В даний час існує постійно зростаюча потреба в більш легких і менших по габаритам бойових броньованих систем. Очікується, що бойові броньовані машини будуть легше і менше за габаритами завдяки підвищеним вимогам до кращої стратегічної мобільності. Цему придатна сучасна бронева кераміка, яка є дуже міцним матеріалом, фактично вона володіє значно більш високими характеристиками в порівнянні з наявними самими прочними сталями. Це корисне властивість може бути використано для броні, до якої снаряд (пуля) або накопичувальна струя додаються, стискаючи навантаження на матеріал.
Західні збройні сили посилюють свою присутність за кордоном, де основна загроза представлена значним поширенням важких пулеметів (НМГ) або вистрілюваних з упором у плечо протитанкових засобів типу РПГ. Цю проблему часто втрачають політичні та (або) оперативні вимоги, виконання яких вимагає в основному використання легких бойових броньованих машин, в основному колісних, які за своїми конструкціями та обмеженнями маси відрізняються досить низьким рівнем броневого захисту від вогнестрільної зброї (зазвичай від 7,62). -мм оружия). У зв'язку з таким положенням виникає вимога до виробництва броні, що забезпечує кращий захист особистого складу при одночасному зведенні до мінімуму її повної маси.
Хороша захист у поєднанні з малою масою відіграє важливу роль у власному захисті особистого складу, про це знає будь-який солдат, який веде бойові дії в Іраку чи Афганістані. Взяти, наприклад, особистий бронежилет (IBA) сухопутних військ США. Первоначальна його концепція складалася з верхнього тактичного жилета (OTV) і двох носимих керамічних вставок, спереду і позаду захисту солдатів від поразки стрілковою зброєю (SAPI). Однак із-за серії смертельних випадків в Іракі та Афганістані в IBA був внесений ряд доповнень. Найбільш значущим із них був боковий захист від вогнестрільної зброї (ESBI), реалізований покращеними боковими вставками, а також розширений захист із доповнювальними пристосуваннями, що закривають плечі. Для цієї цілі були використані пластини SAPI і ESBI, які забезпечують кращий захист від гвинтових пуль з високою початковою швидкістю. Цей рівень поліпшеної, але легкої досягається тільки при використанні керамічних матеріалів захисту.
Рисунок 1 – Ця керамічна пластина SAPI, частина
бронежилета, спасла життя своєму власнику в Іраке.
Рисунок 2 – Новий бронежилет, що забезпечує рівень захисту 4,
випробовується представниками науково-дослідної лабораторії ВВС
на авіаційній базі Райт-Паттерсон, шт. Огайо. Цей бронежилет містить нову форму керамічної пластини, яка може виявити більше
ударів пулями, чем современные пластины, крім того,
він має захисні пристрої для біцепсів і ребер.
Рисунок 3 – Пластини, вставлені в бронежилет,
знаходяться в масовому виробництві фірми Ceradyne.
Основні зображення по керамічній броні
Більшість людей асоціюють слово «кераміка» з глиняною або фаянсовою посудом, яку вони використовують у будинку або кафе, що використовується на стінах ванної кімнати. Керамічні матеріали використовувалися в домашніх умовах тисячоліттями, однак ці матеріали стали початком керамічних матеріалів, які застосовуються в даний час в боевых бронированных машинах.
Слово «кераміка» обозначає «обожженні речі» і фактично сучасна машинобудівна кераміка, подібно двойникам на базі глини, вимагає для свого виробництва значного нагріву. Однак головна відмінність між керамікою, яку ми вибираємо для використання в якості броні, і керамікою, яку ми знаходимо в будинку, є міцністю. Сучасні бронзові кераміки є дуже прочними матеріалами і фактично при знятті вони можуть бути значно прочнішими, ніж маються самі прочні сталі (см. Табл. 1). Це корисна властивість, яка використовується для броні, в яку снаряд або накопичувальна струя додається стискаюча навантаження на матеріал. Кераміки, звичайно, мають «Ахиллесову пяту». Вони слабкі на розтягнення і, відповідно, вони здатні витримувати тільки дуже невелику кількість деформацій (подовження до руйнування), як показує Таблиця 1. Це пояснюється наявністю в структурі дуже маленьких трещин, які, коли піддаються локалізованим силам руйнування, є джерелом катастрофічного руйнування. Це тип руйнування, з яким ми знайомі дуже добре при падінні обеденной тарелки на пол кухни. Отже, їх використання в системах броні повинно ретельно обдумуватися.
Таблиця 1 – Деякі властивості броневої кераміки в порівнянні з катаною гомогенной броні (RHA)
| RHA | Оксид алюмінія (високою чистоти) | Карбід кремния | Діборид титана | Карбід бора | |
| Объемная щільність (кг/м3) | 7850 | 3810-3920 | 3090-3230 | 4450-4520 | 2500-2520 |
| Модуль Юнга (Гпаскаль) | 210 | 350-390 | 380-430 | 520-550 | 420-460 |
| Твердість (VHN*) | 300-550 | 1500-1900 роки | 1800-2800 | 2100-2600 | 2800-3400 |
| Удлинение до руйнування (%) | 14-18 | < 1 | < 1 | < 1 | < 1 |
| *VHN = число твердості по Віккерсу | |||||
Кераміка в броневом застосуванні працює в значній мірі, як елементи розриву в конструкції багатошарової броні. Ціль цих матеріалів у конструкції багатошарової броні є розривом на осколках підлетаючого снаряду або його швидкому ослабленні. Іншими словами, кінетична енергія снаряда розсіюється броневим матеріалом розбивається снаряд на осколки і перенацеливающая енергія отримується в результаті осколків на стороні захисної конструкції. Інші елементи в багатошаровій конструкції будуть діяти як «поглотители», тобто вони поглинають кінетичну енергію снаряду за рахунок пластичних деформацій або розщеплення, таким чином перетворюючи її в більш низьку форму енергії, таку як тепло.
