БРОНЕЗАЩИТНЫЕ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК

№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)

УДК 678.5.01:539:4

В.И. НАТРУСОВ,

кандидат технических наук,

ОАО «НПО Стеклопластик» г. Москва;

Т.Е. ШАЦКАЯ,

кандидат химических наук,

ОАО «НПО Стеклопластик» г. Москва

БРОНЕЗАЩИТНЫЕ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Исследования по использованию стеклопластиков в качестве бронезащитных материалов в нашей стране начались в шестидесятых годах прошлого века.

Результатом десятилетних совместных исследований нескольких предприятий (ВНИИстекловолокна, впоследствии Всесоюзного научно-исследовательского института стекловолокна и стеклопластиков (ВНИИСПВ), а в настоящее время - ОАО «НПО Стеклопластик», ЛФТИ им. Иоффе РАН, ВНИИСтали, НИИПМ, ЦНИИТС и ВНИИСпецтехники) был выбор магистрального направления исследований: создание комплексной броневой защиты (КБЗ), в которой учитывались как положительные свойства броневой стали, так и стеклопластика, а именно в качестве твердых лобовых слоев использовались металлические и металлокерамические материалы, а в качестве легкого энергоемкого слоя - стеклопластик, который при значительно меньшей твердости обладает более высоким удельным сопротивлением внедрению твердого тела, высокой защитой от нейтронной составляющей ядерного взрыва, более высокой удельной кумулятивной стойкостью и при пробитии не дает вторичных осколков, которые усиливают поражающее действие [1].

В этом направлении ВНИИСПВ уже с середины шестидесятых годов начал проводить систематические исследования по созданию:

- «толстой» стеклопластиковой брони с толщиной более трех калибров поражающего элемента для защиты танков, бронетранспортеров, военных кораблей и другой бронетехники. Заказчиками являлись ВНИИСтали, г. Москва и ЦНИИТС, г. Ленинград;

- «тонкой» стеклопластиковой брони с толщиной менее двух калибров поражающего элемента для защиты живой силы, авиационной и ракетной техники. Заказчиками являлись МВД, ВИАМ и ВНИИСпецтехники.

Указанные виды броневых преград имеют принципиальное различие в механизме разрушения и отличаются как по абсолютной величине баллистических характеристик, так и по различной их зависимости от свойств составляющих компонентов.

Настоящая работа посвящена краткому изложению основных научных и производственных достижений упомянутых выше организаций по первому виду броневых стеклопластиков, которые были достигнуты на основании имеющегося к тому времени теоретического фундамента, заложенного научной школой Ленинградского физико-технического института им. Иоффе (ЛФТИ)

Так, экспериментально было установлено:

- отсутствие зависимости основных баллистических свойств стеклопластиков от их статических физико-механических характеристик;

- наибольшее влияние на свойства «толстой» стеклопластиковой брони оказывает динамическая прочность (ДП) полимерной матрицы (ПМ), затем величина межфазного взаимодействия (МФВ) на границе раздела ПМ и армирующего материала (AM) и в последнюю очередь свойства AM.

- изготовление стеклопластиковых образцов и особенно их баллистические испытания - это процессы, требующие сложного и дорогостоящего аппаратурного оформления.

Эти обстоятельства существенно осложняли решение практической задачи поиска, отбора и синтеза новых перспективных ПМ, а также создания новых видов AM.

В этой связи ВНИИСПВ совместно с другими предприятиями проводил параллельные исследования в части отбора и синтеза перспективных ПМ, а также в части разработки косвенных методов предварительной оценки ДП стеклопластиков (по скорости распространения ультразвуковых колебаний, по их твердости и др.).

В результате этих исследований разработаны и освоены промышленностью броневые стеклопластики марки СТБ (для защиты танков и бронетранспортеров) и марки ПСТЭТ - для защиты кораблей ВМФ, которые были изготовлены по традиционной препреговой технологии с жизнеспособностью препрегов 1 - 3 месяца.

Появление новых полифункциональных эпоксидных олигомеров и отвердителей позволяло повысить баллистические характеристики композитов на 35-45%, однако переработка их по традиционной технологии через полуфабрикаты - препреги - крайне затруднена или вовсе невозможна вследствии их высокой реакционной способности и, следовательно, низкой (1-3 суток) жизнеспособности соответствующих препрегов.

На основе анализа проблем жизнеспособности препрегов при их хранении с позиций соотношения скоростей процессов химического и физического структурирования полимерной матрицы (ПМ) [2] авторами разработан новый в отечественном производстве высокопрочных композитов физический подход регулирования жизнеспособности препрегов путем раздельного нанесения компонентов ПМ (смоляной и отверждающей ее частей) на слои армирующего материала. Этот метод приготовления препрегов бинарного типа получил название метода РНК.

Впервые в отечественной практике была разработана технология формования броневых стеклопластиков на основе бинарных препрегов с практически неограниченной жизнеспособностью, перерабатываемых методами компрессионного прессования и намоткой.

Разработанные броневые стеклопластики марок ПС РНК-1 и 2, изготовленные на Сафроновском заводе пластмасс, успешно прошли полигонные испытания и имели динамическую и кумулятивную стойкость выше стеклопластиков, полученных по традиционной технологии.

Установлено, что высокие прочностные характеристики стеклопластиков РНК объясняются специфической микронеоднородной структурой полимерной матрицы, в которой густосшитые участки чередуются со слабосшитыми микрообластями, прилегающими непосредственно к поверхности армирующих волокон.

