Керамическая броня

Керамическая броня — это броня, используемая в бронетехнике и в индивидуальной броне, чтобы противостоять проникновению снарядов благодаря своей высокой твердости и прочности на сжатие. В своей самой базовой форме он состоит из двух основных компонентов: керамического слоя на внешней поверхности, называемого «ударной поверхностью», подкрепленного пластичным армированным волокном пластиковым композитным или металлическим слоем. Роль керамики заключается в том, чтобы (1) разрушить снаряд или деформировать носовую часть снаряда при ударе, (2) разрушить и замедлить остаток снаряда, когда он проникает в разрушенный керамический слой, и (3) распределить ударную нагрузку на большую поверхность. область, которая может быть поглощена пластичным полимером или металлической основой. Керамика часто используется там, где важен легкий вес, поскольку при заданной степени сопротивления она весит меньше, чем металлические сплавы. Наиболее распространенными материалами являются оксид алюминия , карбид бора и, в меньшей степени, карбид кремния .

История

Испытания еще в 1918 году продемонстрировали потенциал керамической брони; Майор Невилл Монро-Хопкинс обнаружил, что добавление тонкого слоя эмали к стали значительно улучшает ее баллистические свойства. Его первое боевое применение состоялось только во время войны во Вьетнаме. где вертолеты часто подвергались обстрелу из стрелкового оружия. В 1965 году экипажам вертолетов были предоставлены керамические бронежилеты, а на сиденья пилотов были добавлены комплекты «твердой композитной» брони. К следующему году были развернуты монолитные керамические жилеты и бронепанели, установленные на планере. По оценкам, в вертолетах «Хьюи» эти усовершенствования снизили количество погибших на 53%, а несмертельных травм — на 27%.

Дизайн

Конструкции керамической брони варьируются от монолитных пластин до систем, использующих трехмерные матрицы. Один из первых патентов на керамическую броню был подан в 1967 году компанией Goodyear Aerospace Corp. Керамические сферы из оксида алюминия были встроены в тонкие алюминиевые листы, которые были уложены слоями так, чтобы сферы каждого слоя заполняли промежутки между сферами окружающих слоев, в способ, аналогичный объемноцентрированной кубической структуре упаковки. Вся система скреплялась пенополиуретаном и либо толстым алюминием, многослойным СВМПЭ, параарамидным волокном, либо 30% PALF + 70% эпоксидной композитной основой. Эта разработка продемонстрировала эффективность матричного проектирования и стимулировала развитие других матричных систем. Большинство из них сочетают в себе цилиндрические, шестиугольные или сферические керамические элементы с основой из какого-либо специального сплава, не предназначенного для брони. Монолитная пластинчатая броня, напротив, состоит из отдельных пластин из усовершенствованной керамики, которые вставляются в традиционный баллистический жилет вместо стальной пластины.

Механизм

В отличие от металлов, керамика никогда не используется в броневых системах отдельно, как самостоятельный материал; они всегда сочетаются с пластичной подложкой или опорным слоем из композитных материалов из металла или армированного волокном пластика , и этот узел с керамической облицовкой называется керамической броней. Керамические материалы, такие как стекло , имеют высокую твердость и прочность на сжатие, но низкую прочность на растяжение. Приклеивание керамической плитки к металлическому или композитному материалу основы, обладающему высокой прочностью и хорошей пластичностью, задерживает или смягчает разрушение при растяжении при ударе и заставляет керамику разрушаться при сжатии.