Рисунок 4 – Механізм ураження пробуванням плити
композитной/гибридной броні.
Більшість систем броні оптимізовано для «розриву» і «поглинання» кінетичної енергії, що підсилює загрозу. Так, возьмем 7,62-мм/39 пулю АК-47. Прикладно 6 мм відповідної кераміки, пов'язаної з поліамідною тиловою стороною, такою як кевлар, було б достатньо, щоб викликати значне пошкодження сердечника пулі. Розбивання сердечника пов'язано також з радіальною дисперсією. Тобто осколки сердечника приводяться в рух перпендикулярно, коли снаряд намагається пробити систему. Це зменшує щільність кінетичної енергії снаряда (кінетична енергія, поділена на площу поперечного сечення снаряду) і, відповідно, зменшує пробивну здатність.
Початок першого дослідження в області типів броні, облицьованої керамікою, може бути віднесено до періоду після першої світової війни, коли в 1918 році майор Невілл Монроу Хопкінз експериментально спостерігав, що 0,0625 дюйма твердої емоції, нанесеної на підданий удару стороні сталевої цілі, збільшило її захисні можливості. Незважаючи на це раннє відкриття, застосування керамічних матеріалів є відносно недавнім способом підвищення захисних властивостей у таких країнах, як Великобританія. Однак цей спосіб найшов широке використання в Радянському Союзі та військовослужбовцями США під час в'етнамської війни. Тут використання керамічних матеріалів визвано спробою зменшити потери літників вертолетів. Наприклад, в 1965 році вертоліт UH-1 HUEY був оснащений комплектом композитної броні з твердим покриттям (HFC), використовуваним в броньованих сиденьях пілота і другого пілота. Сіденья забезпечували захист від 7,62-мм бронебойних (АР) боєприпасів снизу, з боків і заду завдяки використанню облицовки з карбіда бора і основи зі скловолокна. Карбід бора є однією із самих легких керамік, які можуть використовуватися в броні (і з хорошою причиною). Він має приблизно 30 % від маси сталі того ж об'єму і в той же час величину твердості, яка зазвичай в шість разів більше твердості катаної гомогенной броневой сталі (див. Табл. 1).
Рисунок 5 – Сиденья вертолетів є типовим прикладом застосування
керамічної броні. Слева направо: сиденья вертолетів TIGER (фірма BAE Systems Advanced Ceramics Inc.), AH-64 APACHE, в якому використовується
карбид бора жорсткого пресування (фірми Simula Inc.)
і MH-60 BLACKHAWK (фірма Ceradyne Inc.).
Конфлікт, звичайно, підняв нові ідеї, а необхідність захистити екіпажі вертолетів привела до обширних досліджень. Саме ця робота, виконана вченими США в 1960-і роки, створила базу для вдосконалення в даний час характеристики керамічної броні.
Механізм відновлення пробивання прегради снарядом
Прежде чем углубиться у вивчення сучасних успіхів технологій в керамічній броні, корисно розглянути механізми, за рахунок яких система на базі кераміки здатна зруйнувати снаряди. Ранняя робота М. Л. Уилкинза і його колега з лабораторії США створили основу для розуміння того, що фактично відбувається кераміка, коли пуля стрілецької зброї завдає удару по цілості з покриттям.
У момент удару ультразвукові хвилі навантаження поширюються в кераміку і вздовж сердечника пулі. Волни в обох цих матеріалах руйнуються, для кераміки це стає проблемою, коли хвиля стикається з периферійною поверхнею розділу або на самому місці зі зв'язуючим шаром між керамікою та її захисним шаром. Більшість типів керамічної броні в даний час створюється з використанням полімерного зв'язуючого матеріалу, який по своїй природі має низьку міцність і щільність. На поверхні розділу кераміки/зв'язуючого матеріалу відбувається сильне пружне відбиток, яке розбиває керамічний матеріал. Крім цього, відбувається сильна сдвигова хвиля, яка буквально «розтягує як молнію» полімерний зв’язуючий матеріал і, відповідно, від’єднує керамічну плитку від її опори. Однак у цей час матеріал під засобом пробивання стискається; конічні трещини випливають з місця удару і це вони ведуть до утворення конуса в матеріалі, що в більшості випадків поширює навантаження від пулі по більш широкій площі поверхні (см. рис. 6).
Рисунок 6 – Модель ANSYS AUTODYN-2D, що показує освіту
конуса нагрузки в кераміку під пробивающей пулей. Зелений колір показує непошкоджений матеріал, а червоний показує пошкодження кераміки.
Голубые области демонстрируют неупругую деформацию; можна побачити,
що пластична деформація задньої плити відбувається як раз
под образуемым нагрузочным конусом керамики.
Це перше переваго, яке забезпечується керамікою. Як вже згадувалося, кераміка дуже тверда і ця висока твердість забезпечує протидію пробіванню. Висока твердість надає снаряду велике спротивлення, форсуючи його замедлення. Додаткові переваги досягають високої жорсткості цих матеріалів. Машиностроительная керамика зазвичай в два рази жорстко стали; Жорсткість посилює властивість, зване акустичним опором, яке впливає на інтенсивність надзвукової хвилі, вплив якої спрямовано назад на стержню снаряду. Це дуже важливо, так як кераміка з високим акустичним опором призводить до високої інтенсивності впливу ультразвукової хвилі на снаряд, викликаючи його пошкодження при розтягуванні.
