Теплобронезащитная слоистая система

Теплобронезащитная слоистая система

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области средств для защиты оборудования от воздействия высоких температур (в т.ч. открытого огня) и излучения, поражающего фактора и может быть использовано в химической, в атомной и других областях науки и техники.

Известна защитная слоистая система, содержащая прочностные, теплоизолирующие слои, выполненные из материалов соответственно (патент РФ №2194683, C04B 35/573, публ. 09.01.2001 г., БИ №1/2001 г.).

К недостаткам аналога относится отсутствие возможности обеспечения защиты одновременно и от высокотемпературного теплового потока (или открытого огня) и от поражающего механического фактора, т.к. используемые в известной системе материалы не отвечают требованиям повышенной механической и термопрочности, предъявляемым к объектам повышенной чувствительности к указанным факторам.

В качестве наиболее близкой к заявляемому известна защитная слоистая система (патент РФ №2355991, МПК F41H 5/04, публ. 27.12.2008 г.).

К недостаткам прототипа относится отсутствие возможности обеспечения защиты одновременно от теплового потока, радиационного воздействия и от поражающего механического фактора.

Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка конструкции теплобронезащитной слоистой системы, отвечающей требованиям повышенной радиационной защиты и термостойкости, предъявляемым к объектам повышенной чувствительности к указанным факторам (емкости с огнеопасными материалами и жидкостями, взрывоопасными материалами).

Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой защитной слоистой системы, заключается в обеспечении возможности защиты охраняемого объекта от воздействия одновременно от теплового потока, радиационного воздействия и от разрушающего элемента за счет повышения демпфирующих свойств системы и показателей радиационной и теплозащиты.

Указанные задача и новые технические результаты достигаются тем, что в отличие от известной теплобронезащитной слоистой системы, содержащей соединенные между собой каркасный, упрочненные и теплоизолирующие слои, в соответствии с предлагаемой теплобронезащитной слоистой системой в качестве упрочненных слоев она содержит керамический материал на основе карбидов, преимущественно бора, или титана, или кремния, или оксида алюминия, или их смесей, в качестве каркасного слоя металлы или сплавы на основе титана, алюминия, железа, а в качестве теплоизолирующего слоя - неорганические соединения из группы силицидов или силикатов и дополнительно амортизирующий слой из высокомолекулярного полиэтилена, все слои системы соединены между собой высокотемпературным кремнийорганическим или силикатным адгезивом, слоистая система ограничена по всей наружной поверхности слоем углеткани или стеклоткани, пропитанным указанным адгезивом.

Предлагаемая теплобронезащитная система поясняется следующим образом.

Первоначально готовят внутренние слои, примыкающие к объекту защиты, характеризующиеся наименьшими показателями теплопроводности, для чего вырезают из цельных кусков твердых композитов (композиты на основе жидкого стекла, наполнителей из стекловойлока, базальтового полотна, углевойлока и т.п.), и дополнительно амортизирующий слой из высокомолекулярного полиэтилена, которые устанавливают в зазор между объектом защиты и внутренней поверхностью основного металлического корпуса.

Затем на основной металлический корпус наносится клеевая композиция, накладывается углеткань и проводится отверждение. Затем наносят очередной слой клеевой композиции, на который устанавливаются броневые керамические плитки. Эти операции повторяют до достижения требуемых габаритов. На полученную сборку накладывают с натягом слои ткани, пропитанные адгезивом, после чего вся система отверждается. Снаружи сборку ограничивают защитным кожухом из композиционного материала.

Защитный кожух, выполненный из композиционного материала, состоящего из чередующихся металл-углеткань слоев, собирают отдельно, затем помещают полученную сборку и защищаемый объект.

В качестве защищаемого объекта (фиг. 1,1), чувствительного к воздействию высоких температур, поражающих факторов (механических перемещающихся предметов или осколочных элементов) и открытого огня, был опробован полимерный материал, характеризующийся повышенной огне- и взрывоопасностью, который помещают в защитный кожух агрессивные агенты - вода, кислоты, щелочи, морская вода и т.п.

