Введение

В настоящее время разработка керамических материалов, обладающих комплексом высоких физико-механических свойств, является перспективным направлением материаловедения [1–5]. Одной из областей применения керамических материалов являются системы бронезащиты военной техники и средства индивидуальной бронезащиты личного состава вооруженных сил и сотрудников правоохранительных структур. Проблема применения керамических материалов в средствах бронезащиты детально представлена в ряде научно-технических и рекламных публикаций [6–11]. Впервые бронезащита на основе керамических элементов, разработанная американскими учеными, была применена во время войны во Вьетнаме. Снижение массы керамической баллистической защиты в 2 раза по сравнению с традиционной броней на основе стали является беспрецедентным случаем в истории развития брони.

Достигнутый скачок по пулестойкости керамической брони, позволивший рекордно уменьшить массу противопульной защиты, заставил по-новому взглянуть на керамику, не являющуюся конструкционным материалом. Проблема живучести баллистической системы с применением керамических элементов решена за счет использования подложки, обеспечивающей конструкционную целостность и воспринимающей поток осколков разрушенной керамики и поражающего элемента. Поскольку баллистическая преграда в составе керамики и подложки рассматривалась как одно целое, то баллистическая оценка непосредственно керамики фактически отсутствовала.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 2. «Фундаментально-ориентированные исследования, квалификация материалов, неразрушающий контроль» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Материалы и методы

Для разработчиков керамических материалов, равно как и конструкционных материалов, необходимо знание основных характеристик материала, определяющих его работоспособность [12–14]. Создателю керамического материала необходимо из набора основных параметров работоспособности материала (модуль упругости, прочностные характеристики, плотность, ударная вязкость, твердость, пластичность, трещиностойкость) выделить определяющие свойства, улучшение которых обеспечит повышение баллистической стойкости. Прочностные характеристики, оцениваемые при различных способах приложения нагрузки (растяжение, изгиб, сжатие) и в различном напряженно-деформированном состоянии материала, должны определяться для условий, соответствующих взаимодействию преграды и ударника. Поскольку в стандартных лабораторных условиях крайне сложно воспроизвести нагружение материала, имитирующее локальное высокоскоростное воздействие, то единственным способом оценки являются прямые полигонные испытания.

Огромный экспериментальный материал, полученный при прямых полигонных испытаниях комбинированной баллистической системы на базе керамических материалов, позволил сформулировать требуемые показатели качества баллистической керамики. Эти показатели нашли отражение в формуле Стиглица:

G=E·H_k/ρ,                                                                   (1)

где Е – модуль упругости, ГПа; H_k – твердость по Кнупу; ρ – плотность керамики, кг/м³ [15, 16].

Примечателен факт отсутствия в формуле (1) прочностных характеристик керамического баллистического материала.

Некоторые исследователи в критерий пулестойкости керамики ввели критический коэффициент интенсивности напряжений. Данный критерий пулестойкости, упоминаемый в работах [7, 11], представлен в виде:

                                                (2)

где НV – твердость по Виккерсу; с – скорость распространения продольных упругих волн, м/с; Е – модуль упругости, ГПа; K_1с – критический коэффициент интенсивности напряжений, 

Данный критерий противоречит физике процесса. Вязкость разрушения, представленная коэффициентом интенсивности напряжений K_1с, определяет работу, затрачиваемую на развитие разрушения, и, исходя из этого, показатель K_1с должен находиться в числителе. Ошибка в данном случае происходит из предположения о том, что противопульная стойкость керамики определяется суммарной энергией, затраченной на образование поверхностей разрушения, которая тем выше, чем меньше характерный размер фрагментов разрушенной керамики. Поскольку характерный размер фрагмента, как указывают авторы работы [11], пропорционален  то коэффициент интенсивности напряжений K_1с оказывается в знаменателе формулы (2). Действительно, снижение коэффициента интенсивности напряжений K_1с приведет к большей фрагментации керамического материала, но это не означает повышение его баллистической стойкости.

Исключив из анализа зависимость (2) с параметром механики разрушения, рассмотрим практическую ценность формулы Стиглица. Оценка параметра G, полученная в работе [16] для наиболее широко применяемых в баллистической защите материалов, приведена в табл. 1.

Таблица 1

Оценка параметра G основных баллистических материалов [16]

Керамический материал	Плотность, кг/м3	Параметр G
Горячеспеченный Al2O3	3800–3900	1,8–1,9	0,95–1
Реакционноспеченный SiC	3120	2,8	1,47
Горячепрессованный B4C	2500	5,4	2,84

Исходя из данных табл. 1, горячепрессованный карбид бора имеет почти трехкратное преимущество по баллистическим показателям по сравнению с оксидом алюминия. Логично предположить, что данное преимущество и есть выигрыш в массовых характеристиках керамической преграды.