Против накопичувальних струмів, таких як утворені гранатами РПГ-7, керамічні матеріали, здається, володіють магічною здатністю протистояти проникненню. Разгадкой здесь является охрупчивание (хрупкое противодействие) матеріалу. Коли кумулятивна струя проникає в кераміку, вона розбивається на дуже дрібні осколки в обмеженому для матеріалу проникаючої струї районі. Отже, каверна, яка утворюється під впливом кумулятивної струї, є відносно неформованою і струя теряє свою форму, коли вона прагне пройти через цей матеріал. Цікаво, виявлено, що звичайне флоат-скло (тобто є скло, яке знаходиться у вікнах житлових будинків) також є ефективним у якості броневого матеріалу проти кумулятивних струмів. Однак слід підчеркнути, що ці високі показники відрізняються від співвідношення маси на масу, якщо зрівняти зі сталлю. Отже, потрібна досить велика товщина скла для забезпечення достатнього захисту. Оконне скло товщиною 3 мм не встоїть проти струї гранати РПГ-7!!
Однак цікава концепція була запропонована на 13-му європейському симпозіумі за бойовими броньованими машинами (AFV), проведеному університетом Cranfield University у військовій академії Великобританії (30 квітня-2 травня 2008 року). Під час цього симпозіуму професор Манфред Хелд (ізобретатель вибухової реактивної броні) обговорював можливість створення прозорої вибухової реактивної броні (ERA), тобто броні ERA, в якій у якості матеріалу протидіючої плити використовується скло. Якщо замість звичайних складів РВХ була використана прозора вибухова рідина, можна було б створити повністю прозору систему ERA. Однак, як підчеркнув професор Хелд, ця система буде дуже важкою, так як задня плита (основної броневої захисту) повинна бути дуже товстою і досить жорсткою, так щоб вона не діяла на сидячого за її членом екіпажа, коли детонує вибухову речовину вибухового захисту. Товщина нерухомої задньої плити повинна бути порядку 150-200 мм порівняно з 10-20 мм передньої протидіючої плити.
Керамічні матеріали володіють також хорошим механізмом укріплення при нанесенні удару при більш високих швидкостях поражаючих елементів. Це особливо корисна властивість при дії кумулятивної струї, так як міцність кераміки, в цьому випадку значно збільшується при цих дуже високих темпах навантаження. Це хороша властивість для розробника броні. За мірою збільшення міцності підвищується протидію пробою і, слідуюче, струму або снаряду все трудніше пробивати таку преграду. Саме цей механізм ущільнення робить ці матеріали особливо цінними в залишках самоформуючих поражаючих елементів типу «ударного ядра» (EFP). Недавно боеві частини на базі EFP привернули серйозну увагу завдяки використанню їх повстанцями в Іраку, що мають значні запаси протитанкових мін радянської епохи, в яких використовуються елементи EFP. Зазвичай оболонки таких зарядів виготовляються з пластикових металів, наприклад, низькоуглеродистої сталі або медіа. Получається в результаті подрива зражаючий елемент складається в цьому випадку з деформованого куска металу, дуже ефективної завдяки швидкості, однак ці елементи відносно м'які. У більш удосконалених елементах EFP використовується тантал (очень дорогий матеріал із-за його використання в мобільних телефонах). Однак твердість кераміки робить її заманчивою із-за здатності викликати значну протидію сильному удару EFP. Одним із прикладів керамічної броні для захисту від EFP є плита, що встановлюється на деяких машинах під днищем для захисту від мін.
Рисунок 7 – Компоненти керамічної броні фірми Coors-Tek
для застосування в бронемашині.
Рисунок 8 – Машина BULL класу MRAP II, розроблена фірмою Oshkosh
і Ceradyne, відрізняється великим використанням керамічної броні для
забезпечення захисту від зарядів типу «ударне ядро».
Керамічні матеріали для застосування на поле боя
Оксид алюмінію
У 1980-е роки в більшості систем захисту на основі кераміки, які використовувалися на полі бою, використовувався оксид алюмінію, відомий інакше як глинозем (глинозем). Оксид алюмінію відносно недорогого у виробництві та навіть досить тонкі елементи захисту на його базі могли б зберегти пулі стрілецької зброї, що стріляються з високою швидкістю. Як відзначив у 1995 році С. Дж. Роберсон від фірми Advanced DefenceMaterials Ltd забезпечує значне поліпшення характеристик системи захисту кераміки при використанні оксиду алюмінію в порівнянні з іншими композиційними матеріалами. А при використанні системи з карбідом кремнія і карбідом бора доповнювальна балістична характеристика мала при значних додаткових витратах. Хоча крива кілька змінилася з 1995 роком, співвідношення залишається попереднім. Існує оптимальне за високим рішенням для відносно невеликого покращення балістичних характеристик. Однак перевага додаткового захисту від вогнестрільної зброї (хотя і невеликої) може бути заманчим, якщо потрібна мінімальна маса, наприклад, в літакових або особистих (індивідуальних) системах захисту.
Рисунок 9 – Поверхностная плотность различных типов материалов,
потрібна для захисту від 7,62-мм бронебойных пуль,
у порівнянні з їх відносною вартістю.
