Прозрачный керамический композиционный материал и изготовленная из него броня (варианты)

Группа изобретений относится к слоистым композиционным материалам. Слоистый композиционный материал содержит лист монокристаллического сапфира, имеющий по меньшей мере один размер более 25 см. Предложена прозрачная броня, содержащая упомянутый слоистый композиционный материал, и способ изготовления слоистого композиционного материала, в котором лист монокристаллического сапфира сцепляют с основой. Изобретение обеспечивает защиту от высокоскоростных пуль при большой площади поверхности брони и относительно низкой поверхностной плотности. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к керамическим композиционным материалам, а более конкретно к прозрачной композиционной керамической броне.

Уровень техники

Керамика обладает различными свойствами, которые позволяют успешно ее использовать в изделиях, которые подвержены, например, воздействию абразивного износа, высоких температур или ударов с высокой скоростью. Отличное отношение прочности к весу и высокая твердость часто позволяют использовать керамику для замены и улучшения конструкционных материалов, таких как сталь, полимеры и стекло. Керамические композиционные материалы представляют собой материалы, которые содержат один керамический материал, связанный с другим керамическим или с некерамическим материалом. Например, керамический лист может быть связан (сцеплен) со стеклом или пластиком или с другим керамическим материалом, чтобы образовать керамический композиционный материал. Керамические композиционные материалы позволяют использовать полезные свойства керамики и создавать продукт, который, например, является более легким, более гибким или менее дорогим, чем чистый керамический материал.

Керамика может быть непрозрачной, полупрозрачной или прозрачной. Прозрачная керамика представляет особый интерес, так как она позволяет создать стойкий к удару, стойкий к царапинам и жаростойкий материал, который может заменить прозрачное стекло или полимеры. В то время как керамические листы типично являются более дорогими при изготовлении, чем листы стекла или полимерные листы, улучшенные свойства керамики могут сделать их предпочтительными для использования в небольших окнах, когда желательно иметь стойкость к царапинам, высокую прочность и хорошее пропускание света в экстремальных режимах эксплуатации или в жестоких атмосферных условиях.

Уже было предложено использовать композиционные материалы из керамики и других материалов, таких как стекло и поликарбонат, в качестве ударопрочной прозрачной брони. Например, в заявке США No. H1567 на промышленный образец описана прозрачная композиционная броня, имеющая жесткую хрупкую планшайбу, закрепленную на более упругой пластине. В заявке США No. H1519 на промышленный образец описан способ соединения прозрачного оксида алюминия или оксида магния с опорной пластиной из прозрачного пластика. Однако для того, чтобы обеспечить достаточную прозрачность и прочность, эти композиционные материалы должны быть толстыми, тяжелыми и дорогими, причем они могут быть получены только с небольшими размерами, что ограничивает зоны просмотра (поле зрения). Поэтому до настоящего времени керамические композиционные материалы не нашли широкого распространения в качестве прозрачной брони. Прогресс в указанной области, связанный, например, со снижением веса и стоимости, при одновременном увеличении площади поверхности, может привести к улучшению качества брони и к более широкому использованию керамики в этой области.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним из аспектов, настоящее изобретение имеет отношение к созданию прозрачного керамического композиционного материала, имеющего V₅₀ больше чем 843 м/сек для пуль калибра .30 АР и имеющего поверхностную плотность меньше чем 58.7 кг/м².

В соответствии с другим аспектом, настоящее изобретение имеет отношение к созданию керамического композиционного материала, который содержит лист монокристаллического сапфира, имеющий по меньшей мере один линейный размер больше чем 15 см, больше чем 20 см или больше чем 25 см.

В соответствии с другим аспектом, предлагается способ изготовления керамического композиционного материала, который предусматривает сцепление листа монокристаллического сапфира с основой, причем лист имеет по меньшей мере один линейный размер больше чем 15 см.

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62 мм×51 М80, летящей со скоростью 835 м/сек, при этом указанная броня имеет поверхностную плотность ориентировочно меньше чем 150 кг/м².

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62×39 API-BZ, летящей со скоростью 776 м/сек, при этом указанная броня имеет поверхностную плотность ориентировочно меньше чем 150 кг/м².

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62×51 АР (М61), летящей со скоростью 768 м/сек, при этом указанная броня имеет поверхностную плотность ориентировочно меньше чем 150 кг/м².

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62 мм×51 М80, летящей со скоростью 835 м/сек, при этом указанная броня имеет среднюю толщину ориентировочно меньше чем 50 мм.

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62×39 API-BZ, летящей со скоростью 776 м/сек, при этом указанная броня имеет среднюю толщину ориентировочно меньше чем 50 мм.

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62×51 АР (М61), летящей со скоростью 768 м/сек, при этом указанная броня имеет среднюю толщину ориентировочно меньше чем 50 мм.

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62 мм×51 М80, летящей со скоростью 835 м/сек, при этом указанная броня имеет световую (luminous) прозрачность (далее просто прозрачность или светопропускание - Прим. переводчика) по меньшей мере 75%.

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62×39 API-BZ, летящей со скоростью 776 м/сек, при этом указанная броня имеет прозрачность по меньшей мере 75%.

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62×51 АР (М61), летящей со скоростью 768 м/сек, при этом указанная броня имеет прозрачность по меньшей мере 75%.

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62×54R

В32, летящей со скоростью 858 м/сек, при этом указанная броня имеет поверхностную плотность ориентировочно меньше чем 150 кг/м².

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62×54R

В32, летящей со скоростью 858 м/сек, при этом указанная броня имеет среднюю толщину ориентировочно меньше чем 60 мм.

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение пули 7.62×54R

В32, летящей со скоростью 858 м/сек, при этом указанная броня имеет прозрачность по меньшей мере 75%.

В соответствии с другим аспектом, предлагается композиционная прозрачная броня, причем указанная броня способна предотвратить проникновение трех последовательно выпущенных пуль 7.62×63 мм АРМ2, летящих со скоростью 850 м/сек, при этом указанная броня имеет среднюю толщину ориентировочно меньше чем 80 мм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 схематично показан вид в разрезе керамического композиционного материала.

