RU105421U1

RU105421U1 - STRUCTURED CERAMIC ARMOR

Info

Publication number: RU105421U1
Application number: RU2011108677/11U
Authority: RU
Inventors: Александр Шугруевич Анохин; Елена Юрьевна Анохина; Игорь Дмитриевич Шпотаковский
Original assignee: Александр Шугруевич Анохин; Елена Юрьевна Анохина
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2011-06-10

Abstract

1. Броня, выполненная в виде структурированной керамической панели с заданной топологией структурной неоднородности, полученной путем предварительного заключения внутрь панели пространственной конструкции, выполненной из листового элемента с проделанными в нем разрезами, подвергнутого непрерывной деформации с образованием между этими разрезами отверстий, заполненных в процессе формирования панели керамической массой. ! 2. Броня по п.1, отличающаяся тем, что листовой элемент выполнен из бумаги или картона толщиной 50÷3000 мкм. ! 3. Броня по п.2, отличающаяся тем, что листовой элемент выполнен из водорастворимой бумаги. !4. Броня по п.1, отличающаяся тем, что листовой элемент выполнен из полимерной пленки толщиной 25÷500 мкм. ! 5. Броня по п.1, отличающаяся тем, что листовой элемент выполнен из волокнисто-керамического ровинга. ! 6. Броня по п.1, отличающаяся тем, что листовой элемент выполнен из тонко- или толстолистового керамического сырья. ! 7. Броня по п.1, отличающаяся тем, что в листовом элементе выполнена перфорация. 1. Armor made in the form of a structured ceramic panel with a given topology of structural heterogeneity obtained by preliminarily enclosing a three-dimensional structure inside a panel made of a sheet element with cuts made therein, subjected to continuous deformation with the formation of holes filled between the cuts during panel formation ceramic mass. ! 2. Armor according to claim 1, characterized in that the sheet element is made of paper or cardboard with a thickness of 50 ÷ 3000 microns. ! 3. Armor according to claim 2, characterized in that the sheet element is made of water-soluble paper. !four. The armor according to claim 1, characterized in that the sheet element is made of a polymer film with a thickness of 25 ÷ 500 microns. ! 5. Armor according to claim 1, characterized in that the sheet element is made of fiber-ceramic roving. ! 6. Armor according to claim 1, characterized in that the sheet element is made of thin or plate ceramic raw materials. ! 7. Armor according to claim 1, characterized in that the perforation is made in the sheet element.

Description

Полезная модель относится к композитным керамическим броневым конструкциям, которые могут использоваться в качестве средств защиты как авиационной техники, так и других транспортных средств и защитных сооружений, а также в качестве индивидуальных защитных средств от высокоскоростных кинетических снарядов.The utility model relates to composite ceramic armor structures that can be used as protective equipment for both aircraft and other vehicles and protective structures, as well as individual protective equipment against high-speed kinetic shells.

Из уровня техники известно устройство дискретно-композитной броневой пластины для поглощения и рассеивания кинетической энергии высокоскоростных снарядов. Указанная пластина содержит одинарный внутренний слой керамических гранул, которые объединены и находятся в упругом эластичном материале таким образом, что в нескольких разнесенных друг от друга рядах и столбцах гранулы взаимосвязаны. При попадании снаряда в гранулу, она контактирует с четырьмя соседними гранулами из соседних рядов и столбцов, которые ее удерживают, воспринимая на себя часть передаваемой энергии. Рассеяние происходит путем передачи взаимодействия от первой гранулы, в которую направлен удар снаряда, к периферийным гранулам из отдаленных рядов и столбцов. (US 7117780, МПК F41H 5/02, опубликован 10.10.2006).The prior art device is a discrete composite armor plate for absorption and dispersion of the kinetic energy of high-speed shells. The specified plate contains a single inner layer of ceramic granules, which are combined and are in an elastic elastic material so that in several spaced apart rows and columns of granules are interconnected. When a projectile hits a granule, it contacts four neighboring granules from neighboring rows and columns that hold it, perceiving a portion of the transmitted energy. Scattering occurs by transferring the interaction from the first granule into which the projectile impact is directed to peripheral granules from distant rows and columns. (US 7117780, IPC F41H 5/02, published 10/10/2006).

Недостатком такого устройства является большое, в сравнении с керамическим моноблоком, запреградное смещение дискретной композитной панели в силу невысокой эффективности процесса поглощения энергии снаряда. Это делает ее малоприменимой для средств индивидуальной бронезащиты. Дискретная композитная броня, в основном, применяется для защиты наземных транспортных средств.The disadvantage of this device is the large, in comparison with the ceramic monoblock, the displacement of the discrete composite panel due to the low efficiency of the process of absorbing projectile energy. This makes it of little use for personal protective equipment. Discrete composite armor is mainly used to protect ground vehicles.

