Слоистая баллистическая конструкция, содержащая чередующиеся однонаправленно ориентированные и термопластические слои
Изобретение относится к многослойным баллистическим конструкциям. Предложена слоистая баллистическая конструкция, содержащая ряд слоев, чередующихся n слоев, однонаправлено ориентированных (OO) баллистических волокон и m термопластических слоев, за исключением внешних термопластических слоев по сторонам конструкции, где 1/2n≤m<n, а OO слои содержат 1-25 мас.% эластомерного материала на сухую массу волокон. OO слои могут содержать волокна из арамида, РВО (поли-п-фениленбензо-бис-оксазола), PBI (поли-п-фениленбензо-бис-имидазола) и/или полиэтилена высокой плотности, а в качестве термопластического материала может быть использован полиэтилен или полипропилен. Изобретение направлено на создание слоистой баллистической конструкции с высоким сопротивлением баллистическому удару и высокой устойчивостью. 9 з.п. ф-лы, 1 табл.
Настоящее изобретение относится к многослойной баллистической конструкции, содержащей чередующиеся однонаправлено ориентированные (ОО) и термопластические слои.
Из предшествующего уровня техники известны слоистые баллистические конструкции, содержащие ОО и термопластические слои. Например, в патенте США 5935678 описана слоистая баллистическая конструкция, выполненная из слоев ОО полиэтиленовых волокон. Между ОО слоями закладывается пленка, удерживающая слои как единую конструкцию без заделки отдельных слоев в полиэтилен. ОО слои представляют собой слои волокон с параллельно расположенными элементарными волокнами. Однако обычно баллистические конструкции содержат баллистические слои таких волокон, как арамидные волокна или волокна из полиэтилена высокой плотности, заделанные в резиновый или резиноподобный связующий материал. Например, в патенте США 4916000 описаны такие баллистические конструкции, в которых отдельные элементарные волокна баллистических слоев (в предпочтительном варианте осуществления) полностью покрыты термопластическим эластомерным материалом типа кратона (Kraton). Баллистические конструкции обоих упомянутых типов имеют недостатки. У обычных баллистических конструкций, которые содержат связующий материал (матрицы), например, по патенту США 4916000, сопротивление баллистическому удару ниже, чем у конструкций по патенту США 5935678. При более высоком содержании связующего материала характеристики баллистической защиты этих конструкций снижаются с увеличением содержания связующего материала, а масса увеличивается из-за того же связующего материала. Количество связующего материала нельзя слишком сильно уменьшать из-за возникающего риска получения неустойчивой баллистической конструкции. Баллистические конструкции с термопластической пленкой между ОО слоями, описанные в патенте США 5935678, несмотря на очень высокие характеристики баллистической защиты, оказались совершенно неустойчивы при баллистическом ударе (см. "Экспериментальная часть"). Поэтому существует большая потребность в баллистических конструкциях, обладающих высоким сопротивлением баллистическому удару и при этом высокой устойчивостью.
Целью настоящего изобретения является создание слоистой баллистической конструкции с высоким сопротивлением баллистическому удару и высокой устойчивостью.
Эта цель достигается при использовании слоистой баллистической конструкции, содержащей ряд слоев, сложенный из, по существу, чередующихся n слоев однонаправлено ориентированных (ОО) баллистических волокон и m термопластических слоев, за исключением внешних термопластических слоев по сторонам конструкции, где 1/2nm<n, а ОО слои содержат 1-25 мас.% эластомерного материала на сухую массу волокон.
Баллистическая конструкция в соответствии с настоящим изобретением обладает высокими характеристиками баллистической защиты, а слои сохраняют устойчивость и не расслаиваются при баллистическом ударе. Следует подчеркнуть, что термопластических слоев должно быть много, не менее половины от числа баллистических ОО слоев. В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждый ОО слой чередуется с термопластическим слоем, но нечастые нарушения такой периодичности слоистой конструкции обычно не имеют больших негативных последствий. Для разъяснения следует также подчеркнуть, что между двумя ОО слоями могут быть проложены два или даже несколько термопластических слоев. Поскольку эти составные термопластические слои спекаются под действием высоких давления и температуры, применяемых при изготовлении описанных многослойных конструкций, то считается, что составные термопластические слои представляют собой один слой в соответствии с настоящим изобретением. Когда к каждому ОО слою с обеих сторон прилегает термопластический слой, то число термопластических слоев на один больше, чем число ОО слоев. Снаружи многослойной конструкции с обеих сторон могут находиться термопластические слои, например, с обеих сторон можно наложить по термопластическому слою, который выполняет функцию защитной пленки. Эти внешние термопластические слои по обеим сторонам конструкции не учитываются при подсчете числа "m", которое считается числом других термопластических слоев. Если снаружи не наложены внешние термопластические слои, то вместо них могут быть наложены защитные слои из любого другого подходящего материала. Более того, даже когда на многослойную конструкцию с обеих внешних сторон наложены термопластические слои, кроме них, при желании, можно дополнительно наложить защитные слои из любого другого подходящего материала. Необходимо также подчеркнуть, что конструкции согласно настоящему изобретению особо полезны для изготовления слоистых жестких баллистических конструкций. Когда составные слои складывают из большого числа слоев, такие конструкции меньше пригодны или совсем не пригодны для изготовления мягкой баллистической брони. Жесткие баллистические конструкции обычно собирают из более чем 5, а целесообразнее более чем 8 ОО слоев. Как правило, составляют 8-25 ОО слоев, а между каждой парой или между большей частью пар таких соседних слоев закладывают термопластический слой.