На фиг.2 показаны результаты испытаний в виде таблицы 1.

На фиг.3А и 3В показаны фотоснимки некоторых вариантов изобретения после пробных стрельб.

На фиг.4А и 4В показаны фотоснимки других вариантов изобретения после пробных стрельб.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение не ограничено в его применении деталями конструкции и схемой расположения компонентов, приведенными в последующем описании или показанными на чертежах. Возможны и другие варианты настоящего изобретения, причем настоящее изобретение может быть осуществлено на практике или выполнено различными путями. Кроме того, использованный в соответствии с настоящим изобретением язык и терминология служат только для пояснения существа настоящего изобретения и их не следует рассматривать как ограничительные.

В соответствии с одним из аспектов, настоящее изобретение имеет отношение к созданию прозрачного керамического композиционного материала, который позволяет обеспечить защиту от летящих с высокой скоростью пуль, но одновременно пропускает свет. Композиционный материал может быть использован для создания защитного окна, которое может быть использовано, например, на самолете, на космическом корабле, в подводных аппаратах, а также в гражданских и военных наземных транспортных средствах. Композиционный материал может иметь высокое отношение прочности к весу, а также улучшенное поле зрения по сравнению с другими материалами. Керамическим компонентом композиционного материала может быть, например, не поликристаллическая керамика, такая как монокристаллический сапфир (Al₂O₃). Другие компоненты композиционного материала могут содержать, например, стекло и/или полимерные материалы.

Использованный здесь термин "клей" означает материал, который позволяет соединять два твердых материала вместе, так что они не разделяются при интенсивном использовании. Клеи могут быть временными или постоянными.

Термин "поверхностная плотность" означает массу на единицу площади поверхности материала.

Термин "композиционный материал" означает изделие, которое получено за счет соединения вместе (сцепления) двух или нескольких отдельных материалов. Материалы могут иметь одинаковые или разные композиции.

"Хрупкий" материал представляет собой такой материал, который разрушается при ударе пули, летящей с существенным количеством движения. Не хрупкий материал сохраняет свою структуру после удара.

"Монокристаллический сапфир" представляет собой α-AlO₃, также известный как корунд, который является главным образом монокристаллом.

Известный термин "шпинель" используют для обозначения керамического материала, имеющего шпинельную кристаллическую структуру, такого как MgAl₂O₄.

"Полупрозрачный" материал представляет собой материал, пропускающий свет, но не позволяющий иметь четкое изображение объектов, которые наблюдают через этот материал.

"Прозрачный" материал представляет собой материал, пропускающий свет и позволяющий иметь четкое, различимое изображение объектов, которые наблюдают через этот материал. Прозрачный материал может быть прозрачным в видимой области спектра, в ИК области спектра и в УФ области спектра.

Термин "V₅₀" относится к оценке брони и описывает скорость специфической пули, которая проникает через броню в 50% случаев. Пуля ударяет в броню главным образом под прямым углом к плоскости брони в точке соударения. Таким образом, через броню, имеющую V₅₀, составляющую 2770 футов в секунду (844 м/сек) для калибра .30 АР, в 50% случаев будут проникать пули, полученные при этой скорости.

В соответствии с одним из аспектов, описанные здесь керамические композиционные материалы могут быть использованы в качестве брони. Композиционный материал является преимущественно прозрачным и может выдерживать удар от таких объектов, как пули или космический мусор. Композиционный материал может защищать пассажира транспортного средства от огня оружия малого калибра, шрапнели, взрывчатых веществ и других воздействующих объектов, когда транспортное средство находится под огнем. Композиционный материал может обеспечивать чистое поле зрения и позволять пассажиру видеть окружающую обстановку через броню. Композиционные материалы могут быть плоскими или изогнутыми в одном или нескольких местах. Материалы, толщину, размер и вес керамического композиционного материала можно изменять в зависимости от предусмотренного использования керамического композиционного материала. Более легкие и более тонкие композиционные материалы могут быть использованы в менее ответственных применениях, а более толстые и более тяжелые композиционные материалы могут быть использованы для защиты от более мощных снарядов и множества попаданий. В соответствии с некоторыми вариантами, прозрачная броня может оставаться неповрежденной и функциональной после одного или нескольких попаданий при стрельбе из оружия малого калибра, например, калибра .30 АР. Прозрачная броня может быть предназначена для защиты от огнестрельного оружия различного калибра, в том числе калибра .22, 223, .30, .50 (дюймов), 5.56 мм, 5.45 мм, 6.8 мм и 7.62 мм.

В соответствии с некоторыми вариантами, прозрачный керамический композиционный материал может представлять собой слоистый материал, состоящий из двух, трех или более различных структурных компонентов. Например, композиционный материал может содержать керамический лист, связанный (сцепленный) с листом стекла, который связан (сцеплен) с полимерным листом. Или же композиционный материал может содержать керамический лист, связанный с полимерным листом, который связан (сцеплен) с полимерным листом второго типа. Керамический лист может быть не поликристаллическим и может представлять собой монокристаллическую керамику, такую как монокристаллический сапфир. Полученный слоистый композиционный материал, такой как показанный на фиг.1, может быть использован как прозрачная броня. На фиг.1 показано поперечное сечение участка композиционного материала одного типа. Композиционный материал 100 содержит наружный слой, такой как лист прозрачной керамики, например, лист 110 монокристаллического сапфира. Лист 110 может быть непосредственно связан с промежуточным слоем, таким как лист 130 стекла, или же могут быть использованы один или несколько дополнительных листов сапфира, таких как лист 120. Если используют два или несколько листов сапфира, они обычно имеют одинаковую или сходную площадь поверхности, причем их толщины могут быть одинаковыми или различными. Поверхность листа 130 стекла, которая является противоположной относительно поверхности, связанной с листом сапфира, в свою очередь может быть связана с внутренним листом, например, с полимерным листом, таким как поликарбонатный лист 140. Также может быть использовано множество листов стекла и/или полимерных листов. Каждый компонент композиционного материала может быть связан со смежным компонентом. Сцепление или соединение могут быть достигнуты с использованием различных механических или химических средств, в том числе, например, отверждаемых теплотой клеев, отверждаемых излучением клеев, отверждаемых со временем клеев, химически отверждаемых клеев и/или отверждаемых катализатором клеев. Клеевые слои 112, 114 и 116 могут быть образованы при помощи одинаковых, подобных или различных материалов. Поликарбонатный (PC) слой 140 может иметь дополнительное покрытие 118 (на внешней поверхности), которое, например, является стойким к образованию царапин и/или к помутнению.

