PL236456B1 - Materiał balistyczny - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest materiał balistyczny przeznaczony dla zapewnienia zwiększonej odporności balistycznej, odporności na uderzenia pocisków, osłanianych materiałem osłonowym obiektów.

Materiał balistyczny przeznaczony jest do zapewnienia lub zwiększenia odporności balistycznej pojazdom, jednostkom pływającym i latającym oraz budowlom.

Znane są metody tworzenia osłon balistycznych z tkanin oraz odpowiednio scalanych włókien z materiałów osiągających wysoką odporność na rozciąganie o orientacji 0°, ±45° i 90° w takiej samej ilości dla każdego kierunku. Materiały takie są określane jako kompozyt quasi-izotropowy. Laminaty epoksydowo-węglowe o takiej strukturze stosuje się w lotnictwie, rezygnując częściowo z możliwości uzyskania bardzo wysokiej wytrzymałości (co byłoby możliwe przy równoległym ułożeniu wszystkich warstw UD) na rzecz minimalizowania możliwości wystąpienia problemów związanych ze stosowaniem materiałów o bardzo silnej anizotropii. Próby wytrzymałości na rozciąganie i zginanie laminatów podlegają podobnym uwarunkowaniom.

Znana jest z opisu NL8403529 płyta pancerza, która zawiera warstwy utworzone z włókna aramidowego (szczególnie Kevlar, RTM) osadzone w żywicy syntetycznej na bazie żywicy epoksydowej. Płytka zawiera ponadto warstwy z włókien węglowych i/lub z warstwy metalicznej, ewentualnie na bazie mineralnej, na przykład warstwę podkładową na bazie Na2O, K2O lub SiO2. Warstwa z włókna węglowego może być umieszczona z jednej lub obu stron warstwy włókien aramidowych. Warstwy aramidowe i/lub włókna węglowe mogą tworzyć jednokierunkowe wstęgi. Wzdłużne kierunki włókien w kolejnyc h warstwach mogą być ustawione pod kątem do siebie. Warstwa lub warstwy metaliczne mogą być nakładane na warstwę włókna aramidowego i/lub warstwę z włókna węglowego drogą natryskiwania płomieniowego.

W znanych materiałach kompozytowych poddanych obciążeniom dynamicznym charakterystycznym dla tych, jakie występują w przypadku osłon balistycznych, występuje anizotropowość w zakresie wskaźników wytrzymałości, współczynników sprężystości przy występowaniu zjawiska bardzo gwałtownego obciążenia energią kinetyczną, oddziaływującą na niewielki jego obszar.

W przypadku materiału balistycznego wykonanego z włókien połączonych osnową w formie płyty z układanych na sobie warstw tkaniny z wysokowytrzymałych włókien lub prętów, pocisk wystrzelony wywiera na taką osłonę siłę zgodną z kierunkiem jego przemieszczania się przed trafieniem w osłonę, ale i promieniście, dookoła miejsca trafienia. Takie obciążenia powodują niszczenie, rozdzieranie struktury laminatu z powodu rozpychania włókien na boki. Jest to najbardziej destrukcyjny czynnik niszczący kompozytowe osłony balistyczne.

Znana jest z opisu wynalazku EP2072945 kompozytowa płyta pancerna do ochrony przed pociskami, która składa się z warstw równoległych prętów, przy czym pomiędzy końcami ułożonych osiowo prętów wprowadzane są elementy pochłaniające wstrząsy. Mogą to być materiały w postaci folii, włókien, pasków czy granulek. Materiały tłumiące wstrząsy mogą według innych przykładów wykonania być układane także pomiędzy rzędami prętów. Również kształt końców prętów - wypukłych i wklęsłych jest przedmiotem rozwiązania. Same zaś pręty mogą przybierać różne rozmiary i kształty, na przykład koła, elipsy czy wielokąta. Pręt o długości od 13 do 300 mm wykonany jest z materiału ceramicznego, z tlenku glinu lub innego twardego materiału jak węglika boru, węglika krzemu, materiału metalicznego, hartowanej stali lub spieków.

