«

»

Июн 19

Распечатать Запись

Теория корабля и строительная механика

УДК 62-7522-033.6:629.5

А. Е. ВЕРСТАКОВ, А.И. ДУЛЬНЕВ, Н.С. КАРАТЕЕВ,
В. И. ФЕДОРОВ

ПРИМЕНЕНИЕ ЭПОКСИКАУЧУКОВЫХ КЛЕЕВЫХ СОСТАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИКОСОДЕРЖАЩИХ ЗАЩИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

На основании экспериментальных исследований продемонстрирована перспективность применения высокодеформативных эпоксикаучуковых клеевых составов для изготовления конструкций защиты от воздействия высокоскоростных поражающих элементов. Установлено, что использование указанных клеев обеспечивает существенное повышение баллистической живучести защитных конструкций.

Ключевые слова: керамикосодержащий композит, баллистическая живучесть, клеевое соединение.

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее эффективным средством защиты от воздействия высокоскоростных поражающих элементов (ВПЭ) являются конструкции, включающие в свой состав керамику. В самом распространенном варианте они представляют собой слой керамических плиток, смонтированных на опорном слое, который является составной частью штатной корпусной конструкции. Обладая высоким уровнем твердости (около HRc 90, что существенно выше твердости закаленных сталей,  достигающей примерно HRc 60), керамика оказывает значительное сопротивление внедрению ВПЭ, способна сильно деформировать и разрушить его, а также распределяет нагрузку ударника на значительную площадь опорного слоя, повышая эффективность его работы.

При одинаковых защитных свойствах керамикосодержащие преграды имеют массу в 1,5-З раза меньшую, чем конструкции из сталей, алюминиевых сплавов и стеклопластиков.

При воздействии на конструкцию потоков ВПЭ и при последовательном многократном действии поражающих элементов важнейшей характеристикой защиты становится баллистическая живучесть. Под баллистической живучестью понимается способность защитной кон­струкции выдерживать многократное поражающее воздействие, сохраняя необходимый уровень баллистической стойкости. Последняя определяется как способность удерживать ВПЭ или снижать до требуемого уровня его поражающее влияние.

Баллистическая живучесть, как и баллистическая стойкость, является основной характеристикой защитных преград и должна нормироваться при определении требований к бронематириалам и защитным конструкциям. Если баллистическая стойкость керамикосодер­жащих композитных преград находится на весьма высоком уровне, то обеспечение требований по их баллистической живучести до послед­него времени оставалось заметной проблемой.

ТРЕБОВАНИЯ К КЛЕЕВЫМ СОСТАВАМ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИКОСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИТОВ

Склеивание — наиболее распространенный способ соединения керами­ческого слоя защитной преграды с опорным. Основной причиной от­носительно невысокого уровня баллистической живучести керамико­содержащих композитов являлось происходящее при ударе ВПЭ от­слоение керамики от опорного слоя на площади, существенно превы­шающей площадь разрушения самой керамики (рис. 1).

Показанные образцы подвергались высокоскоростному воздействию компактных осколков. Образец а выдержал удар одного ВПЭ, при котором была разрушена одна керамическая плитка, и произошло отслоение еще 10 плиток по всей площади образца. Образец б выдержал два воздействия, при которых клеевой слой подвергся значительному разрушению, следствием чего также стало полное отслоение керамики.

Оба образца были изготовлены с использованием клеевых составов на эпоксидной основе. Такие клеи обеспечивают высокую прочность соединения, хорошую адгезию к различным материалам, способны быстро отвердевать, обладают необходимой стойкостью к воздействию атмосферы, воды, колебаниям температуры, малой усадкой и другими положительными качествами. Типичным их представителем, применяемым для изготовления керамикосодержащих композитов, является эпоксиднотиоколовый клей К-153 (ТУ 2225-509-00203521-94). Образцы, показанные ни рис. 1, отличались, в основном, характеристиками поверхности керамических элементов. Шероховатость поверхности керамики образца а была существенно меньше, чем образца б. Уровень баллистической живучести обоих образцов оказался неудовлетворительным: они выдержали недостаточное количество поражающих воздействий, наблюдалось отслоение керамики от опорного слоя на значительном расстоянии от места удара ВПЭ.