Полученный керамический композиционный материал может содержать ряд слоев, таких как керамика/клей/стекло/клей/полимер. Может быть предусмотрено множество слоев одного типа. Более специфический композиционный материал может содержать, например, лист (листы) сапфира/поливинилбутираловый клей/стекло с низким содержанием железа/термопластичный полиуретановый (TPU) клей/поликарбонат. Толщины различных слоев могут быть различными, причем клеевые слои обычно имеют минимальную толщину, необходимую для соединения листов. Керамический лист может иметь толщину, например, от 0.05 до 2 или 3 см. Промежуточный слой стекла может иметь толщину, например, от 0.1 до 10 или 15 см. Внутренний поликарбонатный слой может иметь толщину, например, от 0,1 до 5 см. TPU лист может быть клеевым листом, который соединяет поликарбонатный слой с другим слоем, например со стеклом. В соответствии с другими вариантами, слой клея, например TPU слой, и поликарбонатный слой могут быть замещены единственным материалом, таким как пленка PAENAC® (FAE), которая может быть закуплена на фирме Saint-Gobain Sully, France. Пленка FAE может быть непосредственно соединена со стеклом или с другими поверхностями, причем слой толщиной около 1 мм может быть использован вместо TPU/PC слоя толщиной около 4.5 мм. Типично, поликарбонатный или FAE слой обращен внутрь транспортного средства, в котором установлен композиционный материал.

Один или несколько листов стекла могут быть использованы в композиционном материале. Некоторые варианты могут содержать 2, 3, 4 или больше листов стекла. Листы стекла могут быть использованы, например, для обеспечения оптимальной защиты и/или оптимальной видимости. В некоторых случаях, листы стекла могут просто находиться рядом друг с другом, могут быть соединены друг с другом при помощи клея или могут быть соединены с другими компонентами композиционного материала.

Когда используют лист стекла, в различных вариантах могут быть использованы различные типы стекла. Например, различные типы стекла могут обеспечивать различную прочность или различные оптические характеристики. Среди различных типов стекла, которые могут быть использованы, можно указать стекло с низким содержанием железа, боросиликатное стекло, "белое жидкое" стекло, "сверхбелое" стекло, алмазное стекло (белое жидкое стекло с низким содержанием железа) и RC алмазное стекло (химически упрочненное).

Керамический композиционный материал может иметь различную форму и может быть, например, квадратным, круглым, прямоугольным, трапециевидным или главным образом многоугольным. Прямоугольные формы могут быть предпочтительными для создания расширенного поля зрения. Керамический композиционный материал типично имеет длину, ширину и толщину, причем каждый размер может изменяться по всему объему композиционного материала. Композиционный материал может быть главным образом плоским и может иметь толщину меньше чем 50%, меньше чем 25% или меньше чем 10% длины или ширины. Использованный здесь термин "длина" относится к длине самого малого гипотетического прямоугольника, который может полностью покрывать измеряемый композиционный материал или лист. Например, длиной прямоугольника является его обычная длина; длиной круглой детали является ее диаметр; длиной шестиугольника является размер между двумя самыми удаленными вертикалями. Использованный здесь термин "ширина" относится к ширине этого же самого гипотетического прямоугольника. Использованный здесь термин "толщина" относится к размеру, который измеряют в поперечном направлении листа или композиционного материала, от одной поверхности до противоположной поверхности. Например, керамический композиционный материал с размерами 30 см×45 см×3 см имеет толщину 3 см, длину 45 см и ширину 30 см.

Важным компонентом композиционного материала является керамический лист или листы. Площадь поверхности композиционного материала может быть перекрыта скорее одним непрерывным (сплошным) керамическим листом, а не мозаикой или рядами листов, прилегающих друг к другу. Более широкие листы также могут быть соединены друг с другом для образования мозаики. Более широкие листы позволяют иметь меньше линий связи для мозаики того же самого размера, причем меньшее число линий связи уменьшает число слабых мест в листе и/или композиционном материале. Множество листов могут быть наложены друг на друга. Керамический лист может быть хрупким или не хрупким и может иметь модуль упругости больше, чем у стекла или поликарбоната. Керамический лист может иметь высокую "твердость." Твердость включает в себя стойкость к пластической деформации, стойкость к прониканию, сопротивление вдавливанию и стойкость к образованию царапин. Твердость некоторых керамических материалов, например монокристаллического сапфира, позволяет обеспечивать повышенную стойкость к образованию царапин, что может быть полезно при некоторых жестких условиях окружающей среды, например при песчаной буре. В соответствии с некоторыми вариантами, материал может иметь твердость по Виккерсу больше чем 1000, больше чем 1500, больше чем 1800 или больше чем 1900 кг/мм². Керамический материал также может иметь высокую "ударную вязкость". Ударная вязкость представляет собой количество работы, которое требуется для того, чтобы деформировать один кубический дюйм материала до его разрушения. Керамический лист может быть поликристаллической или монокристаллической керамикой. В некоторых случаях лист может быть спеченным керамическим листом, однако монокристаллическая керамика часто является предпочтительной, например, по причине лучших оптических характеристик и/или более высокой стойкости. В качестве неограничительных примеров подходящих керамических материалов можно привести поликристаллический Al₂O₃, монокристаллический Al₂O₃ (сапфир), алюминий оксинитрид и шпинель. В соответствии с некоторыми вариантами, керамический лист главным образом может не содержать магния. Керамика может иметь не случайную ориентацию кристалла и может обладать анизотропной гексагональной кристаллической структурой.