В качестве ближайшего аналога выбрано известное устройство керамической брони, в котором баллистическая структура, обеспечивающая защиту от снаряда, состоит из цельной монолитной керамической пластины, имеющей выпуклую лицевую и вогнутую тыльную сторону и первоначальной группы отверстий (щелей) шириной меньше или приблизительно равной 1/10 толщины этой пластины, проходящих по всей глубине пластины, и имеющих некоторую длину отверстия. Упомянутая группа отверстий образует первоначальный узор (паттерн), состоящий из системы двумерных многоугольников, впечатанных в выпуклую лицевую сторону пластины. Каждый многоугольник первоначального типа ограничен прямыми линиями и вершинами так, что конечные точки каждой прямой, не пересекаются с конечными точками смежных прямых. Таким образом, стороны каждого многоугольника первого типа остаются открытыми при каждой вершине, а первоначальные смежные многоугольники пересекаются в одной или более, чем одна, вершине, а первоначальный узор делит пластину на множество баллистических сегментов с целью не допустить распространения трещин от снаряда на соседние сегменты, и обеспечить защиту против второго снаряда. Щели в указанном устройстве создают, например, гидроабразивной или лазерной фрезеровкой, тем самым, формируя указанные многоугольные сегменты. Известная керамическая броня может служить вставкой в бронежилет, предназначенный для защиты от поражающих элементов (снарядов), в частности легкого стрелкового оружия (US 7617757, МПК F41H 5/08, опубликован 17.11.2009).As the closest analogue, the known ceramic armor device was selected in which the ballistic structure providing protection from the projectile consists of a solid monolithic ceramic plate having a convex front and concave back and an initial group of holes (slots) with a width of less than or approximately equal to 1/10 of the thickness this plate, passing through the entire depth of the plate, and having a certain length of the hole. The said group of holes forms the initial pattern (pattern), consisting of a system of two-dimensional polygons imprinted on the convex front side of the plate. Each polygon of the original type is bounded by straight lines and vertices so that the end points of each line do not intersect with the end points of adjacent lines. Thus, the sides of each polygon of the first type remain open at each vertex, and the initial adjacent polygons intersect at one or more than one vertex, and the original pattern divides the plate into many ballistic segments in order to prevent crack propagation from the projectile to neighboring segments, and provide protection against the second shell. Slots in the indicated device are created, for example, by hydroabrasive or laser milling, thereby forming the indicated polygonal segments. The well-known ceramic armor can serve as an insert in a bulletproof vest designed to protect against striking elements (shells), in particular light small arms (US 7617757, IPC F41H 5/08, published November 17, 2009).

Недостатком ближайшего аналога является то, что для единичного сегмента, подвергшегося воздействию кинетического снаряда, поглощение энергии происходит аналогично единичной керамической плитке сравнимого размера в мозаичной бронеплите, т.е. без увеличения эффективности процесса поглощения, поскольку структура сегмента однородна.A disadvantage of the closest analogue is that for a single segment exposed to a kinetic projectile, energy absorption occurs similarly to a single ceramic tile of a comparable size in a mosaic armored plate, i.e. without increasing the efficiency of the absorption process, since the structure of the segment is uniform.

Другим недостатком ближайшего аналога является сложность и высокая стоимость затрат на получение в цельной монолитной керамической пластине щелей, предназначенных для формирования вышеописанных многоугольных сегментов. Особенно это относится к изготовлению крупноформатных объемно-криволинейных монолитных керамических броневых устройств.Another disadvantage of the closest analogue is the complexity and high cost of obtaining gaps in an integral monolithic ceramic plate designed to form the above-described polygonal segments. This is especially true for the manufacture of large-format volume-curved monolithic ceramic armored devices.

Техническим результатом полезной модели является повышение надежности в эксплуатации, иными словами «живучести», керамической брони при многократных попаданиях в нее поражающих средств, благодаря обеспечению эффективности поглощения и рассеяния энергии кинетического снаряда при взаимодействии с броней, обусловленных ее внутренней структурой, обеспечивающей управляемое разрушение керамической матрицы в процессе взаимодействия с кинетическим снарядом.The technical result of the utility model is to increase the reliability of operation, in other words, the “survivability” of ceramic armor when it is hit multiple times by absorbing kinetic projectile energy when interacting with armor due to its internal structure, which provides controlled destruction of the ceramic matrix in the process of interacting with a kinetic projectile.

Названный технический результат достигнут в полезной модели с помощью следующей совокупности признаков.The named technical result is achieved in a utility model using the following set of features.