Znany jest z opisu wynalazku PL217284 miękki hybrydowy pakiet balistyczny, przeznaczony zwłaszcza do kulo- i/lub odłamkoodpornych kamizelek ochronnych oraz opancerzania elementów pojazdów. Zamknięty w wodoszczelnym i paroprzepuszczalnym pokrowcu wkład, ma wierzchnią warstwę, którą stanowi tradycyjny materiał balistyczny oraz spodnią warstwę w postaci układu zawierającego od 3 do 15 arkuszy z tkaniny polipropylenowej, zastępujący od 2 do 12 arkuszy materiału balistycznego tradycyjnego wkładu, przy zachowaniu założonej klasy odporności balistycznej i pierwotnej lub zmniejszonej masy wkładu. Hybrydowy wkład zawiera do 30% wagowych materiału polipropylenowego.

W płytach wykonanych z laminatów włókna są rozłożone wielokierunkowo, lecz zawsze równolegle lub prawie równolegle do powierzchni płyty będącej osłoną balistyczną. Płyty te mają największą odporność jeżeli siły działają w kierunku wzdłuż którego ułożone są włókna.

Po połączeniu włókien osnową, kształtowane są z nich płyty laminowane płaskie lub obłe. Poważną cechą ograniczającą zastosowanie laminatów stanowi ich wrażliwość na rozciąganie w kierunku poprzecznym do włókien. Trudno jest uniknąć sytuacji, w której niektóre włókna użyte do stworzenia

PL 236 456 B1 laminatu są rozciągane poprzecznie do osi włókien. Takie obciążenie powoduje pękanie połączenia włókien i osnowy kompozytu, co jest szczególnie niekorzystne dla trwałości osłony balistycznej.

Ponadto w laminatach występują pęcherze powietrza, które obniżają wskaźniki wytrzymałości materiału szczególnie w przypadku obciążenia płyty wykonanej z niego poddanej działaniu wysokiej energii kinetycznej oddziałującej na małą powierzchnię.

W przypadku obciążenia płyty dużą energią kinetyczną oddziałującą na małą powierzchnię tej płyty, co jest typowym stanem obciążenia w przypadku osłon balistycznych, następuje łączenie się pęknięć spowodowanych uderzeniem pocisku z obszarami wypełnionymi powietrzem. Tworzą się wtedy długie pęknięcia wzdłuż osi włókien, powodując stan obciążenia rozrywający płytę stanowiącą osłonę balistyczną, w kierunku prostopadłym lub prawie prostopadłym do osi włókien.

Materiał balistyczny utworzony jest z warstw rzędami ułożonych prętów. Pręty ułożone są w warstwie z przesunięciem prętów sąsiadujących rzędów na zakład bliski 0,1 do 0,9 długości pręta, a pomiędzy rzędami warstwy ułożona jest przyległa warstwa podobnie przesuniętych prętów tak, że pręty warstw również są ułożone na zakład bliski 0,1 do 0,9 długości pręta dla każdych sąsiednich trzech prętów stykających się powierzchniami bocznymi. Warstwy prętów połączone są nierozłącznie osnową z materiału ulegającemu zestaleniu. Osnowę stanowi żywica polimerowa, korzystnie żywica poliestrowa, żywica epoksydowa lub żywica fenolo - formaldehydowa. Pręty utworzone są włókien z materiału politereftalano-1,4-fenylodiamidu PPTA i/lub włókien węglowych, których pęki są nasączone osnową i są skręcone ulegając zestaleniu. Korzystne jest, gdy najbliżej leżące pręty, stykające się powierzchniami bocznymi są oplecione włóknem węglowym i/lub włóknem z materiału PPTA i tak scalone są ze sobą po dwa w sposób nierozłączny tworzywem osnowy.

Dużą zaletą rozwiązania są pręty wykonane ze skręconych włókien, pręty które rozmieszczone są przestrzennie i na zakład. Skręcanie włókien stwarza stan, w którym pocisk uderzając w płytę z tego materiału napotyka na włókna zorientowane pod różnymi kątami w stosunku do kierunku biegu pocisku. Taki właśnie układ włókien zapewnia skręcenie pęku włókien wzdłuż osi włókien.