Керамические листы могут быть получены из були (полупроводникового слитка). Однако листы, полученные за счет поперечного разреза були, являются ограниченными, так как буля обычно является цилиндрической и поэтому имеет круговое поперечное сечение. Поэтому лист, отрезанный от були, обычно имеет ширину, которая ограничена диаметром були. В то время как квадратные листы могут быть вырезаны с минимальными отходами, изготовление прямоугольных листов является в этом случае более дорогим и может предусматривать дополнительные разрезы с соответствующими отходами, чтобы получить листы, имеющие длину больше, чем ширина. Несмотря на то что от були могут быть отрезаны различные формы, отрезание листов от блока сапфира может быть дорогостоящей и длительной операцией.

Множество листов керамического материала могут быть закреплены рядом друг с другом на общей основе, чтобы образовать мозаичный композиционный материал. Индивидуальные листы могут иметь кромки, соединенные непосредственно друг с другом, или могут быть объединены при помощи каркаса из стали или другого материала. Однако конструкция с каркасом в некоторых случаях является нежелательной, например, когда в поле зрения видны детали каркаса.

В соответствии с некоторыми вариантами, за счет использования одинарных керамических листов с большей площадью поверхности можно получить улучшенную броню, например, имеющую более эффективное рассеивание силы удара и улучшенное поле зрения. Листы с большей площадью поверхности, например, листы, имеющие длину больше чем 30, 40, 50, 60 или 70 см, могут быть изготовлены с использованием способов "edge defined film fed growth" (роста подаваемой пленки, заданного кромкой). Такие способы описаны в заявке на патент США No. 10/820468 от 8 апреля 2004 г.

Эти способы могут быть использованы для создания листов монокристаллического сапфира, предназначенных для использования в композиционных материалах, причем листы могут иметь размер больше чем 15 см, больше чем 20 см или больше чем 25 см. Листы могут иметь длину существенно больше, чем ширина. Например, ширина может быть меньше или равна 90%, 80%, 70% или 60% длины. Толщина листа может быть главным образом постоянной и может быть больше чем или равна 0.05 см, 0.07 см, 0.1 см, 0.2 см, 0.3 см, 0.4 см, 0.5 см, 0.7 см или 1 см. Аналогично, листы могут иметь толщину меньше чем 0.05 см, 0.07 см, 0.1 см, 0.2 см, 0.3 см, 0.4 см, 0.5 см, 0.7 см, 1 см, 2 см или 3 см. В соответствии с некоторыми вариантами, листы сапфира образованы как главным образом прямоугольные, квадратные, круглые, многоугольные листы и листы других форм, и могут обеспечивать идеальную форму для прозрачной брони. В соответствии с некоторыми вариантами, листы могут обеспечивать пропускание больше чем 25%, 50%, 70%, 80%, или 90% излучения в видимой области спектра, в инфракрасной области спектра и/или в ультрафиолетовой области спектра. Также может быть обеспечено существенное пропускание длин волн в сторону уменьшения ориентировочно до 200 нм и в сторону увеличения ориентировочно до 2-3 мкм. Листы типично имеют высокий модуль упругости и могут выдерживать усилие, по меньшей мере превышающее ориентировочно в 200 раз усилие разрушения любого эквивалентного листа стекла. Листы также могут быть не горючими на воздухе и могут иметь повышенные свойства теплопередачи.

Керамический листы с большей площадью поверхности могут создавать улучшенное поле зрения и также могут создавать более широкое рассеивание сил удара, что приводит к улучшению защиты, особенно в случае множества попаданий. За счет использования таких листов может быть получен не хрупкий керамический композиционный материал, обеспечивающий защиту от множества попаданий. Несмотря на то что некоторые виды прозрачной брони могут разрушаться при ударе за счет попадания пули, часто является предпочтительным, чтобы броня и/или участок керамического листа брони оставались целыми после попадания пули.

Могут быть использованы керамические композиционные материалы различных размеров, часто в зависимости от предусмотренного применения. Описанные здесь сплошные (не мозаичные) керамический листы могут иметь, например, площадь поверхности больше чем 100 см², больше чем 200 см², больше чем 250 см², больше чем 300 см², больше чем 400 см², больше чем 500 см² или больше чем 1000 см². Сплошные (непрерывные) композиционные материалы, изготовленные с использованием керамических листов, могут иметь большую площадь поверхности, причем площадь поверхности, поделенная на толщину композиционного материала (см²/см), может составлять, например, больше чем 10 см, больше чем 25 см, больше чем 50 см, больше чем 100 см, больше чем 250 см, больше чем 500 см или больше чем 1000 см.

Поверхностная плотность керамического композиционного материала также может варьировать в зависимости от предусмотренного применения. Более толстые или дополнительные наружные, внутренние или промежуточные листы могут быть использованы для повышения прочности композиционного материала, что может приводить к повышению поверхностной плотности композиционного материала. Поверхностные плотности керамического композиционного материала могут быть меньше или равны 200 кг/м², меньше или равны 100 кг/м², меньше или равны 80 кг/м², меньше или равны 70 кг/м², меньше или равны 58.7 кг/м², меньше или равны 52.8 кг/м², меньше или равны 45 кг/м², меньше или равны 40 кг/м², меньше или равны 30 кг/м², или меньше или равны ориентировочно 17.5 кг/м².

Композиционные материалы могут иметь различные толщины, частично, в зависимости от предусмотренного применения готового композиционного материала. Например, композиционные материалы, предназначенные для предотвращения проникновения пуль, имеющих высокое количество движения, могут иметь большую толщину, чем композиционные материалы, предназначенные для предотвращения проникновения пуль, имеющих меньшее количество движения. Различные варианты могут иметь толщины, например, больше чем 200 мм, меньше или равные 200 мм, меньше чем 150 мм, меньше чем 120 мм, меньше чем 100 мм, меньше чем 80 мм, меньше чем 70 мм, меньше чем 60 мм, меньше чем 50 мм, меньше чем 40 мм, меньше чем 30 мм или меньше чем 25 мм.