Броня выполнена в виде структурированной керамической панели с заданной топологией структурной неоднородности, полученной путем предварительного заключения внутрь панели пространственной конструкции, выполненной из листового элемента с проделанными в нем разрезами и подвергнутого непрерывной деформации с образованием между этими разрезами отверстий, заполненных в процессе формирования панели керамической массой.The armor is made in the form of a structured ceramic panel with a given topology of structural heterogeneity, obtained by preliminarily enclosing the spatial structure of the panel made of a sheet element with cuts made in it and subjected to continuous deformation with the formation of holes between these sections filled with ceramic mass during the formation of the panel.

Листовой элемент может быть выполнен из бумаги или картона, толщиной 50÷3000 мкм.The sheet element can be made of paper or cardboard, with a thickness of 50 ÷ 3000 microns.

Кроме того, листовой элемент может быть выполнен из водорастворимой бумаги.In addition, the sheet element may be made of water-soluble paper.

Также, в соответствии с другим вариантом выполнения брони, листовой элемент может быть выполнен из полимерной пленки, толщиной 25÷500 мкм.Also, in accordance with another embodiment of the armor, the sheet element can be made of a polymer film with a thickness of 25 ÷ 500 microns.

Кроме того, листовой элемент может быть выполнен из волокнисто-керамического ровинга или из тонко- или толстолистового керамического сырья.In addition, the sheet element may be made of fiber-ceramic roving or of thin or plate ceramic raw materials.

Согласно варианту брони, в листовом элементе может быть выполнена перфорация.According to a variant of the armor, perforation can be performed in the sheet element.

Полезная модель поясняется чертежом и фотографиями.The utility model is illustrated in the drawing and photographs.

На фиг.1 (а, б, в) показаны некоторые из вариантов форм разрезов и прорезей, образованных в листовом элементе; на фото 1 (а, б, в) показана последовательность получения из листового элемента пространственной конструкции.Figure 1 (a, b, c) shows some of the options for the shapes of cuts and slits formed in the sheet element; photo 1 (a, b, c) shows the sequence of obtaining a spatial structure from a sheet element.

Листовой элемент 1 выполняют, например, из плоского волокнисто-керамического ровинга, тонко- или толстолистового керамического сырья, бумажного листа, ткани, пленки, или комбинации указанных материалов. До выполнения разрезов на листовой элемент могут наносить, в том числе путем напыления, реакционно-способные в отношении керамической массы вещества.The sheet element 1 is made, for example, of a flat fiber-ceramic roving, thin or thick ceramic raw materials, a paper sheet, fabric, film, or a combination of these materials. Prior to making cuts, a reactive substance can be applied to a sheet element, including by spraying, with respect to the ceramic mass.

В листовом элементе 1 выполняют разрезы и/или прорези 2 (фиг.1a; фото 1а). Листовой элемент 1 с разрезами и/или прорезями 2 подвергают непрерывной, т.е. без разрывов, пространственной деформации путем осуществления одной из нижеперечисленных операций: сдавливания, растягивания, скручивания, изгибания или совмещения некоторых из перечисленных операций. Деформация, как указывалось, ведется без разрывов элемента 1 по линиям разрезов и/или прорезей.In the sheet element 1 perform cuts and / or slots 2 (figa; photo 1a). The sheet element 1 with cuts and / or slots 2 is subjected to continuous, i.e. without discontinuities, spatial deformation by performing one of the following operations: squeezing, stretching, twisting, bending or combining some of the following operations. The deformation, as indicated, is carried out without breaks in element 1 along the lines of cuts and / or slots.

Показанный на фото 1 листовой элемент 1 подвергают деформации путем его растягивания в ширину с образованием пространственной конструкции 3 (фото 1б), которую фиксируют механическим путем или с помощью подходящего для этих целей вещества, например, компаунда, клея и т.п. (фото 1в). После чего зафиксированную пространственную конструкцию 3 помещают в пресс-форму.The sheet element 1 shown in photo 1 is subjected to deformation by stretching it in width to form a spatial structure 3 (photo 1b), which is fixed mechanically or using a substance suitable for these purposes, for example, compound, glue, etc. (photo 1c). Then the fixed spatial structure 3 is placed in the mold.

В пресс-форму подают сухой порошкообразный или мокрый субстрат, содержащий керамическую массу (в т.ч. вяжущие цементы), который заполняет пресс-форму вместе с указанной пространственной конструкцией 3. Полученную заготовку могут подвергать прессованию или иному механическому воздействию, например, вибрации, которое компактизирует субстрат с целью получения керамического компакта.A dry powdery or wet substrate containing a ceramic mass (including cementitious cement) is fed into the mold, which fills the mold together with the specified spatial structure 3. The resulting preform can be subjected to pressing or other mechanical action, for example, vibration, which compacts the substrate in order to obtain a ceramic compact.