Далее установлено, что, хотя применение одних только термопластических слоев для закрепления ОО слоев и обеспечивает высокие характеристики баллистической защиты, но не достаточно для сохранения устойчивости баллистической конструкции. Установлено, что после сжатия и нагрева слоистой конструкции термопластические слои находятся в плотном контакте с ОО слоями, однако термопластический материал не полностью охватывает и не полностью пропитывает каждое волокно. Поэтому полагают, что конструкция не обладает достаточной устойчивостью. Установлено, что заданную устойчивость обеспечивают, когда применяют в небольших количествах эластомерный материал в качестве связующего материала. Применяемые количества обычно значительно меньше тех, которые применяются в известных баллистических конструкциях. Более того, не обязательно, чтобы связующее вещество полностью покрывало отдельные элементарные волокна, как считалось целесообразным в известных конструкциях. Следовательно, предлагаемый связующий материал выполняет иную функцию, а именно, он больше не закрепляет ОО волокна, а только предотвращает их расслоение. Само по себе закрепление достигается с помощью термопластических слоев, закладываемых между ОО слоями.
Подходящими термопластическими материалами являются, например, полиэтилен и полипропилен, а эластомерным связующим материалом обычно служит резина или резиноподобный материал типа кратона или полиуретановой смолы, которые наиболее широко применяются в баллистических конструкциях. Применяют также и другие материалы, например полибутадиен, полиизопрен, натуральный каучук, пластифицированный полихлорвинил, полиакрилаты, полиэфиры и т.п. Содержание эластомерного материала в конструкции составляет 1-25 мас.%, в предпочтительном варианте осуществления - 3-15 мас.%, а в наиболее предпочтительном варианте осуществления - 5-12 мас.% на сухую массу волокон (нитей). Толщина термопластических слоев составляет 1-250 мкм, в предпочтительном варианте осуществления - 6-50 мкм, а в более предпочтительном варианте осуществления - 10-25 мкм. ОО слои целесообразно располагать с взаимно перекрестной ориентацией, например, под углами 0° и 90°.
В качестве баллистических волокон можно выбрать арамидные, полиолефиновые или жестко-полимерные волокна. Из арамидных волокон предпочтительными являются волокна из п-арамида марок Тварон (Twaron™), Кевлар (Kevlar™) и Технора (Technora™). Предпочтительным материалом для полиолефиновых волокон является полиэтилен высокой плотности типа Spectra™ и Dyneema™. Из жестко-полимерных волокон подходящими для выбора являются PBO (поли-п-фениленбензо-бис-оксазол), например, марки Zylon™ и PBI (поли-п-фениленбензо-бис-имидазол), например, марки "M5".
Баллистическая конструкция может содержать жесткие панели, например, керамические или стальные, несмотря на то, что они не обязательны в большинстве случаев.
Далее изобретение проиллюстрировано с помощью следующих экспериментов.
Все эксперименты проведены на ОО листах шириной 50см, изготовленных из 250 нитей марки Twaron™ 2000, 3360 дтекс, f1000, с равномерным распределением нитей по всей ширине.
Эксперимент 1 (сравнительный)
Нити ламинировали при температуре 150°C пленкой из полиэтилена низкой плотности (производства компании Buhrmann) толщиной 15 мкм. Полученный ОО лист разрезали на части длиной 50см. Две части ОО листа сложили перекрестно (под углами 0 и 90°градусов) пленками с внешних сторон. Между этими двумя ОО листами заложили пленку из полиэтилена низкой плотности (производства компании Borden) толщиной 23 мкм, в результате чего получили конструкцию с n=2 и m=1. Листы спрессовали давлением 0,5 МПа при температуре 130°C. Десять таких щитков собрали в пакет и спрессовали в течение 20 минут давлением 9,5 МПа при 135°C, в результате чего получили конструкцию с n=20 и m=19. Баллистический композиционный материал испытали обстрелом 9-мм боеприпаса VMR DM11 A1 B2 (производства компании DAG, с массой пули 8 г). Результирующие значения пулестойкости V50 оказались высокими (480 м/с), но щитки сильно расслаивались. Поэтому композиционный материал нельзя было больше использовать после нескольких попаданий.