Керамический лист и/или керамический композиционный материал может быть плоским или может иметь по меньшей мере один радиус. Во многих вариантах керамический лист является главным образом плоским. Главным образом плоский лист может быть образован, например, при помощи технологии edge defined film fed growth, которая позволяет получить подходящий лист без какой-либо дополнительной механической обработки или холодной обработки давлением. Для получения изогнутого листа, который главным образом не является плоским, лист может быть выращен с изогнутой поверхностью или с радиусом, например, в виде участка трубы. Плоские или не плоские листы могут быть использованы для получения прозрачных керамических композиционных материалов, таких как прозрачная броня, которая может быть использована в качестве лобового (ветрового) стекла, например, на самолетах, в космических кораблях и автомобилях, а также в индивидуальных броневых средствах защиты.

Керамический лист, такой как лист сапфира, может быть образован из множества наложенных друг на друга листов, причем такой лист может быть соединен, например, со вторым или третьим листом, чтобы создать сапфировый компонент, имеющий большую толщину. Все листы могут иметь одинаковые или подобные размеры и могут быть соединены с другим листом или с другими листами с использованием известных способов соединения, например, с использованием клеев или механических средств, таких как зажимы. Соответствующие клеи преимущественно являются прозрачными, причем многие такие клеи являются известными специалистам в данной области. Клеи могут быть отверждаемыми за счет теплоты, отверждаемыми за счет излучения, отверждаемыми с течением времени, химически отверждаемыми и отверждаемыми катализатором, и включают в себя, например, полиуретаны, термопластичные полиуретаны, эпоксидные смолы, силиконы, поливинил бутирал и клеи на базе металла.

В дополнение к керамическому слою, керамический композиционный материал может содержать опорный слой (материал), а также может содержать промежуточный слой. Опорный слой (или внутренний слой) может помогать обеспечивать, например, поддержку и рассеяние силы удара, и может помогать задерживать осколки и пули, которые в противном случае, могли бы проходить через композиционный материал. Опорный материал может иметь любую толщину или форму и может быть толще или тоньше, чем керамический лист. Опорный материал может быть прозрачным, причем он преимущественно является прозрачным на тех же длинах волн, что и керамический лист, с которым его используют. Например, лист сапфира, который является прозрачным в видимой области, может быть соединен с поликарбонатным листом, который также является прозрачным в видимой области. Если композиционный материал предназначен для использования в качестве ИК окна, опорный материал преимущественно является прозрачным в ИК области. Аналогично, он может быть прозрачным в УФ области. В соответствии с некоторыми вариантами, опорный материал (внутренний слой) может быть полимером, таким как поликарбонат. Внутренний слой может иметь покрытие на внутренней (открытой) поверхности, такое как стойкое к царапинам или стойкое к помутнению покрытие. Специалистам в данной области известно множество таких покрытий. Множество листов опорного материала могут быть сложены стопой и могут быть сцеплены друг с другом с использованием клеев, таких как, например, полиуретаны, термопластичные полиуретаны, эпоксидные смолы, силиконы и клеи на базе металла. Такие элементы, как проводники (провода), также могут быть размещены между слоями или на них, чтобы, например, производить резистивный нагрев для оттаивания или предотвращения запотевания. Подходящими опорными материалами являются прозрачные термопластичные или термореактивные композиционные материалы, такие как сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола (ABS), полиацетали, ацетат целлюлозы, бутират (ацетат) целлюлозы, пропионат (ацетат) целлюлозы, акриловые смолы и модифицированные акриловые смолы, аллиловые полимеры, триацетатцеллюлоза, хлорированные полиэфиры, этилцеллюлоза, эпоксидная смола - жесткая и гибкая, фторопласты, иономеры "Surlyn" (DuPont), меламины, найлоны, парилен полимеры, фенольные прозрачные (термореактивные) полимеры, фенокси полимеры, полибутилен, поликарбонаты, сложные полиэфиры, полиэтилены, полифенилен, полипропилен, полистирол, полиуретаны (термопластичные, термореактивные и высокой плотности), полисульфон, поливинилацетат (PVA), поливиниловый спирт, поливинил фторид, поливинил бутирал, слоистый материал поливинилацетат/майлар, поливинилиден хлорид, силиконы, сополимер стирола с акрилонитрилом и сополимер стирола с бутадиеном.

Также могут быть использованы промежуточные материалы или слои, которые, например, могут обеспечивать поддержку и распределение усилий. Промежуточные слои могут быть сцеплены как с керамическим слоем, так и с опорным слоем. В соответствии с некоторыми вариантами, промежуточный слой может быть толще или может иметь большую массу, чем керамический слой или опорный слой. В результате, промежуточный материал может составлять больше чем 40%, больше чем 50%, больше чем 60%, больше чем 70%, больше чем 80% или больше чем 90% массы композиционного материала. В соответствии с некоторыми вариантами, промежуточный слой представляет собой стекло, причем в некоторых вариантах может быть использовано стекло с низким содержанием железа. Промежуточный слой может быть прозрачным в том же самом диапазоне длин волн, что и внешний (керамический) и внутренний слои композиционного материала. Например, если внешний и внутренний слои являются прозрачными в видимой области спектра, промежуточный слой также может быть прозрачным в видимой области спектра. Материалы не обязательно должны иметь общие характеристики пропускания в расширенном диапазоне длин волн, однако характеристики пропускания преимущественно должны перекрываться для образования поддиапазона, который будет обеспечивать соответствующее пропускание всего композиционного материала. Например, керамические слои, внутренние слои и промежуточные слои могут быть выбраны так, чтобы пропускать весь спектр видимого излучения. В качестве не исчерпывающих примеров материалов для промежуточного слоя можно привести стекла, керамические и полимерные материалы. Промежуточный слой может быть соединен с внутренним слоем или с внешним слоем механически или при помощи клея. В качестве подходящих клеев можно привести, например, полиуретаны, термопластичные полиуретаны, эпоксидные смолы, силиконы и клеи на базе металла.