Керамический компакт, в зависимости от рецептуры субстрата и процесса керамизации, может быть подвергнут или не подвергнут обжигу. После завершения процесса керамизации получают керамическую броню с заданной топологией структурной неоднородности.Ceramic compact, depending on the formulation of the substrate and the process of ceramicization, may or may not be fired. Upon completion of the ceramicization process, ceramic armor is obtained with a given topology of structural heterogeneity.

При деформации листового элемента 1, имеющего разрезы, образуется регулярная структура, которая после описанных выше процедур формирования компакта, образует в керамическом компакте 6 топологическую структуру пространственно-связанных неоднородностей. Указанные неоднородности в монолитном броневом элементе являются зоной управляемого разрушения в процессе диссипации энергии удара кинетическим снарядом. Это происходит вследствие того, что скорость распространения упругих колебаний в керамическом монолите дифференцирована по значению (выше или ниже) в матрице и в зоне неоднородности.When a sheet element 1 having cuts is deformed, a regular structure is formed, which, after the compact formation procedures described above, forms a topological structure of spatially connected inhomogeneities in the ceramic compact 6. These inhomogeneities in a monolithic armored element are a zone of controlled destruction in the process of dissipation of impact energy by a kinetic projectile. This is due to the fact that the propagation velocity of elastic vibrations in a ceramic monolith is differentiated by value (higher or lower) in the matrix and in the inhomogeneity zone.

На границах участков монолита с разным акустическим импедансом происходит ударно-волновая интерференция упругих колебаний. Управление интерференцией производится за счет задания в керамической матрице топологии структурной неоднородности. При этом удается получить оптимальное значение размеров и форм регулярных структур неоднородностей в керамическом монолите.At the boundaries of monolith sections with different acoustic impedances, shock-wave interference of elastic vibrations occurs. The interference is controlled by setting the topology of the structural heterogeneity in the ceramic matrix. In this case, it is possible to obtain the optimal value of the sizes and shapes of the regular structures of inhomogeneities in the ceramic monolith.

На фиг.1 показаны некоторые варианты разрезов и/или прорезей, обеспечивающих последующую деформацию листового элемента 1, для получения керамической брони с заданной топологией структурной неоднородности. Например, на фиг.1а показана плоскостная фигура с параллельными разрезами и прорезями 2, подобная образцу, показанному на фото 1, а также с наличием дополнительных перфораций 7, предназначенных для получения крупных регулярных сегментов для деталей изделия среднего и большого формата, подобного представленному выше ближайшему аналогу.Figure 1 shows some options for cuts and / or slots, providing subsequent deformation of the sheet element 1, to obtain ceramic armor with a given topology of structural heterogeneity. For example, on figa shows a planar figure with parallel cuts and slots 2, similar to the sample shown in photo 1, as well as with the presence of additional perforations 7, designed to obtain large regular segments for parts of medium and large format products, similar to the nearest analogue.

Технический результат полезной модели обеспечивается благодаря управляемому разрушению единичных сегментов, для чего используются, в частности, плоскостные фигуры с прямолинейными прорезями 5 или прорезями в виде логарифмической спирали 6, подобные тем, что показаны на фиг.1б и фиг.1в соответственно, позволяющие получить в процессе взаимодействия брони с кинетическим снарядом динамическое возникновение субструктурных элементов керамической матрицы с поведением, подобным указанному ранее ближайшему аналогу. При этом в предложенной монолитной керамической броне с заданной топологией структурной неоднородности обеспечивается минимизация запреградного смещения.The technical result of the utility model is ensured by controlled destruction of single segments, for which, in particular, planar figures with straight slots 5 or slots in the form of a logarithmic spiral 6 are used, similar to those shown in figb and figv, respectively, allowing to obtain during the interaction of armor with a kinetic projectile, the dynamic occurrence of substructural elements of the ceramic matrix with behavior similar to the closest analogue indicated above. Moreover, in the proposed monolithic ceramic armor with a given topology of structural heterogeneity, minimization of backward displacement is provided.

Claims

1. Armor made in the form of a structured ceramic panel with a given topology of structural heterogeneity obtained by preliminarily enclosing a three-dimensional structure inside a panel made of a sheet element with cuts made therein, subjected to continuous deformation with the formation of holes filled between the cuts during panel formation ceramic mass.

2. Armor according to claim 1, characterized in that the sheet element is made of paper or cardboard with a thickness of 50 ÷ 3000 microns.

3. Armor according to claim 2, characterized in that the sheet element is made of water-soluble paper.

4. Armor according to claim 1, characterized in that the sheet element is made of a polymer film with a thickness of 25 ÷ 500 microns.

5. Armor according to claim 1, characterized in that the sheet element is made of fiber-ceramic roving.

6. Armor according to claim 1, characterized in that the sheet element is made of thin or plate ceramic raw materials.

7. Armor according to claim 1, characterized in that the perforation is made in the sheet element.