Изобретение относится к области бронезащитных материалов и технологии их производства.The invention relates to the field of armored materials and the technology of their production.
Существующие средства индивидуальной бронезащиты в большинстве случаев имеют в основе сочетания баллистических материалов девиационно-дробящий слой из корундовых керамических элементов, которые в среднем на 99% состоят из оксида алюминия (Al2O3). Примерами таких средств являются следующие изобретения и полезные модели: RU 150019, RU 2570129, RU 2484412, RU 130061, RU 111906, RU 2308660. Применение керамики на основе оксида алюминия обоснованно высокой твердостью и ударной вязкостью данного материала, а также другими физико-механическими характеристиками. Но керамические элементы на основе оксида алюминия имеют большой недостаток, заключающийся в высокой степени трещинообразования и разрушения по площади бронеэлемента. Когда поражающий элемент начинает взаимодействовать с керамическим материалом, происходит одновременное разрушение структуры по всем направлениям, в которых заключен контур керамического элемента, что связано с значительным напряженным состоянием межкристаллических связей и неоднородностью материала за счет включений. Несмотря на данный факт эффективность керамики оксида алюминия по стойкости к поражающему элементу и энергопоглащению удара при единичном взаимодействии остается на высоком уровне по отношению к остальным броневым материалам. Но в случае воздействия на керамический элемент на основе оксида алюминия нескольких поражающих элементов одновременно (случай подрыва инженерного боеприпаса или артиллерийского снаряда) или последовательно в короткий промежуток времени, стойкость и энергопоглощение керамического элемента сводится к минимальным значениям, что приводит к пробитию остальных защитных структур (арамидные ткани и волокна, сверхвысокомолекулярный полиэтелен, металл и т.д.) и поражению живых тканей защищаемого объекта. Для того чтобы локализировать трещинообразование по всей площади керамического бронеэлемента в участки, не превышающие 2-3 площадей сечения поражающего элемента, необходим керамоармированный материал, по структуре напоминающий железобетон. Наиболее близким прототипом армированного броневого материала, основанного на керамике, является изобретение RU 2457192, но основным недостатком данного материала является сложность процесса его изготовления и дорогостоящие первичные материалы на основе углеродных нанотрубок. Связи армированного каркаса не должны быть строго структурированными как в железобетоне, армированнный каркас должен быть монолитной частью с множеством включений свободного объема. Соответственно наиболее близким прототипом армированного каркаса являются материалы, полученные следующими способами: RU 2299112, RU 2004100730, RU 201412668, RU 2001121382. Данные материалы основаны на алюминиевом сплаве и имеют открытопористую структуру, но применение их в качестве броневого материла неэффективно, поскольку собственная твердость алюминия имеет малые значения по сравнению с оксидом алюминия. Существуют способы получения керамики на основе оксида алюминия (корунда): RU 2176985, RU 2013128751, RU 2128153, RU 2205152, RU 2485074, RU 2280016. Данные способы основаны на процессе спекания заранее изготовленного мелкодисперсного порошка оксида алюминия при больших температурах, но применение данного способа для образования кармического корундового слоя на поверхности армирующего алюминиевого каркаса не применимо ввиду большой температуры спекания. Наиболее близким прототипом по способу получения керамического оксида алюминия на поверхности алюминия является изобретение RU 2026890. Основными причинами, препятствующими получению технического результата, который обеспечивается изобретением, является низкая проникающая способность электролита по глубине упрочняемого пористого материала в процессе образования слоя оксида алюминия на алюминиевом каркасе, в результате чего корундовый слой образуется только в верхних слоях алюминиевого пористого материала.The existing means of individual armor protection in most cases are based on a combination of ballistic materials with a deviation-crushing layer of corundum ceramic elements, which on average are 99% aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Examples of such tools are the following inventions and utility models: RU 150019, RU 2570129, RU 2484412, RU 130061, RU 111906, RU 2308660. The use of ceramics based on alumina is justified by the high hardness and toughness of this material, as well as other physical and mechanical characteristics . But ceramic elements based on aluminum oxide have a big drawback, which consists in a high degree of cracking and fracture over the area of the armor element. When the damaging element begins to interact with the ceramic material, the structure is simultaneously destroyed in all directions in which the contour of the ceramic element is