Разрушение керамикосодержащих композитов, имеющих неудовлетворительный уровень баллистической живучести.

Разрушение керамикосодержащих композитов, имеющих неудовлетворительный уровень баллистической живучести.

Разрушение керамикосодержащих композитов, имеющих неудовлетворительный уровень баллистической живучести.

Разрушение керамикосодержащих композитов, имеющих неудовлетворительный уровень баллистической живучести.

Анализ образцов, показанных на рис. 1, и других экспериментальных данных позволяет установить основную причину отслоения керамики на удалении от точек поражающего воздействия. Она связана с особенностями деформирования и разрушения керамики. При пробивании таких материалов, как металл или волокнистый пластик, деформации и смещения материала, возникающие вследствие вытеснения материала из зоны пробоины, по мере удаления от нее очень быстро снижаются. Это обусловлено как объемным сжатием материала, так и геометрией его вытеснения. В случае с керамикой такого быстрого снижения деформаций и перемещений материала при удалении от точки ударного воздействия не происходит по двум причинам. Во-первых, керамическому материалу в состоянии частичного разрушения (как и другим сыпучим средам) присуще свойство дилатансии, или «разбухания» [1]. Оно заключается в снижении плотности материала (несмотря на возможное действие сжимающих напряжений) при его сформировании и объясняется тем, что смещения и повороты фраг­ментом раздробленного материала приводят к образованию пустот между угими фрагментами. Во-вторых, на некотором удалении от пробоины геометрия вытеснения перестает быть близкой к цилиндрической, когда перемещения материала снижаются с увеличением расстояния (и случае несжимаемого материала перемещения были бы обратно пропорциональны расстоянию от центра пробоины). Удаленные от пробоины керамические плитки или их фрагменты вследствие высокой прочности на сжатие смещаются как единое и снижения смещений (сдвигов) с ростом расстояния не происходит.

Очевидным следствием указанных процессов является то, что сдвиги керамического материала относительно опорною слоя могут быть весьма значительными даже на большом удалении от пробоины. Давление в зоне удара ВПЭ составляет несколько гигапаскалей, поэтому силы, сдвигающие керамику, весьма велики. Препятствовать этим сдвигам не может даже высокопрочный клей. Соответственно, материал клеевого слоя подвергается большим сдвиговым деформациям и должен выдерживать их без разрушения. Кроме того, возникающие при деформировании сдвиговые напряжения не должны превышать адгезионную прочность соединения на границе «керамика — клей». Для этого модуль упругости клея не должен быть слишком высоким. Невыполнение перечисленных требований приводит либо к отслоению керамики из-за недостаточной адгезии (рис. 1а), либо к разрушению клеевого слоя (рис. 1б). Предельная сдвиговая деформация клеевых композиций на эпоксидной основе составляет 1-2 %, модуль нормальной упругости — 500-700 МПа. Результаты экспериментальных исследований показывают, что данные параметры не обеспечивают необходимую сохранность клеевого соединения при воздействии ВПЭ.

Фактором, влияющим на уровень возникающих в клеевом слое деформаций и напряжений, является также его толщина: при одинаковых сдвигах керамики деформации клея обратно пропорциональны толщине. Поэтому ее уменьшение отрицательно сказывается на баллистической живучести. Вместе с тем для эпоксидных клеев типа К-153 увеличение толщины клеевого шва приводит к снижению прочностных характеристик клеевого соединения. Эпоксикаучуковые клеи лишены указанного недостатка: начиная с определенных соотношений смоляной и каучуковой фаз с увеличением толщины клеевого шва не наблюдается снижения прочностных характеристик. С другой стороны, чрезмерное повышение толщины приводит к росту массы преграды и может снизить ее баллистическую стойкость вследствие неблагоприятного для керамики уменьшения жесткости подпора со стороны опорного слоя.