Оксид алюмінію широко використовується в системах індивідуального захисту особистого складу, а також в системах захисту машин. У Великобританії перша система захисту для особистого складу масового виробництва, в якій використовувалися керамічні плити, була введена в Північній Ірландії. Базова м’яка система захисту, відома як бойова лична броня (СВА), є складовою і складається з основного елемента з найлонового та поліамідного волокна, до якого можуть бути додані 1-кг плити з композиційного матеріалу з поліамідним волокном, облицьована керамікою для захисту серця та основні елементів від високоскоростних винтовочных пуль (см. рис. 10). Вони подібні плитам SАРI, які привернули широку увагу військовослужбовців США.
Рисунок 10 – Боїва лична система захисту (СВА),
показаний карман для вставки керамічної плити.
Рисунок 11 – Процес закріплення сердечника пулі АРМ2 із
закаленной сталі плиткою оксиду алюмінію на сталевій основі.
Карбід бора
Незважаючи на економічну ефективність і здатність оксиду алюмінію підтримувати більшість пуль стрілецької зброї при відносно хорошій ефективності за масою, свій шлях на ринок керамічної броні знайшли інші керамічні матеріали. Найбільш відомим є карбид бора – матеріал, який вперше використаний у 1960-і роки. Він неймовірно твердий, але також неймовірно дорогий, і тому він використовується тільки в самих екстремальних умовах, в яких бажано компенсувати кілька грамів маси броневої структури, наприклад, як у сиденьях екіпажа літака V22 OSPREY. Другий приклад використання карбіда бора був у виробництві системи посиленого особистого захисту (ЄВА). Опять була необхідна мінімальна маса для відносно високого захисту. Вона була введена британськими сухопутними військами для забезпечення захисту від 12,7-мм пуль зі сталевим серцем і містила в собі комплект «тупой травми». Тупая травма відбувається, коли захист не пробується, але передача імпульсного удару викликає велику деформацію в шарових опорах, провідних до ушибів, серйозними травмами основних органів і навіть смерті.
Карбід бора виробляється фірмою BAE Systems Advanced Ceramics Inc. (офіційно Cercom) і інтегрується у вигляді вставок, що захищають від стрілецької зброї (SAPI), в систему особистого захисту-бронежилет (IBA). До 2002 року було поставлено на озброєння 12000 таких плит з карбідом бора.
Рисунок 12 – Новий процес формування карбіда бора, розроблений
інститутом технології штату Джорджія, дозволяє створювати складні
ізогнуті форми для використання в касках і інших елементах
личной защиты. На знімку показана досвідчена каска малого масштабу.
Карбід бора є матеріалом з високими характеристиками. Однак крім невірогідної твердості, яка забезпечує цей матеріал, і його неймовірно низької щільності, він має один потенційний недолік. В останні роки є деякі підстави припускати, що він не буде діяти так добре, як очікують, при пробиванні високоскоростними пулями з щільним серцем. Це, як полагают, обумовлено фізичними змінами, які проходять з матеріалом, коли він піддається сильному удару, викликаному цими боеприпасами. Фактично при випробуванні з невизначеним алюминиевым матеріалом в якості опори є підстави вважати, що проти особливих снарядів на базі карбіда вольфрама певні марки карбіда бора діють також добре, як і прегради з окислення алюмінію. Це незважаючи на більшу твердість карбіда бора. Помічено також, що коли карбид-бора пов'язана зі шаруватим пластиком, армованим волокном, відбувається прояв «руйнування проміжків». Це відбувається там, де обнаруживается подвійна швидкість V50 (швидкість, при якій очікується, що 50 % снарядів повністю проб'ють ціль). Розкриття (дія) подвійної швидкості V50 зазвичай пояснюється переходом від проникнення неповрежденного снаряду до ураження всього зруйнованого снаряду на більш високих швидкостях. Однак робота науково-дослідної лабораторії сухопутних військ США показала, що вплив при більшій швидкості V50 на композиційний матеріал, облицований карбідом бора, відбувається у зв'язку зі зміною в процесі освіти осколків кераміки. Тем не менш, висновок з цих результатів означає, що товщина плити карбіда бора повинна бути більшою, ніж спочатку очікувалося, щоб захистити від цих плотних серцевих снарядів з високою швидкістю. Мається багато даних, які показують, що карбид бора є хорошим керамічним матеріалом для використання проти сталевих бронебойних снарядів.
Рисунок 13 – Рентгеновский знімок, що показує тимчасові дані
вплив 7,62-мм сердечника пулі АРМ2 на карбид бора. Показано:
затримка, проникнення за рахунок ерозії, осколки пулі і поглощение.
Карбід кремния
В останні роки інші керамічні матеріали також показали значну перспективу в забезпеченні захисту від вогнестрільної зброї, але жоден з них не виявився більш ефективним, ніж підвержені гарячому пресуванню зразки карбіда кремнію, які виробляють фірми США, такі як BAE Systems і CeradyneInc. Фірма Ceradyne, зокрема, має довгу родословну у виробництві керамічної плитки для застосування із захистом, будучи залученою в цей процес з 1960-х років. Цей матеріал виробляється під об'єднаним нагріванням і тиском, щоб виготовити неймовірно прочне виріб, яке, як показано, забезпечує високу стійкість до ураження боеприпасами стрілецької зброї, а також снарядами APFSDS. Під час виготовлення зазвичай досягається температура приблизно 2000°С.