Эксперимент 2 (сравнительный)
Нити пропитали кратоновой дисперсией (марки Prinlin™ производства компании Pierce and Stevens). После сушки получен ОО лист с содержанием связующего материала около 15 мас.% (на сухую массу нитей). Листы разрезали на части длиной 50 см. Две части ОО листа сложили перекрестно (под углами 0 и 90 градусов) и спрессовали давлением 0,06 МПа при 110°C. Десять таких щитков собрали в пакет и спрессовали в течение 20 минут давлением 9,5 МПа при 135°C. При испытании обстрелом 9-мм боеприпасом, использованным в примере эксперимента 1, получено значение пулестойкости V50, равное 433 м/с. Композиционный материал не расслаивался даже после нескольких попаданий.
Эксперимент 3
Нити пропитали кратоновой дисперсией как в примере эксперимента 2. В процессе сушки дисперсии (при 135°C), листы из нитей ламинировали пленкой из полиэтилена низкой плотности (производства компании Buhrmann) толщиной 15 мкм как в примере эксперимента 1. Сухой ОО лист содержал 9 мас.% кратона (на сухую массу нитей). Две части ОО листа сложили перекрестно (под углами 0 и 90 градусов) пленками с внешних сторон. Между этими двумя ОО листами заложили пленку из полиэтилена низкой плотности толщиной 15 мкм. Листы спрессовали давлением 0,06 МПа при 110°C. Девять таких щитков собрали в пакет и спрессовали в течение 20 минут давлением 9,5 МПа при 135°C. При испытании обстрелом 9-мм боеприпасом, использованным в предыдущих экспериментах, получено значение пулестойкости V50, равное 467м/с. Композиционный материал не расслаивался даже после нескольких попаданий.
Заключение
Результаты экспериментов 1-3 приведены в таблице, где показаны масса и показатели V-50 для щитков. Для сравнения, в таблице приведены также соответствующие значения для стандартного предварительно пропитанного многослойного материала (ткань Twaron™ CT 736, односторонне покрытая 55 г/м2 слоем модифицированной фенольной смолы типа PVB (поливинилбензол)). Щитки в соответствии с настоящим изобретением превосходят по характеристикам стандартный предварительно пропитанный слоистый материал, а также щитки только с полиэтиленовой пленкой или только с кратоновой пропиткой.
| Масса (г/м2) | V50 (м/с) | Экономия массы (%) | Разность значений V50 (м/c) | Расслоение | |
| Twaron™ CT 736 | 4368- | 441- | 0 | 0 | Отсутствует |
| 4470 | 457 | ||||
| Пример эксперимента 1 | 3680 | 480 | 17 | +31 | Происходит |
| Пример эксперимента 2 | 3745 | 433 | 15 | -16 | Отсутствует |
| Пример эксперимента 3 | 3537 | 467 | 20 | +18 | Отсутствует |
1. Слоистая баллистическая конструкция, содержащая ряд слоев из, по существу, чередующихся n слоев однонаправленно ориентированных (OO) баллистических волокон и m термопластических слоев, за исключением внешних термопластических слоев по сторонам конструкции, где 1/2n≤m<n, a OO слои содержат 1-25 мас.% эластомерного материала на сухую массу волокон.
2. Конструкция по п.1, в которой OO слои содержат 3-15 мас.% эластомерного материала.
3. Конструкция по п.1, в которой OO слои содержат 5-12 мас.% эластомерного материала.
4. Конструкция по п.1, в которой OO слои содержат 5-10 мас.% эластомерного материала.
5. Конструкция по любому из пп.1-4, в которой OO слои содержат волокна с удельной работой разрыва >8 Дж/г, модулем упругости при растяжении >150 г/дтекс и удельным сопротивлением разрыву >7 г/дтекс.
6. Конструкция по п.5, в которой OO слои содержат волокна из арамида, РВО (поли-п-фениленбензо-бис-оксазола), PBI (поли-п-фениленбензо-бис-имидазола) и/или полиэтилена высокой плотности.
7. Конструкция по п.1, в которой термопластическим материалом является полиэтилен или полипропилен.
8. Конструкция по п.1, в которой внешние стороны многослойной конструкции покрыты защитным слоем.
9. Конструкция по п.8, в которой защитный слой является термопластическим слоем.
10. Конструкция по п.1, которая является многослойной жесткой баллистической конструкцией.