Однако прямые баллистические оценки керамических преград показывают, что полученный выигрыш по массе не соответствует теоретической формуле Стиглица. Ранее в работе [17] при анализе разрушения баллистической керамики показан конусообразный характер разрушения, что позволяет рассматривать данный конус как условную присоединенную массу. Модель, базирующаяся на присоединенной массе, устанавливает, что выигрыш по массе керамической преграды может быть оценен следующим соотношением:

                                         (3)

где М_х и ρ_х – поверхностная масса (кг/м²) и плотность (кг/м³) оцениваемой керамики;  и  – поверхностная масса и плотность горячепрессованного карбида бора.

Оценка по данной модели, отражающей реальный процесс разрушения керамической пластины, приводит к существенно меньшему выигрышу поверхностной массы карбида бора по сравнению с керамикой более высокой плотности. Так, применение оксида алюминия вместо карбида бора приводит к увеличению поверхностной массы в 1,37 раза. Экспериментальные данные подтверждают достоверность данной формулы. Основным постулатом применимости данной закономерности является достижение материалом его теоретической плотности (нулевой пористости).

Сравнение керамических материалов и установление преимущества одного материала по сравнению с другим на основании теоретических подходов крайне затруднительно, учитывая многофакторность процесса взаимодействия керамики и средства поражения. Исходя из этого, наиболее достоверное ранжирование материалов по баллистической стойкости возможно только по результатам прямого баллистического эксперимента. На начальном этапе разработки баллистической керамики показано, что эффективность керамической преграды обусловлена тремя эффектами: дробящим, кинетическим и диссипативным [17]. Оценка этих эффектов по отдельности или интегрально дает возможность установить преимущества одного керамического материала по сравнению с другим.

Данный подход не является оригинальным, поскольку всегда разработчики баллистических материалов интересовались воздействием разработанной брони на средства поражения. Одну из первых работ в этом направлении следует отнести к 1940-м годам, но оригинальность, с которой она была выполнена, вызывает восхищение и сейчас. Н.М. Скляров (разработчик брони для легендарного штурмовика Ил-2) предложил набить пустую бочку снегом и расположить ее за баллистической преградой. После серии выстрелов снег растапливали, воду сливали, и экспериментаторы получали чистые деформированные или разрушенные сердечники исследуемых боеприпасов. Все последующие попытки получить фрагменты разрушенной пули (стрельба в песок с последующим просеиванием, улавливание фрагментов толстым алюминиевым экраном или путанкой из арамидных волокон) были более трудоемки и менее эффективны. При этом данные варианты экспериментов по улавливанию осколков пули дают ответ на вопрос о деформации и разрушении баллистической преградой высокоскоростного индентора, но не отвечают на вопрос об энергоемкости этих осколков или их поражающем воздействии.

Для баллистической оценки керамических материалов разработана специальная схема испытаний. При баллистических испытаниях исходят из требований как оценки каждого из эффектов, определяющих баллистические характеристики керамики (дробящего, кинетического, диссипативного) в отдельности, так и определения интегральной работоспособности керамики.

Реализация всех этих требований осуществлена на основе уловителя с дискретными экранами [17]. Конструкция приспособления для улавливания фрагментов разрушенного высокоскоростного индентора и керамической преграды включала ряд металлических экранов, расположенных на определенном расстоянии один от другого. Керамический элемент может либо жестко опираться на рамку приспособления, либо – с использованием демпфирующих прокладок, или находится в подвешенном состоянии, чтобы избежать влияния заделки, или закрепляться на тонкой подложке, опирающейся на рамку приспособления и не влияющей на характер разрушения керамики. При этом регламентируется расстояние между керамическим элементом и первым экраном уловителя. Кроме того, для различных комбинаций преград и инденторов имеется возможность варьирования расстояния между экранами и использования экранов различной толщины.

Для испытаний, в которых в качестве индентора использовали бронебойную пулю типа Б32 калибра 7,62 мм, применяли экраны толщиной 2 мм, изготовленные из пластичного алюминиевого сплава. Керамические элементы приклеивали непосредственно к листу алюминиевого сплава толщиной 2 мм. Данный вариант крепления керамического элемента позволял определить точку попадания пули в образец и отсеять некондиционные поражения, возникающие при попадании в край образца. Попадание в край образца на расстоянии менее калибра средства поражения искажает результаты испытаний керамики, и поэтому считается некондиционным.