Существуют и другие факторы, влияющие на баллистическую живучесть керамикосодержащей брони и способствующие разрушению клеевого состава. К ним относятся ударно-волновые процессы, передающие вызванные ударом поражающего элемента сотрясения на систему «опорный слой — клеевая прослойка — керамика», и локальная деформация опорного слоя в зоне пробоины. К уменьшению неблагоприятного влияния этих факторов также приводит повышение способности клеевой прослойки претерпевать, без разрушения значительные деформации.

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Известно, что повышение деформативности клеевых составов на эпоксидной основе может быть достигнуто путем введения низкомолекулярных (жидких) каучуков в состав связующего [2, 3]. Такие составы, сохраняя достоинства эпоксидов, обеспечивают значительно более высокий уровень предельной деформации разрушения. В связи с этим эпоксикаучуковые клеи рассматриваются как наиболее перспективные для изготовления керамикосодержащих броневых композитов. Предметом настоящей статьи являются результаты работ по исследованию перспектив применения в этом качестве эпоксикаучуковых клеев отечественного производства.

Дня исследования были выбраны клеевые составы марок КДС-11, КДС-19 и ЭКАН-3 производства ФГУП «СКТБ «Технолог» (Санкт-Петербург). Перечень некоторых механических характеристик клеев приведен в табл. 1, куда для сравнения включен также клей марки К-153. В таблице указаны модуль нормальной упругости Е (для клеевых составов модуль упругости не нормируется, поэтому приведенные значения определены расчетным путем и имеют усредненное значение), фактические предельные напряжения при сдвиге τсдв н отрыве σотр клеевых соединений образцов из стали Ст. 3, предельное относительное удлинение при растяжении εраст.

Таблица 1. Характеристики клеевых составов

№ п,п Марка клея (ТУ) Свойства
Е, МПа τСДВ, МПа σОТР, МПа εРАСТ, %
1 К-153
(ТУ 2225-509-00203521-94)
600 9 20 1,5
2 КЛС-11
(ТУ 2252-571-05121441-2011)
250 22 25 4,5
3 КДС-19
(ТУ 2252-571-05121441-2010)
150 16 18 12
4 ЭКАН-3
(ТУ 2252-571-05121441-2010)
30 13 14 40

Из таблицы видно, что эпоксикаучуковые клеи по сравнению с клеем марки К-153 обладают значительно меньшим модулем упругости и существенно более высокой предельной деформацией разрушения. Для исследования поведения клеев и составе керамикосодержащих композитов были проведены испытании клеевых соединений на статический отрыв и на воздействие ВПЭ. В испытаниях использовались следующие материалы, часто применяемые для изготовления корпусных конструкций: стали марок Ст. 3 и 10ХСНД и стеклопластик холодною отверждения на основе стеклоткани Т-11-ГВС-9 и полиэфирного связующего типа ПН-609-21М+ФОМ-II. Кроме того, была рассмотрена возможность изготовления опорного слоя керамикосодержащего композита из стеклопластика горячего прессования на эпоксидной основе СТЭТ-1.
Также учтена возможность изготовления композитов с примене¬нием широкого перечня производимых в России керамических мате¬риалов. В испытанных образцах использованы керамические плитки семи видов. Четыре из них на основе самосвязанного карбида крем¬ния марки КККЗ были изготовлены ФГУП «ЦНИИ Материалов» (Санкт-Петербург) с применением специальной технологии формиро-вания поверхности с повышенной шероховатостью. Два вида керами¬ки — алюмооксидная ТСМ-303 и нитридокремниевая ОТМ-922 — изго¬товлены ФГУП «ОНПП «Технология» (г. Обнинск Калужской области). Алюмооксидная керамика марки Ал 1 изготовлена ООО «Алокс» (Санкт-Петербург).

ИСПЫТАНИЯ НА СТАТИЧЕСКИЙ ОТРЫВ

Испытания на статический отрыв проводились на разрывной машине марки Hounsfield H100KS-120 ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» по методике, в основу которой положен ГОСТ 14760-69. Общее количество испытанных образцов составило 175. Основная часть этих экспериментальных исследований была проведена с образцами, в которых керамика склеивалась со сталью. Результаты отражены на рис. 2. Для четырех клеевых составов показаны графики зависимостей предельного напряжения при отрыве от шероховатости поверхности керамики.

