Наноматериалы в бронезащите: перспективные направления
При выборе материала для производства легкой брони учитывается множество характеристик. Материал должен обладать определенной прочностью, упругостью, плотностью, предельным удлинением и т.д. С учетом специфики применения выбираются материалы с экстремально высокими показателями прочности и максимально возможными низкими показателями плотности. Именно поэтому для изготовления бронеэлементов средств индивидуальной защиты используются текстильные виды брони, полимерные композиционные материалы, металлические сплавы, керамика.
При этом остро стоит проблема веса и предельной прочности средств индивидуальной бронезащиты. Поэтому в последние годы всё больше внимания при разработке средств индивидуальной защиты уделяется инновационным решениям и наноматериалам. В 90-х годах прошлого века начались активные поиски способов улучшения функциональных свойств защитных материалов. Так, для изготовления объемных наноматериалов, например, бронепластин, предполагается использование порошковых технологий.
Кроме того, стоит учесть, что размер зерен в поликристаллических материалах существенно влияет на их механические свойства. Для материалов с субмикрокристаллической структурой рост прочностных характеристик с уменьшением размера зерен связан с увеличением площади границ раздела, которые являются препятствием для движения дислокаций. А низкая плотность дислокаций и трудность их размножения в наночастицах определяет высокую прочность нанокристаллических материалов.
«Жидкая броня» - новый вид брони из наноматериалов
Не так давно был разработан новый вид наноброни – это так называемая «жидкая броня». Её работа проявляется в увеличении защитных свойствтекстильной брони при пропитывании бронеткани высококонцентрированной суспензией, в которой в качестве дисперсной твердой фазы выступают наночастицы. Как работает эта «жидкая броня»? При резком ударе наночастицы моментально связываются друг с другом, превращая суспензию в твердое тело. Скорость затвердевания наноброни – менее одной милисекунды. При этом при деформировании с небольшой скоростью сдвига жидкая фаза выступает в роли смазки и не препятствует деформациям формоизменения суспензии. Т.е. материал при низкой скорости деформации действует, как вязкое вещество, а при высокой скорости деформации – как твердое вещество. Как известно, при пулевом обстреле скорость деформации высока, поэтому «жидкая наноброня» ведет себя как твердое вещество. Соответственно, если пропитывать текстильные бронеэлементы такой суспензией из наночастиц, их защитные свойства значительно возрастут.
Так, например, текстильная броня из кевлара, пропитанная полиэтиленгликолевой суспензией кремниевых наночастиц размером 450 нм с объемным содержанием 52%, имеет примерно такую же стойкость, как и обычный бронеэлемент такого же веса. При этом пропитанная броня имеет меньшую толщину и обладает большей гибкостью, т.о. человеку в ней удобнее двигаться. Пропитанный текстильный бронеэлемент более устойчив к проколам от тонких заостренных предметов. При всех плюсах «жидкой брони» стоит обратить внимание, что при пропитывании ткани увеличивается линейная плотность нитей и снижается скорость распространения в них продольных и поперечных волн. А это может негативно отразиться на стойкости бронепакета, т.к. основной механизм поглощения кинетической энергии пули ограничивается.
«Жидкая броня» может применяться не только для защиты военных и сотрудников МВД, но и для создания СИБ для сотрудников частных охранных служб и еще во многих сферах, где необходима защита людей и транспорта.
Перспективные направления в исследовании наноброни.
Еще одна разработка в сфере использования наноматериалов в производстве бронезащиты – использование «нанотрубок». Трубки могут быть как многослойными, так и однослойными. Наиболее широкое распространение получили исследования углеродных нанотрубок. Такая трубка представляет собой лист графита, свернутый в цилиндр и состоящий из одного или нескольких атомных слоев. Углеродные нанотрубки отличается высоким уровнем упругости и достаточно большим пределом прочности. Использование таких материалов даже не в изготовлении, а в упрочнении брони, может перевернуть всю область разработок бронематериалов для средств индивидуальной защиты.
В августе 2010 года компания LockheedMartin опубликовала исследование, в котором говорится о том, что при добавлении 1,5 - 5% углеродных нанотрубок в материал бронеэлемента может улучшить защиту от проникновения пуль на 20 - 50%. А если добавить нанотрубки в полимерную матрицу и вплести ее в волокна арамидных тканей, то можно сделать бронежилет по-настоящему пуленепробиваемым.
Также ходят слухи о создании прозрачной пленки, которая состоит из большого количества многослойных нанотрубок. Такая пленка может иметь толщину 50 нм и плотность 0,5 г/см3. Такая пленка, как и все другие разработки, характеризуется высокой прочностью и может использоваться для создания прозрачной брони.
К сожалению, на текущий момент все разработки наноброни имеют очень высокую стоимость не доступны для широкого применения.