Слои композиционного материала могут быть соединены вместе с использованием комбинации теплоты и давления. Преимущественно, листовые слои прочно скреплены друг с другом, при этом сохраняется или улучшается оптическая прозрачность. В случае применения для наблюдения, например, в случае прозрачной брони, оптическая прозрачность является важной характеристикой и пропускание преимущественно может составлять больше чем 70%, больше чем 75%, больше чем 80% или больше чем 85%. Кроме того, значение матовости (помутнения) меньше чем 3% также может быть предпочтительным.

В процессе образования композиционного материала листы могут быть временно скреплены друг с другом, например, с использованием ленты и затем помещены в вакуумный мешок. Этот мешок может быть помещен в камеру, такую как автоклав, и в мешке может быть создан вакуум. Значение вакуума может быть различным в зависимости от применения и может составлять, например, больше чем 100 мторр, больше чем 50 мторр или больше чем 10 мторр. При наличии частичного вакуума в мешке, в камере может быть повышено давление и/или камера может быть нагрета. Может быть использовано атмосферное давление, давление выше атмосферного, давление больше чем 2 бара, больше чем 4 бара или больше чем 8 бар. В соответствии с некоторыми вариантами, давление может быть приложено в автоклаве или при помощи механического средства, например, при помощи роликов или пресса. Давление и теплота могут воздействовать до тех пор, пока полимерный лист не дойдет до температуры размягчения, что позволяет удалить воздушные пузыри и создать условия для осветления и течения полимера (например, полимера PVB (поливинилбутираль)).

Температура размягчения может быть, например, больше чем 70°С, больше чем 80°С, больше чем 90°С, больше чем 100°С, больше чем 120°С, больше чем 150°С, больше чем 160°С, больше чем 200°С или больше чем 250°С. Оптимальная температура частично зависит от приложенного давления и от специфического материала, который используют для соединения листов керамики (сапфира), стекла и поликарбоната вместе.

После размягчения полимера и удаления воздушных пузырей, оптическая прозрачность окна может улучшаться и композиционный материал может стать прозрачным. Наблюдение этого изменения помогает определить момент достижения оптимальных комбинаций давления и температуры. Дефекты или неровности на обращенных внутрь поверхностях листов сапфира или стекла могут быть заполнены текущим PVB. После полимеризации или отверждения или охлаждения, компоненты композиционного материала остаются надежно фиксированными друг относительно друга, и крепежная лента или другое временное средство крепления могут быть удалены. Различные методы могут быть использованы для испытаний способности керамического композиционного материала выдерживать специфический удар. В соответствии с одним из способов, керамический композиционный материал, такой как керамическая броня, может быть надежно закреплен на стенде и подвергнут обстрелу, например, патронами из нарезного оружия. Считают, что пуля полностью прошла через керамическую броню, если она прошла через ее внутренний слой, например, поликарбонатный слой. Для определения V₅₀ для специфической пули, производят выстрелы под прямым углом к броне с различными скоростями. Две самые высокие скорости, при которых пули не проникают через броню, усредняют с двумя самыми низкими скоростями, при которых пули проникают через броню, и в результате получают V₅₀. Все приведенные здесь результаты баллистических испытаний получены при стрельбе под прямым углом к броне (что определяют с практически достижимой точностью), если специально не оговорено иное.

В соответствии с некоторыми вариантами, керамический композиционный материал может предотвращать проникновение пуль и/или позволяет получить V₅₀ по меньшей мере 740 м/сек, больше чем 800 м/сек, больше чем 843 м/сек, больше чем 850 м/сек, больше чем 900 м/сек, больше чем 950 м/сек, больше чем 1000 м/сек или больше чем 1100 м/сек. В соответствии с различными вариантами, эти уровни могут обеспечивать защиту от пуль калибра .30 АР, калибра .50, 7.62×51 М-80 Ball, 7.62×39 API-BZ, 7.62×51 АР(М61), 7.62×54R В32 (Dragonov) и 7.62×51 AP-WC. Для защиты от таких пуль, в соответствии с различными вариантами, поверхностная плотность композиционного материала может составлять, например, меньше чем 200 кг/м², меньше чем 165 кг/м², меньше чем 135 кг/м², меньше чем 110 кг/м², меньше чем 80

кг/м², меньше чем 70 кг/м², меньше чем 58.7 кг/м², меньше чем 50 кг/м² или меньше чем 40 кг/м². Для защиты от пуль калибра .50 АР, композиционный материал может иметь поверхностную плотность, например, меньше чем 200 кг/м², меньше чем 150 кг/м², меньше чем 120 кг/м², меньше чем 5 100 кг/м², меньше чем 80 кг/м² или меньше чем 50 кг/м². Композиционные материалы, которые предназначены для защиты от множества попаданий пуль в один и тот же композиционный материал, должны иметь более высокие поверхностные плотности.

Примеры

Были изготовлены различные образцы сапфировых композиционных материалов, которые были подвергнуты баллистическим испытаниям для определения их эффективности в качестве прозрачной брони. Полученные результаты показывают, что описанные здесь прозрачные композиционные материалы на базе керамики позволяют эффективно предотвращать проникновение различных пуль, в том числе и в случае множества попаданий. Более того, этот уровень защиты может быть получен при поверхностных плотностях и толщинах, которые меньше, чем для обычной брони со стеклом.

Было проведено 11 различных баллистических испытаний для двух различных слоистых композиционных материалов. Каждый слоистый материал имел длину 150 мм и ширину 150 мм. Сапфировые листы этих двух образцов слоистых материалов были получены при помощи технологии edge defined film fed growth, если специально не оговорено иное.