Системы керамической брони поражают снаряды стрелкового оружия и проникающие средства с кинетической энергией двумя основными механизмами: разрушением и эрозией. Когда снаряд из твердой стали или карбида вольфрама попадает в керамический слой системы керамической брони, он на мгновение останавливается в результате явления, известного как задержка. В зависимости от толщины и твердости керамического слоя сердечник снаряда либо разбивается, ломается, либо затупляется. Остатки снаряда продолжают проникать в измельченную керамическую плитку с пониженной скоростью, что разрушает эти остатки и уменьшает их энергию, длину и массу. Слой композитного пластика, армированного металлом или волокном, расположенный за керамическим слоем, затем удерживает фрагменты снаряда или его эродированные остатки и поглощает остаточную кинетическую энергию, обычно посредством пластической деформации . Если материал основы слишком тонкий или слишком слабый, чтобы поглотить остаточную кинетическую энергию, или если снаряд не разбивается, а эродированный остаток снаряда сохраняет слишком большую часть своей массы и кинетической энергии, произойдет проникновение. Поэтому как керамический слой, так и его защитный слой имеют одинаковое значение.

В автомобильной керамической броне основным материалом чаще всего является конструкционная сталь, часто катаная гомогенная броня , хотя иногда используется алюминий. В бронежилетах, где конструкторы керамической брони стремятся сделать керамические броневые пластины как можно более легкими и удобными, материал подложки обычно представляет собой легкий композит из сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна, но также может быть композит из арамидного волокна - и , в керамических броневых пластинах низкого качества или в пластинах для стационарных пользователей, таких как экипажи вертолетов, стекловолокно иногда используется .

При борьбе с осколочно-фугасными противотанковыми снарядами керамические элементы разрушают геометрию металлической струи, создаваемой кумулятивным зарядом, что значительно снижает пробиваемость.

Приложения

Персонал

Керамические бронеплиты

Керамические пластины обычно используются в качестве вставок в мягких баллистических жилетах . Большинство керамических пластин, используемых в бронежилетах, обеспечивают Национального института юстиции защиту типа III , позволяя им останавливать винтовочные пули. Керамические пластины представляют собой разновидность композитной брони . Вставные пластины также могут быть изготовлены из стали или полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы .

Керамическая пластина обычно вставляется во внешний слой мягкого бронежилета. Могут быть две пластины: одна спереди и одна сзади, либо одна универсальная пластина спереди или сзади. Некоторые жилеты допускают использование небольших пластин по бокам для дополнительной защиты.

Керамические пластины, выпускаемые военными США, называются улучшенными защитными вставками для стрелкового оружия (ESAPI).

Приблизительный вес одной керамической броневой пластины NIJ уровня III составляет от 4,4 до 8 фунтов (2–3,6 кг) для типичного размера 10 на 12 дюймов. Существуют и другие типы пластин, которые бывают разных размеров и обеспечивают разные уровни защиты. Например, MC-Plate (пластина с максимальным покрытием) обеспечивает на 19% большее покрытие, чем стандартная керамическая пластина.

Керамические материалы, обработка материалов и прогресс в механике проникновения керамики являются важными областями академической и производственной деятельности. Эта объединенная область исследований керамических доспехов обширна и, пожалуй, лучше всего ее резюмирует Американское общество керамики. ACerS уже несколько лет проводит ежегодную конференцию по бронетехнике и собирает материалы за 2004–2007 годы. Областью особой деятельности, связанной с жилетами, является все более широкое использование небольших керамических компонентов. Керамические пластины большого размера, размером с туловище, сложны в изготовлении и могут растрескиваться при использовании. Монолитные плиты также имеют ограниченную способность многократного удара из-за большой зоны ударного разрушения. Это мотивация для создания новых типов броневых плит. В этих новых конструкциях используются двух- и трехмерные массивы керамических элементов, которые могут быть жесткими, гибкими или полугибкими. Бронежилет «Кожа дракона» является одной из таких систем, хотя он не прошел многочисленные испытания, проведенные армией США, и был отклонен. Европейские разработки в области сферических и шестиугольных массивов привели к созданию продуктов, обладающих некоторой гибкостью и устойчивостью к множеству ударов. Производство систем массивного типа с гибкими и стабильными баллистическими характеристиками по краям керамических элементов является активной областью исследований. Кроме того, передовые технологии обработки керамики требуют применения методов клеевой сборки. Одним из новых подходов является использование застежек-липучек для сборки керамических массивов.