Dodatkowo skręcanie włókien generuje ciśnienie pomiędzy włóknami powodującego usuwanie mikropęcherzyków powietrza z materiału.

Powyższe właściwości płyty powodują, że osłona z niej wykonana posiada zdolność do rozpraszania wysokiej energii kinetycznej oddziaływującej na jej mały obszar.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok materiału balistycznego z boku, a fig. 2 widok w przekroju poprzecznym.

Materiał osłonowy ma postać płyty, wewnątrz której znajdują się ułożone warstwowo elementy o przekroju kołowym tworzące pręt 1. Pręty te wykonane są z ułożonych obok siebie włókien z materiału politereftalano-1,4-fenylodiamidu w skrócie PPTA, znanym również pod nazwą „kevlar”, „twaron” lub „aramid” oraz włókien węglowych. W każdym elemencie znajdują się w możliwych różnych proporcjach wagowych włókna PPTA oraz włókna węglowe. W jednej z realizacji zastosowane zostały proporcje 80% wagowo włókien PPTA i 20% wagowo włókien węglowych jako wystarczająco korzystne.

Włókna w pęku są poddane zanurzeniu w naczyniu z żywicą poliestrową, epoksydową lub fenolo - formaldehydową. Po nasączeniu włókien stanowiących pęk zostają one poddane skręcaniu do uzyskania formy pręta o średnicy nie mniejszej niż 18 mm i nie większej niż 22 mm. Skręcanie to polega na uchwyceniu obu końców pojedynczego pęku włókien i obracaniu go w płaszczyźnie prostopadłej do osi pęku. Oczywiście możliwe jest uchwycenie na stałe jednego końca pęku, a drugi koniec jest obracany w lewo lub w prawo w płaszczyźnie osi prostopadłej do osi pęku. Włókna w pęku układają się w formie spiral, przy czym włókna leżące w środku pęku mają mniejszą średnicę spirali niż włókna na obwodzie pęku. Po odsączeniu nadmiaru żywicy pęk zostaje poddany sezonowaniu w temperaturze od 30 do 50 stopni Celsjusza. Po zżelowaniu żywicy spajającej włókna uzyskuje się właściwe utwardzenie. Skręcanie włókien korzystnie prowadzi do usunięcia znajdujących się pomiędzy nimi pęcherzy powietrza oraz daje po zestaleniu strukturę o wielokierunkowym ułożeniu włókien w elemencie. W taki sposób po zestaleniu każdego z pęków powstają pręty 1.

Następnie pręty te układane są rzędami dla utworzenia warstwy, a na tej warstwie układa się kolejno podobne warstwy. Nad pierwszą warstwą ułożona jest druga. Każdy pręt z drugiej warstwy znajduje się nad miejscem styku powierzchni bocznych i czołowych prętów warstwy pierwszej. Inaczej mówiąc pręty ułożone są na zakład, podobnie jak cegły w murze.

PL 236 456 B1

Pręty ułożone są w warstwie rzędami z przesunięciem sąsiadujących rzędów na zakład bliski 0,1 do 0,9 długości pręta, a pomiędzy rzędami warstwy ułożona jest sąsiednia warstwa podobnie przesuniętych prętów tak, że pręty warstw również są ułożone na zakład bliski 0,1 do 0,9 długości pręta dla każdych sąsiednich trzech prętów stykających się powierzchniami bocznymi.

Pierwsza warstwa ułożona zostaje na płycie 2 o wymiarach 500 mm x 400 mm i grubości 10 mm, wykonanej z żywicy o twardości Shore'a 90.

Każdy z prętów 1 ułożony jest tak, że jego oś podłużna jest równoległa do krawędzi płyty mającej długość 500 mm. Pręty ułożone są tak, by stykały się ze sobą bocznymi powierzchniami. Dodatkowo realizowanym wzmocnieniem jest przykład, w którym najbliżej leżące pręty, stykające się powierzchniami bocznymi, są scalone ze sobą po dwa w sposób nierozłączny, poprzez oplecenie włóknem węglowym lub włóknem z materiału PPTA po stwardnieniu żywicy, którą są nasączone.