Карбід кремнія, зокрема, показав невірогідне протидії пробиванню, визваному проявом, відомим як затримка в часі. Говоря просто, «задержка во время» це, коли снаряд, здається, буквально сидить (відсюда «задержка») на поверхні кераміки в якийсь час після удару. Це явище, яке можна бачити при використанні високоскоростної фотографії та спалаху рентгеновського луча, викликає головним чином те, що кераміка являє собою більш тривалу, ніж снаряд, і, відповідно, снаряд починає радіально по поверхні кераміки. Хоча це явище спостерігалося на початку 1990-х лабораторіями сухопутних військ США, вчені все ще намагаються роз'яснити механізм, який підтримується в кераміці. Однак відомо, що «подлительное» утримання є ключем, що викликає цю дію. Одним способом, яким цього можна досягти, є використання типу гарячого пресування для капсулювання кераміки за допомогою металевих накладок. Слідством цього процесу є виклик високих стискаючих напруг в керамічному матеріалі за допомогою теплового розсмоктування металевих і керамічних шарів при охолодженні. Ця попередня навантаження в кінцевому рахунку забезпечує перевагу кераміки. Друге перевага забезпечується окантовкою керамічного матеріалу металевими накладками та збільшенням можливості витримувати багаточисельні попадання. Це обмеження діє на збереження всіх осколків в єдиному обсязі і, відповідно, збільшує ерозійну здатність бронх при додаткових вистрілах.
Відносно недорогої карбид кремнія може вироблятися також за допомогою процесу, відомого як з'єднання реакції. Цей процес забезпечує точний розмір керамічного виробу, тоді як інші традиційні методи обробки не дозволяють отримати це із-за високої температури та тиску. У цьому випадку хімічна реакція є основою для виробництва керамічних виробів. Реакція з'єднує вихідні матеріали кераміки, які використовуються для певних видів броні при низькій угрозі. Однак часто в структурі кераміки відкладаються побічні продукти у формі «пудлинговых криц», які можуть сформувати слабкі місця в кераміці. Для карбіду кремнію, отриманого сполучною реакцією, вони приймають вид кремнію - відносно м'якого матеріалу.
Рисунок 14 – Мікроскопічна структура (зверху вниз): зв’язаного
реакцією карбіда кремнія, спеченого карбіда кремнія і карбіда бора.
Рисунок 15 – Нова гусенична бойова машина PUMA є одного із
кілька машин, які захищені елементами керамічної броні SICADUR (карбид кремния) фірми CeramTec-ETEC. Эта машина
знаходиться на озброєнні германських сухопутних військ.
Інші композиційні матеріали
Інші керамічні матеріали, наприклад, нітрид кремнія та нітрид алюмінію показали відносно малу перспективу у виробництві керамічної броні.
Є повідомлення, що нітрид алюмінію був прийнятий на деяких броньованих машинах, однак їх небагато. Нітрид алюмінію є чужим матеріалом, ця дивність полягає в тому, що він краще працює при підвищених швидкостях удару (обладає високою стійкістю), однак при балістичних швидкостях, зустрічаються на сьогоднішньому полі бою, він володіє відносно низькою стійкістю.
Керамічний матеріал з карбідом вольфрама також розглядався для застосування в засобах захисту і, хоча він відносно дорогий і досить щільний (номінально в шість разів щільніше карбіда кремнію), він дуже прочний і викликає високу акустичну протидію удару. Це властивість є головним і використовується в захисних пристроях (системах) для збудження в стержні пулі напруг великої амплітуди, що в кінцевому підсумку призводить до його руйнування. Полагают, что только объектам с относительной тонкостью броневой защиты, требующим забезпечення стійкості від обстрілу бронебойными (АР) боеприпасами, такий матеріал може забезпечити можливі можливості економії заброньованого простору, коли маса не є визначальною.
Прозрачные керамические материалы
В останні роки проведена значна робота з пошуку альтернатив пулестойким системам остеклення, які використовуються (в якості вітрового скла) на таких машинах, як Humvee. Сучасні традиційні прозорі системи відносно важкі, особливо коли вони потрібні для захисту більших секцій (окон). Це викликає проблеми при розробці захисту легких машин. Традиційно система остеклення таких машин складається з декількох шарів стекла, кожен з яких відділяється полімерним шаром і утримується полікарбонатним шаром. Ці типи систем можуть мати масу до 230 кг/м2при товщині 100 мм для забезпечення рівня захисту 3 за стандартом STANAG Level 3 (від 7,62-мм пуль). Скло для вікна розміру машини Toyota LandCruiser і товщиною 100 мм становить приблизно 250 кг плюс сталеві пази необхідної товщини для його встановлення. Загальна маса повної системи повинна бути, ймовірно, значною.
Прозорі керамічні матеріали забезпечують заманчу альтернативу пулестойким системам остеклення, так як ці матеріали мають присутню їм твердість, яка набагато більше твердості віконного стекла. Це забезпечує розробникам захист від можливості зменшити її масу та товщину. В даний час існують три життєздатних варіанти матеріалу для використання в прозорих елементах захисту, ними є оксинітрид алюмінію або ALON, алюмомагнезіальна шпінель або шпінель і однокристалічний оксид алюмінію (сапфір).
Оксинітрид алюмінію або АЛОН можуть бути отримані в якості прозорої полікристалічної кераміки шляхом обробки технологічних маршрутів, які використовуються для отримання звичайної непрозорої машинобудівної кераміки. Зазвичай АЛОН буде вироблятися з попередньо синтезованого порошку, якому потім може надаватися форма і який потім може виникати в азотній атмосфері.