Эта искусственно реализуемая структура обеспечивает саморазгружение от остаточных напряжений усадочного и термического характера, а также способствует увеличению диссипативной энергии и, как следствие, повышению динамической прочности композитов.

Ниже приведены результаты сопоставительных исследований композитов, изготовленных на основе одной и той же эпоксидной матрицы как традиционно - смесевым методом (КМ-1), так и методом РНК (КМ-2).

Результаты этих исследований объясняют вышеприведенные утверждения.

Информация о структурной организации полимерной матрицы (ПМ) в композитах обоих видов получена на основе анализа крупномасштабной молекулярной подвижности сегментального типа (б-процесс) с помощью трех современных релаксационных методик, отличающихся эффективной частотой:

- термомеханический анализ в дилатометрическом режиме (10-2 Гц)

- в динамическом режиме по методу изгибных резонансных колебаний (10-102 Гц)

- методом импульсного ЯМР (60? 106 Гц)

На рис. 1 приведены зависимости температуры размягчения (Тр) и средней температуры стеклования (Тстср) от времени прессования КМ обоих типов.

Результаты, представленные на рис.1 свидетельствуют о том, что топологическая однородность структуры ПМ в случае препрегов смесевого типа заметно выше. В случае препрегов РНК полного перемешивания компонентов не достигается и процесс формирования структуры ПМ носит локальный, очаговый характер. В микрообъемах, где произошло полное смешение компонентов, а также в зонах соприкосновения компонентов ПМ, формируется сетчатая структура, близкая по параметрам к смесевой, т.е. стехиометрической. На это указывает близость значений Тстср для КМ обоих типов. В остальных областях процесс химического структурирования остается незавершенным, т.е. реализуется нестехиометрическая структура. Локальная температура стеклования этих микрообластей значительно отличается от предельной температуры стеклования ПМ данного типа. Микрообласти нестехиометрической сетчатой структуры определяют величину температуры размягчения, а области с более совершенной стехиометрической структурой определяют величину Тстср.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИНАМИЧЕСКИХ МЕХАНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Более детальную картину формирования структуры ПМ в КМ различной природы позволяют установить результаты динамических механических исследований по методу изгибных резонансных колебаний, обладающего высокой чувствительностью и разрешающей способностью.

Как видно из рис.2, температурная зависимость тангенса механических потерь (tg d) в случае образцов КМ-2 характеризуется наличием как более низкотемпературных пиков (с максимумами в области I-50-60°С, II - 110-125°С), так и более высокотемпературных пиков (с максимумами в области III-150-165°С, IV - 205-215°С и V - 230-240°С), чем в случаях образцов КМ-1. Также из рис. 2 видно, что величина площади релаксационного спектра в случае КМ-2 превышает размеры площади релаксационного спектра для образцов КМ-1, что однозначно свидетельствует о более высоких диссипативных свойствах композитов на основе бинарных препрегов.

Таким образом, результаты сопоставительного термомеханического анализа также свидетельствуют о реализации микронеоднородной структуры ПМ в КМ на основе препрегов РНК. Очевидно, что такая микронеоднородная структура позволяет добиться в КМ на основе препрегов РНК сочетания высоких упругих и диссипативных свойств композита. Об этом непосредственно свидетельствует анализ площадей соответствующих релаксационных спектров.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЯМР-СПЕКТРАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования КМ проводились на ЯМР-спектрометре с резонансной частотой 60*106 МГц по протонам. Измеряли времена спин-спиновой релаксации Т2е в условиях импульсного спин-локинга и спин-спиновой релаксации Т2 в лабораторной системе координат [3].

Как видно из рис.3, в начале формования КМ-2 быстрое и полное перемешивание компонентов не достигается, поэтому процесс смешения компонентов лимитирует процесс отверждения системы. Причем на ранних стадиях формования в образцах КМ-2 сохраняются даже низкомолекулярные фракции, обусловливающие заметную двухфазность образцов.

При прогревании таких образцов выше температуры а-перехода низкомолекулярные фракции начинают диффундировать сквозь образовавшуюся сетку и вступать в дальнейшую реакцию, что и приводит к исчезновению релаксационного минимума. Несмотря на замедление процесса отверждения в случае препрегов РНК, при правильно выбранном режиме в образцах КМ-2 можно достичь параметров а-перехода, идентичных соответствующим параметрам в образцах КМ-1.

Итак, в результате проведенных исследований установлено наличие существенной микронеоднородности ПМ в композитах на основе бинарных препрегов и ее более высокие релаксационные свойства. Эта искусственно реализуемая микронеоднородная структура приводит к существенному снижению в КМ-2 внутренних напряжений усадочного и термического характера и, тем самым способствует повышению прочностных, упругих и диссипативных свойств, что позитивно отражается на баллистических характеристиках стеклопластиков. В 1992 г. на Сафоновском заводе пластмасс была изготовлена опытно-промышленная партия стеклопластика ПС РНК-1 в количестве 4 т, которая успешно прошла полигонные испытания, однако в годы перестройки по ряду объективных причин дальнейшее промышленное освоение этих стеклопластиков не было реализовано.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бакнелл К.Б. Ударопрочные пластики - Л: Химия, 1981, с.12-26

2. Смирнов Ю.Н., Шацкая Т.Е., Кружкова Л.И., Натрусов В.И. Пластмассы 2000, №4, с. 27-

3. Тарасов В.П., Смирнов Ю.Н., Шацкая Т.Е., Давтян С.П. Высокомолекулярные соединения Б 1990 Т31 №6 с. 428

---