Каждый композиционный материал был получен следующим образом. Компонентные слои накладывали друг на друга, чтобы получить пакет, скрепляли лентой и помещали в вакуумный мешок. В мешке создавали вакуум, а затем мешок помещали в автоклав, где к пакету прикладывали давление около 8 бар (116 psi). Таким образом, пакет слоев находился в вакууме внутри мешка, но к нему было приложено давление в автоклаве. Температуру повышали до уровня, при котором PVB слои начинают течь, а именно, ориентировочно до 125°С, причем соответствующие температуры могут изменяться в зависимости от приложенного давления. Когда начинается течение материала, PVB осветляется, причем это осветление может быть использовано наблюдателем для выбора соответствующей температуры. Давление и температуру поддерживали в течение времени около 150 минут. Затем давление сбрасывают и позволяют слоистому композиционному материалу остыть. После охлаждения ленту удаляли, причем слои остаются надежно соединенными вместе и полученный композиционный материал имеет отличные оптические характеристики прозрачности и отсутствие помутнения.

В первых 8 тестах (группа А в Таблице 1) был использован слоистый сапфировый композиционный материал А (слои были расположены в указанном порядке, однако специфический временный порядок расположения слоев может быть другим).

Композиционный материал А содержит, в указанном физическом порядке, 6.35 мм сапфировый лист, 0.76 мм PVB лист, 8 мм лист стекла, 3 мм лист TPU и 3 мм лист поликарбоната, в результате чего получают слоистый композиционный материал, имеющий пять слоев. Полученный композиционный материал А имеет поверхностную плотность 52.12 кг/м².

В дополнительных 3 тестах (группа В в Таблице 1) был использован слоистый сапфировый композиционный материал В. Композиционный материал В содержит, в указанном физическом порядке, 6.35 мм сапфировый лист, 0.76 мм PVB лист, 12 мм лист "алмазного стекла" (белое жидкое стекло с низким содержанием железа), 0.76 мм PVB лист, 4 мм лист RC алмазного стекла (химически упрочненное стекло), 2.5 мм TPU лист и 3 мм лист поликарбоната, в результате чего получают слоистый композиционный материал, имеющий семь слоев. Полученный композиционный материал В имеет поверхностную плотность 72.78 кг/м². Композиция В была также проанализирована, чтобы определить значения коэффициента пропускания и матовости. Полученные значения коэффициента пропускания составляют от 85.3 до 85.9%. Полученные значения матовости для этих же образцов составляют от 0.99 до 1.25%. Эти значения коэффициента пропускания и матовости показывают, что данные композиционные материалы с успехом могут быть использованы в прозрачной броне, где важно иметь хорошее (чистое) поле зрения.

В дополнительных тестах испытывали различные слоистые композиционные материалы С, D, Е и F, предназначенные для защиты от различных пуль.

Композиционный материал С содержит, в указанном физическом порядке, 6.35 мм сапфировый лист, 0.76 мм PVB лист, 12 лист "алмазного стекла" (белое жидкое стекло с низким содержанием железа), 0.76 мм PVB лист, 4 мм лист RC алмазного стекла (химически упрочненное стекло) и 0.94 мм FAE лист. Полученный композиционный материал С имеет поверхностную плотность 67.46 кг/м².

Композиционный материал D содержит 10 компонентов, в указанном физическом порядке, а именно, 6.35 мм сапфировый лист, 0.76 мм PVB лист, 6,35 мм сапфировый лист, 0.76 мм PVB лист, 12 мм лист "алмазного стекла" (белое жидкое стекло с низким содержанием железа), 0.76 мм PVB лист, 12 мм лист "алмазного стекла" (белое жидкое стекло с низким содержанием железа), 0.76 мм PVB лист, 3 мм RC лист алмазного стекла (химически упрочненное стекло) и 0,94 мм FAE лист. Полученный композиционный материал D имеет поверхностную плотность 159.21 кг/м².

Композиционный материал Е содержит 10 компонентов, в указанном физическом порядке, а именно, 7,62 мм сапфировый лист, 0.76 мм PVB лист, 7.62 мм сапфировый лист, 0.76 мм PVB лист, 12 мм лист "алмазного стекла" (белое жидкое стекло с низким содержанием железа), 0,76 мм PVB лист, 12 мм лист "алмазного стекла" (белое жидкое стекло с низким содержанием железа), 0.76 мм PVB лист, 3 мм RC лист алмазного стекла (химически упрочненное стекло) и 0.94 мм FAE лист. Полученный композиционный материал Е имеет поверхностную плотность 169.11 кг/м².

Композиционный материал F содержит, в указанном физическом порядке, 7.62 мм сапфировый лист, 0.76 мм PVB лист, 12 мм лист "алмазного стекла" (белое жидкое стекло с низким содержанием железа), 0.76 мм PVB лист, 10 мм лист "алмазного стекла" (белое жидкое стекло с низким содержанием железа), 0.76 мм PVB лист, 4 мм лист "алмазного стекла" (белое жидкое стекло с низким содержанием железа), 0.76 мм PVB лист, 3 мм лист "алмазного стекла" (белое жидкое, стекло с низким содержанием железа), 1.25 мм TPU лист и 94 мм FAE лист. Полученный композиционный материал F имеет поверхностную плотность 107.97 кг/м².

Метод испытаний

Каждый образец сапфирового композиционного материала, который имеет форму квадрата 150×150 мм, подвергался баллистическим испытаниям при одном выстреле (за исключением множества выстрелов в тесте 19). Физические параметры и результаты баллистических испытаний композиционных материалов приведены в Таблице 1. Если в колонке проникновения стоит "да", то это означает, что по меньшей мере полученные осколки прошли через оконечный поликарбонатный слой. Если в колонке проникновения стоит "нет", то это означает, что возможно имелось частичное проникновение в сапфировую поверхность и в стекло, но пуля не прошла через композиционный материал и полученные осколки остались в оконечном поликарбонатном слое.

Баллистические испытания были проведены в контролируемых условиях, в заданных баллистических диапазонах. Все выстрелы производились перпендикулярно к поверхности испытуемого композиционного материала. В случае образцов 1-8, выстрелы производили с расстояния 10 м, причем скорость пули определили при помощи оптического детектора скорости, установленного на расстоянии 2.5 м от мишени. В случае образцов 9-18, выстрелы производили с расстояния 50 м, причем скорость пули определили при помощи оптического детектора скорости, установленного на расстоянии 6.5 м от мишени. В случае образца 19, выстрелы производили с расстояния 3.2 м, причем скорость пули определили при помощи светоизмерительного устройства, установленного на расстоянии 1.1 м от мишени.