Рисунок 16 – Цей випробувальний кусок прозорої броні,
виготовлений з ALON, витримав удар 7,62-мм пулі.
Шпінель може бути набита шляхом ущільнення комерційного доступного порошку або шляхом гарячого пресування, або шляхом спекання без тиску. Крім того, для поліпшення механічних властивостей і прозорості потрібно гаряче изостатическое пресування зразка. Цей процес включає одночасне застосування до зразка рівномірного тиску газу та нагріву. Основною перевагою в порівнянні з одноосевим гарячим пресуванням є те, що тиск застосовується одинаково у всіх напрямках, а не просто в одному напрямку. Результатом цього є більша однорідність матеріалу та мікроструктури без переважної орієнтації, що призводить до більш високої міцності та прозорості.
Рисунок 17 – Багаточисленні попадання 7,62-мм/54R пулями Драгунова
в прозору керамічну броню АМАР-Т фірми IBD.
Рисунок 18 – Сверхлегка захист AMAP-R плюс захист
від поражаючих елементів типу ударного ядра (EFP).
В даний час ці три керамічні матеріали є дорогими у виробництві, а це означає, що їх використання все ще призначене для дуже невеликих областей використання. Однак германська фірма IBDeisenroth Engineering продовжує розвивати цей тип технології розробки свого ряду виробів АМАР (перспективної модульної броневої захисту). У своєму виробі АМАР-Т, де Т означає прозорий, фірма використовує прозорі керамічні матеріали для підвищення рівня захисту до рівня 4 за стандартом STANAG. Ці дані вказують, що цей тип зможе успішно встановити захист від багаточисельних ударів з ближнього розташування 7,62-мм/54R бронебойними боеприпасами Драгунова зі сталевим сердечником. Досягнення рівня захисту 4 за стандартом STANAG за допомогою прозорої броні є впечатляющим при наявності загрози нанесення удару 14,5-мм/114 пулями В32 зі стоянкою 200 м зі швидкістю 911 м/с.
Новые подходы
На відміну від засобів захисту особистого складу (бронежилет) броня машина не обмежує потребу в гнучкості; швидше звичайно бажаними якостями є здатність витримувати багаточисельні попадання і забезпечити ремонтопригодність. Ранні способи використання керамічних матеріалів включали заділку керамічної сфери в передню частину відливу башен радянських основних бойових танків для забезпечення відхилення та ерозії бронебойного снаряду. Це заняття інтеграцією продовжувалося з деякими танками Т-72 і Т-80. Однак більшість керамічних систем виготовлялося як доповнювальний комплект, то є система елементів броні, які могли зміцнитися до корпусу машини. Ці додаткові комплекти складаються з керамічних матеріалів, які використовуються в поєднанні з шарами інших матеріалів, які зазвичай не видні користувачеві.
Одним із таких прикладів є система LAST (техніка легкої додаткової системи), яка використовувалася морською пехотою США на машинах LAV (8х8). Система броні LAST складається з шестигранних модулів керамічної броні, які кріпляться до корпусу машини за допомогою клея, склеюваного при надавлюванні. Плитки можуть укладатися (слоями) для підвищення рівня захисту, потім може застосовуватися балістична обшивка для управління підписом. Були розроблені подібні зразки, в яких використовувалися кріпильні крюки і петлі Velcro для установки керамічних плит на бортових машинах з метою зниження трудомісткості робіт на театрі військових дій (у бойовій обстановці).
Такий метод кріплення використовувався в 1990-і роки з бронею ROMOR-C фірми Royal Ordnance (тепер це частина групи BAE Systems). Ця броня складалася із шарів кераміки з оксиду алюмінію, приклеєних до GFRP(стеклопластикової)/алюмінієвої конструкції. Відзначено, що цей тип з'єднання, який використовується у виробництві броні такої конструкції, цілком є вирішальним, і зазначене значне зниження характеристик, якщо виробник не використовує правильний клей. Зазвичай бажана хороша прочна зв'язок, яка не допускає ніякого зчеплення між задньою поверхнею кераміки та конструктивним елементом, з яким вона з'єднана. Хоча яка-то робота, спрямована на вдосконалення якості клея і вироблялася, вона мала відносно малий успіх. Інші переваги можуть бути досягнуті шляхом ретельного вибору геометричної плитки. Наприклад, шестиугольні плитки задовольняють вимоги (див. систему LAST), так як вони зводяться до мінімуму руйнівних дій границь. Недавно науково-технічна лабораторія міністерства оборони Великобританії запатентувала шестиугольний елемент для використання в мозаїчній компоновці. Цей особовий елемент має виступи, які відокремлюють його від сусідніх, передотвращающих, таким чином формуються «повреждения» (ударної хвилі) по броні.
Передвиявлення поширення ударної хвилі від плитки до плитки не є новою ідеєю, і деякі факти будуть стверджуватися, що вона застосовує розумне рішення Радянського Союзу залишити керамічні сфери в башні його танків. Однією з більш успішних систем броні, в яких використовується цей метод, є легка вдосконалена броня, що захищає від уражень вогнестрільною зброєю (LIBA), розроблена фірмою Mofet Etzion Ltd (Ізраїль). Ця броня складається з багатьох керамічних елементів, які входять до резинової матриці. Ця броня може виготовлятися так, що вона забезпечує захист від 14,5-мм бронебойно-зажигательных (API) боеприпасів, і має додаткову перевагу, що включається в тому, що окремі елементи можуть бути замінені після їх пошкодження. Панелі зберігають також певну ступінь гнучкості і для більш низьких рівнів захисту можуть складатися майже в будь-якій формі. Отже, вона може використовуватися для захисту особистого складу (в бронежилетах), де, як стверджують, вона забезпечує кращий захист від багатьох попадань завдяки своїй багатосегментній конструкції. Його використання поширюється також на легкі броновані машини. Вона використана на машинах Stryker сухопутних військ США, що знаходяться на озброєнні в Іракі та Афганістані.