enclosed, which is associated with a significant stress state of intercrystalline bonds and material inhomogeneity due to inclusions. Despite this fact, the effectiveness of aluminum oxide ceramics in resistance to the striking element and impact energy absorption during a single interaction remains at a high level with respect to other armored materials. But in the case of exposure to a ceramic element based on aluminum oxide of several striking elements simultaneously (case of undermining of an engineering munition or artillery shell) or sequentially in a short period of time, the resistance and energy absorption of the ceramic element is reduced to the minimum values, which leads to penetration of the remaining protective structures (aramid tissues and fibers, ultra-high molecular weight polyethelen, metal, etc.) and damage to living tissues of the protected object. In order to localize crack formation over the entire area of the ceramic armored element in areas not exceeding 2-3 cross-sectional areas of the striking element, ceramic-reinforced material is required that resembles reinforced concrete in structure. The closest prototype of a ceramic-based armored material is the invention RU 2457192, but the main disadvantage of this material is the complexity of its manufacturing process and expensive primary materials based on carbon nanotubes. The bonds of the reinforced carcass should not be strictly structured as in reinforced concrete, the reinforced carcass should be a monolithic part with many inclusions of free volume. Accordingly, the closest prototype of a reinforced carcass is the materials obtained by the following methods: RU 2299112, RU 2004100730, RU 201412668, RU 2001121382. These materials are based on an aluminum alloy and have an open-porous structure, but their use as an armor material is inefficient, since the intrinsic hardness of aluminum has low values compared to alumina. There are methods for producing ceramics based on aluminum oxide (corundum): RU 2176985, RU 2013128751, RU 2128153, RU 2205152, RU 2485074, RU 2280016. These methods are based on the process of sintering a prefabricated fine alumina powder at high temperatures, but the application of this method for the formation of the karmic corundum layer on the surface of the reinforcing aluminum frame is not applicable due to the high sintering temperature. The closest prototype for a method of producing ceramic alumina on an aluminum surface is the invention RU 2026890. The main reasons that impede the achievement of the technical result provided by the invention is the low penetration ability of the electrolyte along the depth of the hardened porous material in the process of forming an alumina layer on an aluminum frame, As a result, the corundum layer is formed only in the upper layers of the aluminum porous material.
Предлагаемая бронезащитная структура основана на пористом алюминии с открытоячеистой структурой пор, на поверхность которых микродуговым оксидированием нанесен слой оксида алюминия (корунда) с последующей пропиткой в эпоксидной смоле. Пористый алюминий выполняет функцию армокаркаса (матрицы) и должен содержать 60-70% открытых взаимосообщающихся пор с диаметром в диапазоне от 0,14 мм до 0,5 мм. После обработки заготовки пористого алюминия микродуговым оксидированием на поверхности пор образуется слой оксида алюминия (корунда), который от 80% до 90% занимает объем всех пор. В результате чего образуется монолитный керамоалюминий. Полученная заготовка пропитывается в эпоксидной смоле. В результате оставшиеся пустоты заполняются смолой, что увеличивает ряд механических свойств, таких как ударная вязкость и трещиностойкость. Способ производства бронезащитной структуры на основе пористого алюминия включает три этапа. На первом этапе производится механическая обработка заготовки из пористого алюминия и предание ей формы пластины с толщиной не более 30 мм с необходимыми габаритами и формой контура будущего бронеэлемента. Причем на одной из торцевых сторон заготовки пластины делается выступ с прямоугольным профилем со сторонами 10×150 мм. Данный профиль служит токопроводом для подвода электрического тока основному телу заготовки при микродуговом оксидировании. Изготовление выступа (токопровода) обеспечит непрерывную проводимость электрического тока к телу заготовки, поскольку в процессе микродугового оксидирования поры алюминиевой заготовки закрываются, а сам оксид алюминия является диэлектриком. На втором этапе заготовка из пористого алюминия помещается в емкость, ограничивающие стенки которой находятся на расстоянии 10 мм от края торца заготовки. Выступы заготовки (токопроводы) должны быть вне емкости. Емкость должна иметь входное и выходное отверстие для циркуляции электролита, которые патрубками соединены с компрессором и системой принудительного охлаждения электролита. Далее емкость наполняется однокомпонентным щелочным электролитом с добавлением 