Oplot 3 jest wykonywany z włókien materiału, z jakiego są wykonane pręty lub z włókna węglowego albo z obu tych włókien w podobnej proporcji wagowej. Oplecenie prętów ze sobą parami poprawia odporność balistyczną materiału, z którego wykonana jest płyta szczególnie w przypadku uderzenia pocisku w obszar pomiędzy sąsiednimi prętami, stykającymi się boczną powierzchnią. Połączenia te dotyczą tylko sąsiednich prętów umieszczonych w tej samej warstwie. Pierwsza warstwa zawiera po sześć prętów ułożonych tak, że oś podłużna każdego z nich jest równoległa do krawędzi bocznej płyty o długości 500 mm.

Pręty 1 o długości 60 mm każdy, ułożone są jeden za drugim tak, że stykają się powierzchniami czołowymi, prostopadłymi do podłużnej osi symetrii. W każdym rzędzie znajduje się osiem prętów o długości 60 mm każdy. W pierwszej poziomej, najniżej położonej warstwie jest 20 rzędów po osiem prętów 1 w każdym rzędzie. Na pierwszej warstwie ułożonych jest 160 prętów stykających się powierzchniami czołowymi.

W płycie znajduje się pięć ułożonych poziomo warstw. W każdej z nich znajduje się po 160 prętów. Ogółem w całej płycie znajduje się 800 prętów o długości 60 mm każdy.

Pręty umieszczone są w osnowie 4 i tworzą strukturę laminatu, podobnie jak pręty lub wiązki drutu stalowego umieszczone w strukturze wykonanej z betonu tworzą materiał zwany żelazobetonem lub żelbetem. Osnową 4 jest zżelowana, czyli utwardzona żywica poliestrowa, epoksydowa lub fenolo formaldehydowa wypełniająca przestrzenie pomiędzy prętami.

Ułożone na sobie warstwy zalane są płynną żywicą PMC 790. Warstwy prętów przykrywa się płytą 3 o wymiarach 500 mm x 400 mm o grubości 10 mm, wykonanej z żywicy PMC 790 o twardości Shore'a 90 i tak wykonany materiał balistyczny pozostawiony jest do sezonowania w temperaturze od 30 do 50 stopni Celsjusza na około 48 godzin.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Materiał balistyczny utworzony jest z warstw rzędami ułożonych prętów, a pręty ułożone są na zakład, przy czym warstwy prętów połączone są nierozłącznie osnową (4) z materiału ulegającemu zestaleniu, znamienny tym, że pręty (1) utworzone są włókien z politereftalano-1,4-fenylodiamidu (PPTA) i/lub włókien węglowych, których pęki są nasączone osnową i są skręcone tak, by usunąć pęcherzyki powietrza i ulegają zestaleniu, przy czym poszczególne rzędy prętów w warstwie ułożone są z przesunięciem prętów sąsiadujących rzędów na zakład bliski 0,1 do 0,9 długości pręta, a pomiędzy rzędami warstwy ułożona jest przyległa warstwa z podobnie przesuniętych prętów tak, że pręty warstw również są ułożone na zakład bliski 0,1 do 0,9 długości pręta dla każdych sąsiednich trzech prętów stykających się powierzchniami bocznymi.

2. Materiał balistyczny według zastrz. 1, znamienny tym, że osnowę (4) stanowi żywica polimerowa, korzystnie żywica poliestrowa albo żywica epoksydowa albo żywica fenolo - formaldehydowa.

3. Materiał balistyczny według zastrz. 1, znamienny tym, że najbliżej leżące pręty, stykające się powierzchniami bocznymi są oplecione włóknem (3) węglowym i/lub włóknem z politereftalano-1,4-fenylodiamidu (PPTA) i są scalone materiałem osnowy (4) ze sobą po dwa w sposób nierozłączny.