Рисунок 19 – Крупний план модуля броні LIBA (легко удосконаленої броні, що захищає від уражень вогнестрільним зброєю) ізраїльської
фірми Mofet Etzion, показані відкриті шарики керамічної броні.
Рисунок 20 – Результати випробування стрільної плити LIBA
переконливо демонструють здатність матеріалу витримувати
многочисленные попадания.
Інші нові методи розробки броні включають використання того, що відомо як матеріали, сортовані за функціональними можливостями (FGM). Спочатку вони досліджувалися в кінці 1960-х років і в останні роки знову викликали інтерес. FGM є єдиною структурою, яка максимізує переваги кераміки тем, що поверхня удару буде твердою, а задні шари будуть металевими і, відповідно, забезпечують хорошу пластичність і ударну в'язкість. Це метод розрушника/поглотителя, який ми раніше розглядали. Такі матеріали зазвичай складаються з керамічної передньої панелі, спеченої з наступними шарами з більшим вмістом металу. Металлокерамические руйнуючі шари можуть також використовуватися в якості зовнішніх (передніх). Ці матеріали є сумішшю кераміки та металу в значній частині кераміки. Лабораторії сухопутних військ США провели експерименти з моноборидом титану, який ущільнений як металокераміка та з напівшарів, кожен з більш високим вмістом титану складається за тими мірками, як зразок розглядається, наприклад, із передньої панелі (поверхневий удар) до задньої. Задня поверхня складається з чистого титану. Броня з алюмінієвого сплаву з облицювальним матеріалом FGM забезпечувала кращий захист від 14,5-мм снаряда В32 у порівнянні з катаною гомогенной бронею (RHA). Потенційна перевага цих матеріалів полягає в тому, що вони можуть забезпечити кращий захист від багатьох попадань, ніж сама кераміка, однак сучасні дані говорять, що їх характеристики ще нижчі за характеристику більш звичайних броневих керамічних матеріалів.
Композиційні матеріали з металевою матрицею (ММС) також подають іншу надію в забезпеченні збільшення можливостей витримувати багато потрапляння в порівнянні з керамічними матеріалами. Один такий образець пропонує фірма Exote Oy. Вона виробляє композиційний матеріал з металевою матрицею на основі карбіду титану, який, як виявляють представники фірми, забезпечує зону пошкодження, яка лише на 20-30 % більше площі поперечного сечення пулі. Композиційний матеріал з металевою матрицею застосовується способом, подібним до великої кількості керамічних матеріалів, з'єднанням з опорним матеріалом, або зі сталлю, алюмінієм, або з волокнистим композиційним матеріалом. При ударі конуса (розглянутого раніше) поширюється навантаження снаряду по відносно великій площі поверхні, знижуючи таким чином щільність кінетичної енергії, що діє на опорний матеріал. Тверді частинки карбіду титану (~ 1500 VHN) руйнують снаряд, але завдяки відносно жорсткої металевої матриці, в якій формі вставлені частинки, трещина обмежена. Виробники стверджують, що 7,62-мм – 51 мм пуля WC-Co може бути остановлена бронею з конструктивною щільністю виробу 52 кг/м.2, яка створена композиційним опорним матеріалом з волокном з ароматичного поліаміду. Ці композиційні матеріали з металевою матрицею можуть бути отримані при використанні процесу саморозповсюджуваного високотемпературного синтезу (СВС).
Рисунок 21 – Броня Exote фірми Exote Oy розбиває пробивающий
снаряд и исключает поражение. Удар дробится и распределяется
по більшій конусоподібній поверхні, яка ефективна
поглощает енергію снаряда.
Коммерческие варианты
В ці дні існує багато варіантів керамічних плит для придбання системи особистого захисту і повних комплектів захисної броні для легких бойових броньованих машин. Фірма IB Deisenroth, зокрема, повідомляє про забезпечення захисних рішень протягом понад 20 років. Раннім прикладом застосування її броні є система MEXAS (модульна, що підлягає зміні системи броні), що встановлюється на канадських БТР М113 для дій в Боснії. Представники фірми встановили також подібну систему на розроблену фірмою Mowagмашину LAV III (8х8), опять же для канадських сухопутних військ. В обох цих прикладах броня з керамічної плитки MEXAS була успішно встановлена снаружи металевих корпусів машини. Ця броня встановлена також на бойову машину Stryker США для забезпечення захисту від 14,5-мм бронебойних пуль, хоча в повідомленнях говориться, що вона не встановлюється на машину під час мирової бойової підготовки, так як вона додає до маси машини 3 т.
Мається також багато постачальників керамічного сиру, хоча ми відчуваємо в Європі до некоторої міри обмежені поставки матеріалів гарячого пресування. Кераміка гарячого пресування має тенденцію бути прочніше і забезпечувати кращий захист від вогнестрільної зброї і, відповідно, ці типи кераміки заманчиви для створення броні. Однак спечені керамічні матеріали, такі як Sintox FA фірми Morgan Martoc, мають довгу родословну у створенні броні. Фірми МОН-9, ЕТЕС, ВАЕ Systems, Ceradyne і CoorsTek також виробляють великий ряд керамічних матеріалів зазвичай від плит типу SAPI до плит броні для машин і літаків. Однак ключовим моментом розробки комплектів керамічної броні є успішна інтеграція їх у систему, яка захищається, і, більш того, гарантія, що вони надійні в бойових умовах.