Результаты и обсуждение

В качестве объекта испытаний использовали пластины из оксида алюминия размером (80–100)×(80–100)×(4–12) мм и карбида кремния размером 100×100×(12–14) мм. Пластины оксида алюминия изготавливали на базе материала марки ГБ-7 с различной системой легирующих добавок. Разработчики алюмооксидной керамики экспериментировали как с исходными компонентами, так и технологическими режимами, которые характеризовались повышенными температурами спекания. Технология получения реакционноспеченного карбида кремния (SiC) включала создание пористого каркаса пластины из графита с последующей пропиткой его жидким кремнием. Физико-механические характеристики керамических пластин представлены в табл. 2.

Таблица 2

Механические свойства керамических пластин

Крайне большой разброс значений микротвердости (НV) для пластин карбида кремния обусловлен наличием фазы металлического кремния, поэтому минимальные значения микротвердости присущи участкам кремния, а максимальные – карбидным участкам.

Баллистическую оценку керамических пластин проводили при ударе пулей Б32 по нормали со скоростью соударения 850 м/с. Для анализа баллистических характеристик рассматривали соударения с отклонением по ударной скорости в диапазоне 845–855 м/с.

В качестве интегральной оценки баллистической характеристики керамики может быть принята суммарная толщина перфорированных экранов или их количество.

Результаты баллистических испытаний представлены в табл. 3.

Таблица 3

Суммарная поверхностная масса пробитых экранов

Для пластин оксида алюминия, механические характеристики которых соответствовали данным в табл. 2, баллистические характеристики, оцениваемые по средним значениям поверхностной массы, оказались практически идентичными. Определение баллистических характеристик проводили при контроле угла соударения (±1 град), скорости соударения (±5 м/с) с дистанции более 20 м, обеспечивающей минимизацию угла рассогласования между вектором скорости и осью пули. Скорость замеряли в каждом выстреле. Количество определений для пластин из оксида алюминия одной поверхностной массы было не менее пяти, а для пластин из карбида кремния ограничивалось тремя испытаниями. Разброс для каждого уровня испытаний находился в пределах двух экранов, что обусловлено различной степенью разрушения сердечника и кинематикой движения его наиболее массивной части. Незначительный разброс, полученный при баллистических испытаниях оксида алюминия, позволил объединить результаты испытаний, представив их некоторой зависимостью от поверхностной массы оксидной керамической преграды. Существенное снижение значений имело место для оксида алюминия, легированного оксидом титана. При замере твердости осколков испытанных образцов обнаружены зоны с пониженной твердостью НV=830–980. Однако данный факт, по-видимому, не может в полной мере объяснить резкое снижение баллистической стойкости, поскольку аналогичное локальное снижение твердости имеет место и для карбида кремния.

Карбид кремния при значительном разбросе по твердости показал стабильные результаты, что обусловлено относительно низким содержанием свободного кремния (Si<10%) и относительно равномерным его распределением.

Анализ результатов баллистических испытаний показал, что стандартные физико-механические характеристики не могут в полной мере определять баллистическую стойкость керамических материалов. При достаточно близких механических характеристиках баллистическое качество керамики может существенно отличаться.

Баллистическая стойкость пластин из карбида кремния с поверхностной массой ~40 кг/м² практически близка к обобщающей кривой  для материала на основе оксида алюминия (см. рисунок). Если сравнить конкретную баллистическую стойкость, полученную при данных испытаниях карбида кремния и оксида алюминия, то суммарные поверхностные массы экранов будут соотноситься как 1,25, что ближе к оценке 1,21 по формуле присоединенной массы (3), нежели к коэффициенту 1,47, получаемому по формуле Стиглица (1).

Зависимость поверхностной массы пробитых экранов уловителя от поверхностной плотности керамических пластин из Al₂O₃ (♦), Al₂O₃+ТiO₂ (■) и SiC (Δ)

Выполненные эксперименты показали, что при оценке баллистических характеристик керамики необходимо опираться на прямые баллистические испытания, выявляющие деформационные и силовые особенности поведения реального материала в экстремальных условиях скоростного соударения.

При использовании данной схемы испытаний следует учитывать, что она позволяет ранжировать керамические материалы в рамках принятых условий испытаний, заданных толщинами экранов и их разнесением.

Заключения

Установлено, что расчет баллистических характеристик керамических материалов, базирующийся на их стандартных физико-механических характеристиках, определяемых при статических испытаниях, не позволяет дать достоверную количественную оценку баллистической стойкости керамики и установить реальное преимущество одного материала по отношению к другому.

Разработана методика испытаний керамического материала, базирующаяся на использовании уловителя осколков керамики и индентора в ряде экранов с нормируемой толщиной и межэкранным расстоянием.

Применение предлагаемой схемы испытаний позволяет объективно оценить баллистистическую стойкость керамического материала и обеспечить сравнение по данному параметру различных керамических материалов.