный, предусматривает наличие новых операций и новое их исполнение, обеспечивает выполнение второго из перечисленных признака, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы бронепанели, является полученным экспериментально примером конкретного, наиболее оптимального, исполнения третьего из перечисленных признака, доказательство его существенности аналогично.

Отличительными признаками устройства являются следующие признаки:

- каждый слой арамидного материала сформирован из параллельных волокон с изменением их направления по слоям - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов и новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении надежности работы бронепанели, доказательство существенности - аналогично первому признаку способа;

- каждое волокно снабжено оболочкой из продукта химической связи материала волокон, содержащего в арамидной группировке NH-группы и материала матрицы, содержащего NCO-группы, за счет наличия в его составе форполимера уретанового СКУ ПФЛ-100 - признак существенный, предусматривает наличие нового элемента и применение нового материала, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в повышении надежности работы бронепанели, доказательство существенности - аналогично второму признаку способа;

- каждый слой арамидного материала выполнен из отрезков однонаправленного жгута-ровинга, равномерно распределенных по всей площади бронепанели - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов, новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата;

- эластичность матрицы обеспечена применением материала с предельным относительным удлинением при разрыве 200-320% - признак существенный, предусматривает применение материала с использованием новых свойств, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технического результата и характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данное техническое решение является результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению надежности работы бронепанелей без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладает неочевидностью, что свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид способа изготовления бронепанели и бронепанель, на фиг.2 - поперечный разрез бронепанели, на фиг.3 - продольный разрез зоны арамидного волокна, на фиг.4 - поперечный разрез зоны волокна, на фиг.5 - работа бронепанели, на фиг.6 - работа зоны волокна.

Способ изготовления бронепанели 1 из полимерных композитов прессуют пакет 2 из слоев 3 арамидного материала, пропитанного синтетическим связующим с образованием матрицы. Каждый слой 3 арамидного материала формируют из параллельных волокон 5 с изменением их направления 6 по слоям 3, а каждое волокно 5 дополнительно закрепляют в матрице 4 химической связью материала волокон 5, содержащего в арамидной группировке NH-группы и связующего, содержащего NCO-группы за счет приготовления его на основе форполимера уретанового СКУ ПФЛ-100, и повышают тем самым эластичность матрицы 4, причем для формирования слоя 3 арамидного материала берут отрезки однонаправленного жгута-ровинга.

Бронепанель 1 из полимерных композитов, изготовленная представленным выше способом, содержит синтетическую матрицу 4, армированную слоями 3 арамидного материала. Каждый слой 3 арамидного материала сформирован из параллельных волокон 5 с изменением их направления 6 по слоям 3, а каждое волокно 5 снабжено оболочкой 7 из продукта химической связи материала волокон 5, содержащего в арамидной группировке NH-группы и материала матрицы 4, содержащего NCO-группы, за счет наличия в его составе форполимера уретанового СКУ ПФЛ-100, причем каждый слой 3 арамидного материала выполнен из отрезков однонаправленного жгута-ровинга, равномерно распределенных по всей площади бронепанели 1, а эластичность матрицы 4 обеспечена применением материала с предельным относительным удлинением при разрыве 200-320%.

Работает бронепанель 1 следующим образом. При взаимодействии поражающего элемента 8 с бронепанелью 1 в зоне действия волны критичных напряжений образуется коноид 9 разрушения эластичного материала матрицы 4. В объеме коноида 9 получают повреждения и частично разрушаются армирующие арамидные волокна 5, однако благодаря отсутствию присущих волокнам в тканях, изгибов и перегибов, эти повреждения и разрушения незначительны. При дальнейшем проникновении поражающего элемента 8 его энергия гасится вытягиванием неразрушенных волокон 5 из массива матрицы 4. Причем в известных бронепанелях с ткаными армирующими материалами усилие вытягивания 10 обусловлено извитостью (наличием изгибов и перегибов) волокон 5. В заявляемой бронепанели 1 извитость волокон 5 компенсирована химической связью с образованием из продукта этой связи оболочки 7 с отсутствием скачка свойств от материала матрицы 4 до материала волокна 5 и отсутствием в связи с этим концентраторов напряжений. Дальнейшее поглощение энергии поражающего элемента 8, вплоть до его остановки, происходит за счет сдвиговых деформаций 11 материала матрицы 4, прилегающего к оболочке 7, а благодаря эластичности этого материала к работе подключаются расположенные вдоль волокон 5 дополнительные объемы материала, повышая эффективность торможения, также и за счет отсутствия падения величины усилия 10 и даже его повышения в процессе данной работы. Эффективность поглощения энергии поражающего элемента 8 (эффективность его торможения) повышается также подключением к работе элементов бронепанели по всем направлениям за счет изменения направления 6 расположения волокон 5 по слоям 3.

Таким образом, использование изобретений позволит создать бронепанель с повышенной надежностью работы, что и подтверждает их использование по назначению. Осуществимость изобретений подтверждена положительными результатами испытаний бронепанелей, разработка и изготовление которых полностью основаны на представленном описании. В связи с этим новое техническое решение соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.

1. Способ изготовления бронепанели из полимерных композитов, при котором прессуют пакет из слоев арамидного материала, пропитанного синтетическим связующим с образованием матрицы, отличающийся тем, что каждый слой арамидного материала формируют из параллельных волокон с изменением их направления по слоям, а каждое волокно дополнительно закрепляют в матрице химической связью материала волокон, содержащего в арамидной группировке NH-группы, и связующего, содержащего NCO-группы за счет приготовления его на основе форполимера уретанового СКУ ПФЛ-100, и повышают тем самым эластичность матрицы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования слоя арамидного материала берут отрезки однонаправленного жгута-ровинга, равномерно распределяя последние по всей площади прессования с обеспечением поверхностной плотности для каждого слоя, замеренной до пропитки, 0,5-1,2 кг/м².

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что эластичность матрицы обеспечивают использованием связующего с предельным относительным удлинением при разрыве 200-320% за счет применения композиции следующего состава, мас.ч.:

форполимер уретановый СКУ-ПФЛ-100	100
эпоксидная смола ЭД-20	10
отвердитель диамет-Х	14
ацетон	8

4. Бронепанель из полимерных композитов, содержащая синтетическую матрицу, армированную слоями арамидного материала, отличающаяся тем, что каждый слой арамидного материала сформирован из параллельных волокон с изменением их направления по слоям, а каждое волокно снабжено оболочкой из продукта химической связи материала волокон, содержащего в арамидной группировке NH-группы, и материала матрицы, содержащего NCO-группы, за счет наличия в его составе форполимера уретанового СКУ ПФЛ-100.

5. Бронепанель по п.4, отличающаяся тем, что каждый слой арамидного материала выполнен из отрезков однонаправленного жгута-ровинга, равномерно распределенных по всей площади бронепанели.

6. Бронепанель по п.4, отличающаяся тем, что эластичность матрицы обеспечена применением материала с предельным относительным удлинением при разрыве 200-320%.