В защитном кожухе по отношению к объекту располагают амортизирующий слой (подбой), слой теплозащиты, выполненный из теплоизоляционного материала (типа углевойлок, кремнеземное волокно, стекловолокно и т.п.), затем в качестве механически прочного каркасного слоя металлический слой (алюминиевый сплав, титановые сплавы), на который наслаивают слои композита (количество их выбирают в зависимости от поставленной задачи), представляющего собой слои углеткани, пропитанные адгезивом на силикатном связующем (клей ТПК), за которым следует слой керамики.

Эффективность применения такого сочетания слоев для улучшения физико-механических показателей подтвердили проведенные эксперименты.

Эти слои для получения готовой слоистой системы соединяют адгезивом, в качестве которого используют боросодержащую композицию, в виде пакета помещают в форму и подвергают горячему прессованию.

Теплобронезащитная слоистая система, собранная указанным выше образом, является наиболее оптимальной в плане проявления защитной функции при испытаниях на радиационное воздействие и воздействие поражающего фактора. Это обеспечивается за счет того, что воздействующая на композиционный кожух деформирующая нагрузка гасится при переходе от слоя к слою, последовательно распределяясь в них в направлении к защищаемому объекту в соответствии с функциональными возможностями каждого слоя.

Экспериментальными исследованиями установлено, что деформирующий фактор в направлении своего воздействия на защищаемый встречает сначала металлический (каркасный) слой системы, за которым размещены указанные выше слои - керамический (упрочненный) и теплоизоляционные слои, которые проявляют себя и как демпфирующие слои. Указанные слои в составе теплобронезащитной системы срабатывают по разным направлениям одновременно. При этом металлический слой экранирует от деформирующего воздействия поражающего фактора внутренние слои, воспринимает первые механические повреждения, в том числе нагрузки при погрузочно-разгрузочных работах, при эксплуатации. Керамический слой совместно с композиционным слоем из теплостойкого волокнистого материала (базальтовых волокон, стеклянных волокон) и высокотемпературного клея ТПК обеспечивает защиту объекта при длительном воздействии высоких температур (от 30 минут до 1 часа) и совместно с внутренними слоями обеспечивают снижение температуры до уровня допустимой, некритичной для объекта, характеризующегося повышенными огне- и взрывоопасностью.

Система слоев защитного кожуха обеспечивает одновременно защиту и от теплового фактора (открытого огня и высокой температуры) и от механического поражающего фактора - например, быстро летящий осколок или металлический индентор. Повышение механической прочности защитной системы обеспечивается за счет наличия и металлического, и керамического слоя, надежно соединенных между собой высокотермо- и механически прочным слоем композиционного адгезива. При этом оптимально отвечают высоким требованиям по механической прочности материалы в качестве каркасного слоя, выбранные из группы таких металлов, как алюминий, титан, железо или их сплавы. А из керамических материалов оптимально показаны соединения на основе карбидов, преимущественно бора, или титана, или кремния, или их боридов, или нитридов, или оксида алюминия. При этом проявляется свойство повышенной стойкости слоистой системы как к открытому огню, так и к повышенным температурам, т.к. температура плавления этих материалов много выше, чем температурные режимы эксплуатации защищаемого объекта.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение слоистого кожуха с помещенным в него объектом защиты 1, 2 - теплоизолирующие слои, 3 - упрочняющий металлические слой, 4, 6 - композит (углеткань), 5 - керамический слой, 7 - наружный каркасный слой. Упрочняющие металлический и керамический слои совместно проявляются функционально как поглотители кинетической энергии механического разрушающего фактора (индентора), а каркасный функционально является держателем слоистой сборки каркаса.

Кроме того, использование композиционных слоев в составе предлагаемой бронезащитной слоистой системы взамен тяжеловесных прочностных слоев, присутствующих в прототипе, способствует значительному снижению массы готового изделия.