Рис. 2. Прочность на отрыв клеевых соединений «керамика + сталь» при различных шероховатостях поверхности керамики

Рис. 2. Прочность
на отрыв клеевых
соединений
«керамика + сталь»
при различных
шероховатостях
поверхности
керамики

При всех значениях шероховатости наблюдалось примерно одинаковое соотношение между показателями σотр Для разных клеев. По сравнению с эпоксидным клеем К-153 прочность экоксикаучуковых клеевых составов на отрыв отличалась как в большую сторону (КДС I I, прочность примерно на 50% выше), так и в меньшую (на 10% для КДС-19 и на -30% для наиболее деформативного ЭКАН-3). В соединениях со стеклопластиками клеевые соединения проявили примерно такое же соотношение показателей σотр.

Характер влияния шероховатости на статическую прочность клеевых соединений показал следующее. Заметное уменьшение σотр для всех клеев наблюдается при понижении шероховатости керамики ниже величины Ra = 1,5-2 мкм. Отслоение керамики в опытах с такой керамикой наблюдается по границе «клей — керамика», что свидетельствует об отрицательном влиянии понижения шероховатости на адгезию. При Ra > 3-4 мкм рост шероховатости не приводит к существенному повышению прочности соединения.

Наименьшее значение величины σотр для всех клеев в соединениях керамики, как с металлом, так и со стеклопластиком, составило 7 МПа. При максимально возможной толщине керамики данное значение предельного напряжения отрыва обеспечивает достаточную прочность композитов в условиях эксплуатации. Таким образом, проведенные испытания на статический отрыв показали, что все рассматриваемые эпоксикаучуковые клеи обеспечивают эксплуатационную прочность керамикосодержащих конструкций, изготовленных с их применением.

БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

Поскольку проведенные статические испытания показали достаточность эксплуатационной прочности всех рассмотренных эпоксикаучуковых клеевых составов, на стадии экспериментального исследования баллистических свойств керамикосодержащих композитов перечень рассматриваемых клеев был ограничен наиболее деформативными композициями КДС-19 и ЭКАН-3 (для сравнения часть опытов была выполнена также с клеем К-153). В качестве опорного слоя использовались пластины из стали 1ОХСНД толщиной 8 мм и из стеклопластика СТЭТ-1 толщиной 12 мм. Образцы были изготовлены с применением двух видов керамики: на основе самосвязанного карбида кремния КККЗ с различными значениями шероховатости и алюмооксидной керамики Ал 1. Толщина керамики составляла 10 и 12 мм. При изготовлении всех образцов обеспечивалась одинаковая толщина клеевой прослойки (0,5 мм). Часть образцов была изготовлена без защитно-декоративного слоя (такой слой, наклеиваемый па керамику со стороны воздействия ВПЭ, обычно присутствует в составе защитной конструкции). Размеры образцов составляли 300х400 мм. В качестве средства ударного воздействия использовался стальной сферический поражающий элемент. Скорости воздействия ВПЭ для каждой группы образцов были близки к предельной скорости пробития. В общей сложности испытано более 40 образцов разных структур.

Экспериментальное исследование проведено с использованием легкогазовой метательной установки ФГУП «ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова».
Основная цель испытаний заключалась в оценке влияния марки клеевого состава (а также шероховатости поверхности керамики) на баллистическую живучесть керамикосодержащих композитов. В ходе исследований определялось наибольшее количество воздействий ВПЭ, которые способен выдержать каждый образец. Испытания проводились вплоть до полного разрушения керамического слоя или его отслоения от опорного.
Наиболее наглядные различия качественных картин разрушения конструкций, изготовленных с применением различных марок клея и видов керамики, могут быть оценены на основании анализа изображений образцов, не содержавших защитно-декоративного слоя. Его наличие затрудняет объективный контроль состояния клеевого соединения. На рис. 3 показан образец, изготовленный с применением эпоксидного клея К-153 (стальной опорный слой, карбидокремниевая керамика до и после испытаний на воздействие ВПЭ. Образец выдержал однократное ударное воз¬действие, при котором произошло отслоение 12 плиток.