Первые проверенные 8 образцов А в Таблице 1 имеют толщину 21.1 мм и поверхностную плотность 52.12 кг/м². Этот композиционный материал обеспечивает защиту от пули 7.62×51 mm М80, летящей со скоростью 835 м/сек (Образец ID#1). Деформация этой прозрачной брони показана на фиг.3А и 4А. Этот же композиционный материал (Образцы ID# 2-4) был испытан при стрельбе пулями 7,62×39 mm API-BZ. Испытания проводили при трех различных скоростях летящей пули, до скорости 776 м/сек. Деформация от пули, летящей со скоростью 776 м/сек, показана на фиг.3В и 4В.

Образцы ID# 5-8 были испытаны при стрельбе пулями 7.62×51 mm АР М61 (сердечник из твердой стали). Эти пули имеют частичное проникновение при скорости 768 м/сек.

Затем были проведены испытания образцов ID#9-11 композиционного материала B, имеющих толщину 29.4 мм и поверхностную плотность 72.78 кг/м². Этот композиционный материал позволяет частичное проникновение пули 7.62×54R В32 API (Dragonov), летящей со скоростью 858 м/сек. Можно полагать, что броня только из стекла толщиной 50 мм, имеющая поверхностную плотность больше чем 115 кг/м², будет позволять частичное проникновение такой пули.

После этого было проведено испытание образца 12 композиционного материала C, имеющего толщину 24.87 мм и поверхностную плотность 67.46 кг/м². Композиционный материал С успешно выдержал удар от пули 7.62×54R В32, летящей со скоростью 864 м/сек.

Затем были проведены испытания образцов 13-14 композиционного материала D, имеющих толщину около 43.7 мм и поверхностную плотность 159.21 кг/м². Композиционный материал D успешно выдержал удар от пули 7.62×51 AP-WC, летящей со скоростью 917 м/сек.

После этого были проведены испытания образцов 15-18 композиционного материала Е, имеющих толщину около 46.3 мм и поверхностную плотность 169.1 кг/м². Композиционный материал Е успешно выдержал удар от пули 7.62×51 AP-WC, летящей со скоростью 918 м/сек.

Затем было проведено испытание образца 19 композиционного материала F, имеющего толщину около 41.85 мм и поверхностную плотность 107.97 кг/м². В отличие от других испытаний, композиционный материал имеет размеры 300 мм×300 мм. Были произведены три выстрела в последовательности в один и тот же образец (#19) композиционного материала F, в местоположение поблизости от центра панели, под углом около 120 градусов друг от друга и на расстоянии 150 мм друг от друга. Композиционный материал F успешно выдержал три последовательных удара от пуль 7.62×63 mm АРМ2, летящих со скоростью около 850 м/сек.

Оптические испытания

Прошедшие указанные испытания композиционные материалы на базе сапфира имеют более высокую оптическую прозрачность, чем композиционные материалы на базе стекла, способные обеспечивать такой же уровень защиты. Светопропускание и матовость измеряли с использованием методик ASTM D1003-00, которые являются стандартными для определения матовости и светопропускания прозрачных пластиков. Измерения производили с использованием нефелометра. Сапфировая прозрачная броня при толщине 29.4 мм (композиционный материал В) имеет пропускание больше чем 85% и уровни матовости (помутнения) около 1%. Повышение толщины за счет добавления дополнительных слоев стекла, чтобы получить толщину 41,1 мм, уменьшает пропускание ориентировочно до 84%, без видимого ухудшения матовости. Для сравнения, типичная стеклянная броня, которая обеспечивает защиту от пуль, аналогичную сапфировой прозрачной броне толщиной 29.4 мм, имеет светопропускание 73% и матовость около 0.6%.

Несмотря на то что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены различные изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.

1. Слоистый композиционный материал, содержащий лист монокристаллического сапфира, имеющий по меньшей мере один размер более 25 см.

2. Материал по п.1, который имеет по меньшей мере один размер более 30 см.

3. Материал по п.1, который имеет длину и ширину и у которого длина превышает ширину, и ширина составляет более 30 см.

4. Материал по п.1, который имеет прозрачность по меньшей мере около 80% в ИК, УФ или видимой области спектра.

5. Материал по п.1, который содержит лист стекла.

6. Материал по п.5, в котором лист стекла содержит материал, выбранный из группы, в которую входят боросиликатное стекло, алмазное стекло, белое жидкое стекло, стекло с низким содержанием железа, сверхбелое стекло и химически упрочненное стекло.

7. Материал по п.5, который содержит второй лист стекла.

8. Материал по п.1, который имеет площадь поверхности больше чем 1000 см².

9. Материал по п.1, который является непланарным.

10. Материал по п.1, который содержит клеевой лист, содержащий поливинилбутирал.

11. Материал по п.1, который содержит второй лист монокристаллического сапфира.

12. Прозрачная броня, содержащая слоистый композиционный материал по любому из пп.1-11.

13. Способ изготовления слоистого композиционного материала, в котором лист монокристаллического сапфира сцепляют с основой, причем указанный лист имеет по меньшей мере один размер более 25 см.

14. Способ по п.13, в котором лист имеет по меньшей мере один размер более 30 см.

15. Способ по п.13, в котором лист имеет длину и ширину, причем длина превышает ширину, а ширина составляет более 30 см.

16. Способ по п.13, в котором лист сцепляют с основой с использованием клея, выбранного из группы, в которую входят поливинилбутирал, силикон, полиуретан, эпоксидная смола и акриловая смола.

17. Способ по п.13, в котором первый лист сапфира сцепляют со вторым листом сапфира.

18. Способ по п.13, в котором по меньшей мере один размер листа составляет более 50 см.

19. Способ по п.13, в котором лист монокристаллического сапфира образован при помощи технологии выращивания кристалла с ограничением края и подпиткой расплава.

20. Способ по п.13, в котором основа содержит стекло, а слоистый композиционный материал представляет собой прозрачную броню.