0,5% жидкого стекла mNa2O⋅nSiO2 с модулем M=n/m=2-4, а к токопроводам заготовки подсоединяются электрические провода от конденсаторной системы. Компрессор должен обеспечивать циркуляцию электролита в емкости с давлением на выходе из патрубка, равным 0,8 МПа. Вектор тока электролита должен быть перпендикулярным к поверхности пластины заготовки. Данные условия обеспечат равномерное нарастание оксида алюминия на поверхности пор алюминиевого каркаса по всей толщине заготовки. Электрический ток подается в анодно-катодном режиме с падающей мощностью. В данном режиме заготовки оксидируются не менее 120 минут. На третьем этапе с оксидированных заготовок удаляются выступы (токопроводы), далее заготовка подвергается шлифовке. Полученные элементы помещаются в емкость с эпоксидной смолой и выдерживаются в ней не менее 24 часов. Далее с поверхности полученных бронеэлементов удаляются излишки смолы, с последующей сушкой в термокамере при температуре не более 50°С.The proposed armor-resistant structure is based on porous aluminum with an open-cell pore structure, on the surface of which a layer of aluminum oxide (corundum) is deposited by microarc oxidation, followed by impregnation in epoxy resin. Porous aluminum acts as an armoframe (matrix) and should contain 60-70% of open interconnected pores with a diameter in the range from 0.14 mm to 0.5 mm. After processing the porous aluminum preform by microarc oxidation, a layer of aluminum oxide (corundum) forms on the surface of the pores, which occupies from 80% to 90% the volume of all pores. As a result, a monolithic ceramic-aluminum is formed. The resulting preform is impregnated in epoxy. As a result, the remaining voids are filled with resin, which increases a number of mechanical properties, such as impact strength and crack resistance. A method for the production of an armored structure based on porous aluminum includes three stages. At the first stage, the billet made of porous aluminum is machined and the plate is shaped into it with a thickness of not more than 30 mm with the required dimensions and contour shape of the future armored element. Moreover, on one of the end sides of the plate blank, a protrusion with a rectangular profile with sides 10 × 150 mm is made. This profile serves as a current lead for supplying electric current to the main body of the workpiece during microarc oxidation. The manufacture of the protrusion (current lead) will provide continuous conductivity of the electric current to the body of the workpiece, since during the microarc oxidation the pores of the aluminum workpiece are closed, and the aluminum oxide itself is a dielectric. At the second stage, a preform of porous aluminum is placed in a container, the bounding walls of which are located at a distance of 10 mm from the edge of the end face of the preform. The protrusions of the workpiece (conductors) must be outside the tank. The tank must have an inlet and outlet for circulation of the electrolyte, which are connected by pipes to the compressor and the forced cooling system of the electrolyte. Next, the capacitance is filled with a one-component alkaline electrolyte with the addition of 0.5% liquid glass mNa2O⋅nSiO2 with the module M = n / m = 2-4, and electric wires from the capacitor system are connected to the work conductors. The compressor should provide circulation of the electrolyte in the tank with a pressure at the outlet of the nozzle equal to 0.8 MPa. The electrolyte current vector should be perpendicular to the surface of the workpiece plate. These conditions will ensure uniform growth of aluminum oxide on the surface of the pores of the aluminum frame throughout the thickness of the workpiece. Electric current is supplied in anode-cathode mode with incident power. In this mode, the workpiece is oxidized for at least 120 minutes. At the third stage, protrusions (conductors) are removed from the oxidized preforms, then the preform is ground. The resulting elements are placed in a container with epoxy resin and aged in it for at least 24 hours. Then, excess resin is removed from the surface of the obtained armored elements, followed by drying in a heat chamber at a temperature of not more than 50 ° C.
Технический результат изобретения направлен на повышение стойкости и степени энергопоглащения предложенным бронезащитным материалом воздействия нескольких поражающих элементов одновременно (потока осколков) путем локализации трещинообразования за счет применения структуры с пористым алюминиевым армокаркасом, сочетающимся с оксидом алюминия и эпоксидной смолой.The technical result of the invention is aimed at increasing the resistance and degree of energy absorption of the proposed armor-protecting material by the action of several damaging elements at the same time (fragment flow) by localizing cracking due to the use of a structure with a porous aluminum armor frame combined with aluminum oxide and epoxy resin.