Результаты аналогичных испытаний образца, изготовленного с применением эпоксикаучукового клея ЭКАН-3, показаны на рис. 4 (стальной опорный слой, карбидокремниевая керамика с повышенной шероховатостью поверхности). Образец выдержал шестикратное воздействие ВПЭ, что свидетельствует о резком повышении баллистической живучести в результате применения наиболее деформативного клея и керамики с повышенной шероховатостью поверхности приклейки.

Рис. 3. Образец с клеем К-153 до испытаний и после однократного  воздействия ВПЭ

Рис. 3. Образец с клеем К-153 до испытаний и после однократного воздействия ВПЭ

Результаты испытаний образцов без защитно-декоративного слоя приведены в табл. 2. В таблицу включены данные по образцам со стальным опорным слоем толщиной 8 мм, испытанным при примерно одинаковых скоростях воздействия ВПЭ. Это дает возможность свести количество факторов, влияющих на результаты эксперимента, до двух: выбор клея и характеристика поверхности керамики. Образцы упорядочены в таблице сверху вниз в соответствии с проявленной ими баллистической живучестью. При этом учитывалось не только количество опытов, которые выдержал образец, но и качественное состояние керамического слоя. При таком качественном анализе принимались во внимание, в частности, закономерности уменьшения площади не разрушенной части керамического слоя в процессе испытаний, а также количество частично разрушенного керамического материала, сохраняющего и результате испытаний клеевое соединение с опорным сло¬ем. Это дало возможность выполнять сопоставление по баллистической живучести образцов, выдержавших одинаковое количество воз¬действий осколочных поражающих элементов.

Таблица 2. Влияние марки клея и шероховатости керамики на баллистическую живучесть. Образцы без защитно- декоративного слоя. Опорный слой из стали.

Количество опытов, которые выдержал образец

Марка клея Шероховатость поверхности керамики Ra, мкм

1

К-153 4,0

3

КДС-19

1,5

3

КДС-19

4,0

4

ЭКАН-3

1,5

4

КДС-19

9,0

4 ЭКАН-3

4,0

6 ЭКАН-3

9,0

В табл. 3 аналогичные данные представлены для образцов с опорным слоем из стеклопластика. Из таблиц видно, что при одинаковой шероховатости поверхности наиболее высокий уровень баллистической живучести обеспечивает применение клея ЭКАН-3, средний — КДС-19, наименьший — К-153. При ис¬пользовании одного и того же клея более высокая баллистическая живучесть достигается при применении керамики с большей шероховатостью.

Таблица 3. Влияние марки клея и шероховатости керамики на баллистическую живучесть. Образцы без защитно-декоративного слоя. Опорный слой из стеклопластика.

Количество опытов, которые выдержал образец

Марка клея

Шероховатость поверхности керамики Ra, мкм

5

КДС-19

4,0

5

ЭКАИ-З

1.5

6

‘ЖЛН-1

4.0

Количественные оценки баллистической живучести образцов без защитно-декоративного слоя показали следующее:

  • применение эпоксикаучуковых клеев ЭКАН-З и КДС-19 вместо эпоксидного К-153 приводит к увеличению количества ударных воздействий, выдерживаемых образцом до разрушения, в 3-4 раза. Применение клея ЭКАН-З вместо КДС-19 для изготовле­ния керамикосодержащих образцов приводит к повышению их баллистической живучести. В проведенных экспериментах сред­ний прирост количества ударных воздействий до разрушения об­разца составил 34 %;
  • увеличение шероховатости поверхности керамики в исследуемых пределах приводит при прочих равных условиях к повышению баллистической живучести образцов, изготовленных с примене­нием этой керамики. В проведенных экспериментах повышение шероховатости в диапазоне изменения Raот 1,5 до 9 мкм обеспе­чило средний прирост количества ударных воздействий до разру­шения на 27 %.

