Броневая керамика: как выбрать лучшую
Броневая керамика: как выбрать лучшую
И.А. Беспалов, к.т.н., зам. главного конструктора СИБ ОАО «НИИ Стали»
В настоящее время, казалось бы, парадоксальным словосочетанием «броневая керамика» трудно кого-либо удивить. Со второй половины XX в. керамика применяется как в средствах защиты техники, так и в индивидуальной бронезащите. В последние годы значение керамики в защите тяжелой техники от снарядов и ракет несколько снижается: ей на смену приходят более современные образцы динамической и активной защиты. А в области индивидуальной бронезащиты и защиты легкой техники от пуль стрелкового оружия применение керамики за последние 20 лет резко возросло в связи с распространением пуль с высокотвердыми стальными и твердосплавными сердечниками. Однако в среде ученых до сих пор нет абсолютно четкого представления о том, какими свойствами должна обладать броневая керамика. В данной статье описан метод анализа броневых свойств керамических материалов, который используется для повышения их качества.
Механизм взаимодействия пуль и керамической пластины достаточно подробно изучен и описан многими авторами. Он сводится к тому, что в течение некоторого времени керамика за счет своей высокой твердости не позволяет ударнику проникать в себя. При этом ударник вынужден деформироваться или разрушаться на поверхности преграды так, как он делал бы это при ударе об абсолютно жесткую стенку, расходуя собственную кинетическую энергию на свое разрушение и деформацию. Это время принято называть временем задержки проникания (зарубежный аналог этого термина — «dwell»). По истечении этого времени остаток сердечника пули проникает в керамическую крошку, в которую успевает превратиться керамика в точке воздействия (этот процесс схематически отображен на рисунке). При этом зона разрушения керамики представляет собой усеченный конус с углом раствора около 120–130". Удержать небольшой фрагмент пули и осколки керамики удается подложкой достаточно малой толщины (из композитного материала из баллистических тканей, высокомолекулярного полиэтилена или легких металлических сплавов). Таким образом, керамика может противостоять пулям за счет того, что заставляет их разрушаться на поверхности в течение некоторого времени задержки проникания.
Процесс проникания пули в комбинированную преграду с лицевым керамическим слоем:
а — начало взаимодействия; б — разрушение пули на поверхности керамики; в — проникание остатков сердечника в разрушенную керамику.
Зона разрушения в пластине из карбида бора на подложке из композитного материала.
Пример численного моделирования попадания бронебойной пули в структуру из пластины карбида кремния и подложки из алюминия.
Однако такой механизм работает не всегда. Существует некоторая критическая скорость ударника, выше которой задержки проникания не происходит, т. е. керамика под ударником сразу превращается в пыль. В зарубежной литературе это явление называют «dwell/penetration phenomenon». Эта критическая скорость для разных материалов колеблется от 1100 до 1800 м/с, что характерно для танковых снарядов.
В отношении пуль стрелкового оружия существуют также свои особенности описанного механизма разрушения ударников на поверхности керамического слоя. В «НИИ Стали» было открыто существование еще одной критической скорости в диапазоне 750–800 м/с, при превышении которой время задержки проникания при прочих равных условиях еще не сходит на нет, но снижается примерно вдвое. Это говорит о том, что если защитная структура выдерживает воздействие винтовочной пули с расстояния 10 м (скорость около 820 м/с), то при любых других воздействиях с меньшими скоростями она будет иметь достаточно большой запас прочности.
Длительность времени задержки проникания и, соответственно, броневые качества защитной композиции определяются толщиной керамической пластины, свойствами материала, наличием подложки, а также плотностью, прочностью и скоростью пули, т. е. целым комплексом факторов. В настоящее время не существует строгих аналитических методов расчетного определения броневых свойств защитных структур с керамикой, поэтому главным методом подбора таких структур является натурный эксперимент — пулевой обстрел.
Однако такие испытания дорогостоящи, поэтому разработчики средств защиты во всем мире стремятся перейти к расчетному анализу защитных структур, чтобы сократить объем экспериментов. В последнее время широкое распространение получили численные методы моделирования, но они основаны на предположении сплошности материалов (так называемая «механика сплошной среды»), и имеющиеся численные модели керамических материалов не всегда корректно отражают их поведение при динамических нагрузках. Это связано с тем, что под нагрузкой керамика растрескивается и перестает быть сплошной. Кроме того, эти модели требуют экспериментального уточнения коэффициентов практически для каждой конкретной задачи.