Можна вирішити одну проблему, яка заспокоїть більшість командиров на полі боя, чи ця система захищатиме солдата. Більшість може засновувати свій досвід у відношенні керамічних матеріалів на тому, що вони бачили на кухні при розбиванні фаянсової посуду. Але цікаво, не кажучи про звернення з керамічною бронею за допомогою кувалди, більшість систем повинні бути достатньо пружними, щоб витримати сильні удари або суму.
Оцінка
Незважаючи на високі характеристики керамічних матеріалів, вони не повинні розглядатися як єдиний магазин магазинів по обслуговуванню системи захисту. Вони є все-таки паразитичними по природі і, наслідком, не можуть зробити суттєвий вклад у конструкцію машини. Причиною цього є їх нездатність витримувати усталену навантаження на конструкцію і, не в меншій мірі, труднощі виробництва керамічних деталей складної форми. Крім того, вони володіють зниженою здатністю витримувати багато попадань у порівнянні з іншими матеріалами, такими як сталь, титан і алюміній. При використанні металів дія опромінення обмежено областю до одного-двох калібрів від точки удару, а при використанні керамічних матеріалів ця дія поширюється на всю геометрию пластини, якої б великої вона не була. Все це ще більш важливо, коли одна із самих багаточисельних сучасних загроз випливає з вогнища важких пулеметів, таких як російський 14,5-мм КПВ. З цієї зброї багато сотні пуль можуть бути випущені у вибраному місці за хвилини і, відповідно, у цих випадках потрібна хороша здатність витримувати багаточисельні попадання. Однак керамічні матеріали дають перевагу там, де вірогідно лише одиничні попадання, наприклад, у літаках і при застосуванні важкої броні. В результаті керамічні матеріали широко використовувалися в сиденьях екіпажей і полях броньованих вертолетів і транспортних літаків. Наприклад, фірма ВАЕ Systems виробила монолітне ковшеподібне сиденье для летчика вертолета UH-60M, виготовлене з використанням керамічних матеріалів. Подобні сиденья були виготовлені з використанням карбіду бора та опори з матеріалу кевлар для вертольота АН-64, а також літака С-130. Використання керамічної броні для бокового екіпажа стало майже прийнятим методом захисту екіпажа та забезпечило кераміку одного з перших напрямків у військовому використанні – вильоти вертолетів у В’етнамі.
Рисунок 22 – Задня сторона товстої керамічної плитки, яка
отримала удар високоскоростной пулей . В цьому випадку пуля
була повністю відновлена, однак пошкодження
розпространилось на всю площу плитки.
Керамічні матеріали становляться також менш привабливими, коли броня наклонна. Розміщення металевої броні під острим углом на бойових бронованих машинах було загальним положенням із часом Другої світової війни, наприклад, на танках, таких як Т-34. Однак перевага, яка може бути забезпечена металевою плитою, розміщеною під углом до підлетаючого снаряду, не використовується таким же чином. У металевій броні ефективна товщина збільшується зі збільшенням вугла. Таким чином, снаряд повинен пробивати більше матеріалу і одночасно піддається вигину навантаження завдяки геометриі броні. Керамічний матеріал під острым углом також збільшує товщину матеріалу по лінії прицілювання снаряду. Однак, коли снаряд входить в соприкосновение з бронею, напівсферична хвиля випливає з точи удару, але відображається в межі поділу між керамікою та опорним шаром у напрямку, перпендикулярному межі поділу. Отже, руйнуюча хвиля при розтяженні не має відношення до переваги наклону. Слідую підчеркнути, керамічні матеріали не все погано діють під острим кутом, але вірно, що вони не діють так добре, як думали або надіялись. Крім того, вони усилюють рикошетування при більших углах наклону.
Будущее
Так куда можна знайти керамічні броневі матеріали? Для початку покращена здатність витримувати багаточисельні попадання може вже в даний час досягатися шляхом залучення керамічних матеріалів у відповідну оболонку шляхом розподілу в конструкціях типу матриці (наприклад, LIBA), зменшення розмірів, як використовується в мозаїчних конструкціях броні, або шляхом використання менш твердих, но более упругих карбідних матеріалів з прочною зв'язком. Таким чином, будь-яке зміна дії в характеристиках матеріалу призводить до упругого і всього того ж твердого матеріалу, який здатний витримати наступний один за інших ударів снарядів. На жаль, у відношенні керамічних матеріалів є загальні правила, ніж твердо ви робите матеріал, тим більш хрупким він стає.
Інші успіхи можуть бути досягнуті в обробці сиру і, зокрема, зниження вартості керамічних матеріалів більш високого рівня, таких як диборид титану, карбид кремнія і прозорі керамічні матеріали, розглянуті вище. Альтернативно, успіхи можуть стати помітними, коли дослідники начнуть краще приймати роль підтримки і як підтримувати її. Або фактично можуть з'явитися методи кращого з'єднання, що забезпечує можливість з'єднання кераміки з металевою опорою без використання полімерних клеїв. У будь-якому випадку є, ймовірно, невелика вихідна точка збільшення їх твердості. В кінці кінців, вони все є одними із самих твердих наявних матеріалів. І значно тверді снаряди, які вони руйнують.
Час публікації: 03 вересня 2018 р