Дополнительный технический результат - повышение теплозащитных свойств - обеспечивается тем, что и порошкообразные и волокнистые материалы на основе силикатов и силицидов характеризуются повышенными пористостью и наличием воздушной составляющей, что способствует значительному снижению их теплопроводности.

Дополнительный технический результат повышения прочности сборки защитной системы обеспечивается использованием высокотемпературного адгезива - клея ТПК, соединяющего между собой все слои в композите, за счет чего повышается надежность сборки системы слоев и в целом ее высокая теплостойкость. Это существенно повышает механическую прочность и термопрочность при воздействии температурных максимумов (1000°C)

В прототипе не отмечено сочетание высокой теплостойкости и радиационной защиты из-за отсутствия требуемого сочетания термо- и радиационнозащитных слоев и агента их соединения. На этом основании преимущества предлагаемой бронезащитной системы выше, чем у прототипа.

Таким образом, применение предлагаемой теплобронезащитной слоистой системы обеспечивает возможность защиты охраняемого объекта от воздействия одновременно от теплового потока и от разрушающего фактора за счет повышения радиационной защиты системы, показателей теплозащиты при одновременном при обновременном сохранении механической прочности готового изделия.

Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами выполнения.

Пример 1.

Экспериментально была получена предлагаемая теплобронезащитная слоистая система по следующей технологической схеме (фиг. 1), на которой изображена последовательность операций.

Первоначально собирают защитный кожух, выполненный из композиционного материала, состоящего из слоев, в который затем помещали защищаемый объект.

В качестве защищаемого объекта (1), чувствительного к воздействию высоких температур, поражающих механических факторов и открытого огня, взят объект (деталь) из огнеопасного полимера, который помещают в защитный слоистый кожух системы.

В защитном кожухе первый по отношению к объекту защиты слой выполнен из теплоизоляционного материала - углевойлок марки «Карбопон», затем на этот слой устанавливают металлический слой на основе алюминиевого сплава в качестве механически прочного слоя, на который наслаивают 3 слоя композита, представляющего собой слои углеткани, пропитанные адгезивом на силикатном связующем (в условиях примера клеем марки ТПК-2), за которым следует слой керамики в виде плитки (в условиях данного примера плитки из карбида кремния). На плитки наносят термостойкий клей ТПК-2, на который наматывается с заданным натяжением углеткань, (марка ткань ТГН-2 М, ТУ), импрегнированная высокотемпературным клеем (клей на силикатной основе - марки ТПК-2). После чего в пространство между объектом и кожухом вводят связующее, которое в условиях данного примера отверждают одновременно с помещенным внутрь защищаемым объектом. Защитный кожух, выполненный указанным выше образом, направляют на контрольные испытания, данные по которым сведены в таблицу 1.

Испытания производили в лабораторных условиях при воздействии поражающим элементом из стрелкового оружия в сочетании с открытым огнем, в ходе которых полученная конструкция выдержала испытания в течение 10 минут.

Как показали эксперименты, использование предлагаемой теплобронезащитной системы обеспечивает возможность защиты охраняемого объекта от воздействия одновременно и от теплового потока, радиационного воздействия и от разрушающего фактора за счет повышения механической прочности системы и улучшения показателей теплозащиты при одновременном снижении массы готового изделия.

Теплобронезащитная слоистая система, содержащая установленные в защитном кожухе и соединенные между собой каркасный, упрочненные и теплоизолирующие слои, отличающаяся тем, что в качестве упрочненных слоев она содержит керамический материал на основе карбидов, преимущественно бора, или титана, или кремния, или оксида алюминия, или их смесей, в качестве каркасного слоя металлы или сплавы на основе титана, алюминия, железа, а в качестве теплоизолирующего слоя - волокнистые материалы на основе неорганических соединений из группы силицидов или силикатов и дополнительно амортизирующий слой из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, все слои системы соединены между собой высокотемпературным кремнийорганическим или силикатным адгезивом, слоистая система ограничена по всей наружной поверхности слоями углеткани или стеклоткани, пропитанными указанным адгезивом, и заключена в корпус из композиционного материала.