В аналогичной форме результаты испытаний керамикосодержа­щих образцов с защитно-декоративным слоем и опорным слоем из стали представлены в табл. 4. Как видно из таблицы, в этом случае замена эпоксидного клея К-153 эпоксикаучуковыми составами ЭКАН-З и КДС-19 приводит к увеличению количества ударных воз­действий, выдерживаемых керамикосодержащим образцом, в 2- 2,5 раза. Применение клея ЭКАН-З вместо КДС-19 для изготовления образцов сопровождается повышением их баллистической живучести примерно на 25 %. Дополнительный ее прирост обеспечивается при­менением керамики с повышенной шероховатостью поверхности.

Таблица 4. Влияние марки клея и шероховатости керамики на баллистическую живучесть. Образцы с защитнодекоративным слоем. Опорный слой из стали.

Количество опытов, которые выдержал образец Марка клея Шероховатость поверхности керамики Ra, мкм
2 К-153 4,0
2 К-153 4,0
2 К-153 4,0
2 К-153 4.0
4 КДС-19 1.5
4 КДС-19 1,5
4 КДС-19 1.5
4 КДС-19 4,0
4 КДС-19 4,0
4 КДС-19 9,0
4 КДС-19 4,0
4 КДС-19 9,0
5 ЭКАН-3 1,5
5 ЭКАН-3 1,5
5 КДС-19 9,0
5 ЭКАН-3 1,5
5 ЭКАН-3 4,0
5 ЭКАН-3 4,0
5 ЭКАН-3 9,0
5 ЭКАН-3 4,0
5 ЭКАН-3 9,0
6 ЭКАН-3 9,0

Сравнение результатов статических и баллистических испытаний показывает, что повышение статической прочности клеевого соединения как путем использования клеев более высокой прочности, так и путем увеличения адгезии клея к соединяемым материалам выше некоторого допускаемого уровня не является фактором, определяющим прочность клеевого соединения в условиях баллистического воздействия. В частности, применение клея КДС-19 обеспечивающего на 25-35 % более высокую, чем ЭКАН-3 статическую прочность соединения, для изготовления керамикосодсржащих защитных преград приводило к обратному, на 25-30%, снижению баллистической живучести (по сравнению с преградами с ЭКАН-3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных испытаний образцов клеевых соединений на статический отрыв и образцов керамикосодсржащих защитных конструкций на воздействие высокоскоростных компактных осколочных элементов могут быть сделаны следующие основные выводы:

  • основным фактором, обеспечивающим рост уровня баллистической живучести керамикосодсржащих защитных конструкций, является использование для соединения керамики с опорным слоем клеевых составов повышенной предельной деформативной спо­собности при достаточной толщине клеевой прослойки. Замена в таких конструкциях клея К-153 с предельной деформацией при растяжении 1,5 % эпоксикаучуковыми клеевыми составами марок КДС-19 и ЭКАН-3 с предельной деформацией 12 и 40 % позволя­ет увеличить количество выдерживаемых конструкцией ударных воздействий не менее чем в 2—4 раза;
  • повышение шероховатости поверхности керамики при использо­вании указанных выше эпоксикаучуковых клеевых составов при­водит к дополнительному приросту баллистической живучести образцов.

Выполненные исследования показали, что высокодеформативные эпоксикаучуковые клеевые составы КДС-19 и ЭКАН-3 являются весьма перспективными для изготовления защитных конструкций.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Роу П. Теоретический смысл и наблюдаемые величины деформационных параметров грунта // Механика. Новое в зарубежной науке. М., 1975. Вып. 2. Определяющие за­коны механики грунтов. Перевод на русский язык.
  2. Гладких С.Н., Кузнецова Л.И Новые конструкционные вибро-, ударопрочные клеи на модифицированных эпоксидных смолах //Клеи. Герметики. Технологии. 2004. № 2.
  3. Сытое В. А., Верстаков А.Е., Воронин А.Е. Системный подход к проблеме создания клеевых соединений // Вопросы материаловедения. 2006. № 2. С. 18-21.

Труды Центрального Научно-Исследовательского Института имени академика А.Н.Крылова, Выпуск №60 (344)

Постоянная ссылка на это сообщение: http://sktb-technolog.ru/cnii_krylova_60/

Добавить комментарий