На фиг. 1 изображена схема, определяющая состав бронезащитного материала на основе пористого алюминия, где в алюминиевом каркасе 1 равномерно распределены взаимно сообщающиеся поры 2, на поверхности которых, в результате микродугового оксидирования, образовался слой оксида алюминия (корунда) 3, после пропитки заготовки оставшийся объем пор заполняет эпоксидная смола 4. На фиг. 2 изображены две проекции заготовки, где зона А определяет форму бронезащитного элемента толщиной с≤30 мм, от которой отходит выступ (токопровод) 1 со сторонами а=10 мм и b=150 мм. На фиг. 3 изображена схема, определяющая порядок процесса микродугового оксидирования заготовок из пористого алюминия, где заготовки 1 помещены в емкость 2 из которой выходят патрубки 3 и 4, подсоединенные к компрессору 5 и системе принудительного охлаждения 6, токопроводы заготовок 1 соединены электрическими проводами 7 с конденсаторной энергетической установкой 8.In FIG. 1 shows a diagram that determines the composition of armored material based on porous aluminum, where mutually interconnected pores 2 are uniformly distributed in the aluminum frame 1, on the surface of which, as a result of microarc oxidation, a layer of aluminum oxide (corundum) 3 is formed, after impregnation of the workpiece, the remaining pore volume fills epoxy resin 4. In FIG. 2 shows two projections of the workpiece, where zone A determines the shape of the armor-protective element with a thickness of ≤30 mm, from which the protrusion (current lead) 1 with sides a = 10 mm and b = 150 mm departs. In FIG. 3 shows a diagram that determines the order of the process of microarc oxidation of porous aluminum blanks, where the blanks 1 are placed in a container 2 from which nozzles 3 and 4 come out, connected to the compressor 5 and forced cooling system 6, the conductors of the blanks 1 are connected by electric wires 7 to a capacitor power plant 8.
Осуществление способа производства бронезащитного материала на основе пористого алюминия может быть произведено в следующем примере. Изготавливаются заготовки из пористого алюминия с выступом (токопроводом), как представлено на фиг. 2 и формой зоны А, соответствующей заданным размерам бронезащитного элемента. Далее заготовки помещаются в емкость для микродугового оксидирования, как показано на фиг. 3. В емкость заливается однокомпонентный щелочной электролит с добавлением 0,5% жидкого стекла, а к токопроводам заготовок 1 присоединяются электропровода, соединенные с конденсаторной энергетической установкой 8. Далее запускается компрессор 5 и система принудительного охлаждения электролита 6 и осуществляется запуск энергетической установки 8. Компрессор 5 осуществляет циркуляцию электролита сквозь пористый материал заготовок и одновременный отвод тепла, что обеспечивает равномерное нарастание оксида алюминия на поверхности пор алюминиевого каркаса. Система принудительного охлаждения 6 осуществляет охлаждение электролита до температуры 20°С. Заготовки подвергаются микродуговому оксидированию в течение не менее 120 минут. За это время поры закроются слоем оксида алюминия на 80-90%. Далее механическим способом удаляются токопроводы заготовок, затем осуществляется шлифовка поверхности. Полученные оксидированные заготовки помещаются в емкость с эпоксидной смолой на время не менее 24 часов. После пропитки эпоксидной смолой заготовки помещаются в термокамеру и осуществляется их сушка при температуре не более 50°С. В итоге получается бронезащитный элемент, имеющий структуру, представленную на фиг. 1. Далее данные элементы используют в сочетании с другими бронезащитными материалами (арамидными тканями, сверхвысокомолекулярным полиэтиленом, керамиками, металлами) в средствах индивидуальной бронезащиты (бронежелеты, костюмы сапера).The implementation of the method for the production of armored material based on porous aluminum can be performed in the following example. Billets of porous aluminum with a protrusion (current lead) are made, as shown in FIG. 2 and the shape of zone A corresponding to the given dimensions of the armor-protecting element. Further, the preforms are placed in a microarc oxidation tank, as shown in FIG. 3. A one-component alkaline electrolyte is poured into the tank with the addition of 0.5% liquid glass, and the wires connected to the condenser power plant 8 are connected to the conductors of the blanks 1. Next, the compressor 5 and the forced cooling system of the electrolyte 6 are started and the power plant is started 8. The compressor 5 circulates the electrolyte through the porous material of the preforms and simultaneously removes heat, which ensures uniform growth of aluminum oxide on the surface of the pores of aluminum Inine framework. The forced cooling system 6 performs the cooling of the electrolyte to a temperature of 20 ° C. Billets are subjected to microarc oxidation for at least 120 minutes. During this time, the pores are closed with a layer of aluminum oxide by 80-90%. Further, the conductors of the workpieces are removed mechanically, then the surface is polished. The resulting oxidized preforms are placed in a container with epoxy resin for a period of at least 24 hours. After impregnation with epoxy resin, the workpieces are placed in a heat chamber and they are dried at a temperature of not more than 50 ° C. The result is an armored element having the structure shown in FIG. 1. Further, these elements are used in combination with other armor-protective materials (aramid fabrics, ultra-high molecular weight polyethylene, ceramics, metals) in personal protective equipment (bulletproof vests, sapper suits).