В связи с этим большое значение приобретают инженерные методы, основанные на глубоком понимании физических процессов, происходящих при взаимодействии ударника и преграды, и описывающие их аналитически с учетом некоторых упрощающих допущений. В «НИИ Стали» разработана такая инженерная методика, позволяющая быстро, просто и с достаточной точностью оценивать защитные свойства структур с лицевым керамическим слоем. В основе этой методики лежит расчетно-экспериментальный метод определения броневых свойств керамических материалов. Он основан на описанном выше механизме разрушения ударника на поверхности керамики и позволяет количественно измерить броневые свойства конкретного материала конкретного производителя. Это существенно облегчает разработчику средств бронезащиты выбор лучшей керамики.
Поскольку сердечник пули разрушается на поверхности керамической пластины в течение времени задержки, а потом проникает в керамическую крошку, оставшуюся от этой пластины, то можно уловить этот сердечник после пробития свободно подвешенной керамической пластины и по его остаточной длине определить время задержки. Это можно сделать, во-первых, потому что без тыльного подпора проникание в разрушенную керамику не сможет дополнительно разрушить сердечник, а во-вторых, потому что скорость сердечника при его разрушении на поверхности пластины меняется незначительно (снижается на 5–7%).
Поскольку время задержки проникания можно представить как отношение «сработавшейся» длины сердечника к начальной скорости взаимодействия (скорости в момент соударения), получается, что при пробитии пластины из хорошей броневой керамики остаток хвостовой части сердечника будет очень коротким, а при пробитии пластины из плохой керамики — длинным.
Чтобы освободиться от влияния других вышеперечисленных факторов и сравнивать только броневые свойства конкретных керамических материалов, следует проводить испытания одним средством при одинаковых скоростях и привести полученное время задержки к безразмерному виду, разделив на толщину пластины и умножив на скорость звука в материале.
Эту величину можно назвать «безразмерным временем задержки проникания», имеющим своим физическим смыслом количество пробегов звуковой волны по толщине керамической пластины до ее разрушения.
Наиболее часто требуется разработка бронеэлементов 6а класса защиты ГОСТ Р 50744-95, т. е. защищающих от бронебойнозажигательной пули винтовки СВД с дистанции 10 м. Поэтому целесообразно именно эту пулю и именно с этой скоростью (с этой дистанции) принять за стандартный ударник для сравнительной оценки броневых свойств керамик.
Конечно, существуют свои тонкости: например, сравнивать между собой можно только керамические материалы на основе одного химического соединения (оксида алюминия, карбида кремния и карбида бора). Сравнить оксид алюминия с карбидами не представляется возможным ввиду несколько различного влияния на их броневые свойства подложки, имеющейся уже в составе самой защитной структуры.
Закаленный сердечник винтовочной пули до и после взаимодействия с керамической пластиной.
Броневые керамические панели для боевой машины «Тайфун». Здесь использована корундовая керамика на различных типах подложки.
Микроструктура керамических материалов на основе корунда и их расположение в порядке убывания броневых свойств.
Тем не менее, данная методика позволяет ранжировать керамические материалы по их броневым свойствам с целью выбора лучшего или поиска оптимального варианта по соотношению качество-масса-цена. Следует отметить, что результаты экспериментов хорошо соотносятся с результатами испытаний керамических пластин в составе защитных структур, а также с другими методиками определения качества материалов, в частности с методикой МГТУ им. Н.Э. Баумана, основанной на сопротивлении материала гидроструйной эррозии.
На рисунке внизу слева помещены фотографии микрошлифов различных керамических материалов на основе корунда и приведены их броневые свойства в безразмерных единицах. В практическом плане соотношение безразмерных времен задержки проникания 24 и 12 означает, что в первом случае керамика выдержит воздействие бронебойной пули на некоторой стандартной подложке при толщине 7,5 мм, а во втором случае — при толщине 12,5 мм. Иными словами, используя хорошую керамику можно снизить массу квадратного метра комбинированной брони на 10–20 кг (то есть на 20–30 %).
Проведя анализ структур исследованных материалов, можно сделать вывод, что хорошая керамика отличается мелким зерном и высокой химической чистотой.
Таким образом, данный метод позволяет проводить анализ броневых свойств керамических материалов как в интересах разработчиков средств индивидуальной бронезащиты и защиты военной техники, так и производителей керамических материалов для повышения качества их продукции. В частности, используя данную методику, в ОАО «НИИ Стали» осуществили выбор и доработку корундовой керамики для использования в защитных структурах перспективных боевых машин («Тайфун», «Бумеранг», «Курганец-25» и «Армата»).