Надёжнее стали: как появилась кевларовая ткань, способная уберечь от пули
Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.
Кевлар — это общепринятое в обществе название армидной ткани — то есть, такой, которая производится из пара-армидного волокна. Фактически он представляет собой синтетический продукт специального назначения, который зачастую используется для создания спецодежды и средств индивидуальной защиты. Такой спектр его применения обуславливается его уникальными характеристиками, в первую очередь, поразительной прочностью.
История создания этого уникального материала началась в 1964 году в американской химической компании Dupont. Тогда тамошние специалисты занимались довольно интересной работой: им было необходимо разработать прочные, но легкие полимерные нити, которыми в последствии можно было бы заменить тяжелый стальной корд в автомобильных шинах. Конечной целью такого решения стала бы экономия топлива. Среди химиков компании над этой задачей билась и группа Стефани Кволек. Они работали с полиарамидами стержнеобразной формы молекулы.
В процессе работы над созданием полимерных волокон из полиарамида, который трудно плавится, пришлось остановиться на технологии прядения из раствора. Долгое время Кволек пыталась найти необходимый для этого растворитель, однако тот, что она подобрала, не устроил инженера-прядильщика, ведь был не таким, который использовали обычно ни по консистенции, ни по примесям, и тот боялся, что в результате его применение может пострадать оборудование. После долгих уговоров инженер всё-таки согласился попробовать, и то, что получилось, впечатлило всех — нить успешно вытягивалась, а её прочность ещё до этапа проверок на приборах была довольно многообещающей.
Полученные волокна были отправлены на тестирование. Однако увидев результаты, Стефани Кволек сначала и вовсе подумала, что оборудование неисправно — показатели были настолько высокими, что в них попросту никто не поверил. И только когда повторные измерения подтвердили первые цифры, стало понятно: новый материал имеет настолько феноменальные, что по прочности на разрыв превосходил металл в несколько раз. Полную технологию изготовление волокна и ткани, получившие название кевларовые, разработали в 1965 году, а через несколько лет его стали производить уже в промышленных масштабах.
С тех пор, как кевлар стали изготовлять массово, у него появилось несколько разновидностей, каждая из которых отличается уникальными характеристиками, сферой применения и даже цветом. Основными же видами, которые и используются чаще всего, являются семь:
Сегодня сфера применения кевлара просто огромна: из него изготавливают тросы, детали и кузова транспорта, паруса, лыжи и даже теннисные ракетки. Но всё-таки, самой известной и распространённой областью использования сверхпрочной ткани стало производство защитного обмундирования для военнослужащий, полицейских, пожарных и многих других. Именно бронежилеты из кевлара сегодня считаются самыми надёжными. И пока ни одна из инновационных разработок, призванных превзойти этот материал по прочности, не сумели это сделать в промышленных масштабах. 
Среди менее известных непосредственных достоинств кевлара можно выделить способность выдерживать температуру до 500 градусов. Кроме того, материал может защитить от брызг расплавленного металла, контакта с другими раскаленными поверхностями и даже — пусть и временно — от открытого пламени. Поэтому кевлар давно стал неотъемлемым элементом при изготовлении защитных костюмов для пожарных и металлургов. Высокие же показатели по упругости дали ему возможность использоваться в автомобильной промышленности и спортивной сфере. А гигроскопичность, то есть способность к воздухообмену, и безопасность в плане химического состава позволяет использовать материал для одежды и обуви специального назначения, а также различных ортопедических гаджетов.Читайте также: Расход ткани для боди
Но, как и у любого материала, кевлар обладает и недостатками. Так, арамидное волокно при длительном нагревании или пребывании под прямыми солнечными лучами теряет свою знаменитую прочность. Правда, это в случает, если его интенсивно эксплуатировать в течение сотен часов подряд. Потеря некоторых своих уникальных свойств может застать кевлар при длительном намокании, поэтому отдельные его модификации специально готовят для таких условий с помощью пропиток необходимыми составами. Впрочем, все эти минусы не способны повлиять на статус кевларовой ткани, который она вот уже много лет носит — одного из самых прочных материалов на планете. В дополнение к теме: необычной историей появления могут обладать и самые обыкновенные солдатские штаны Хочешь узнать больше о том, что из себя представляет основной элемент защитного обмундирования военного? Тогда читай: Как устроен бронежилет и на что он способен в боевых ситуациях Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми: Источник
Доспехи бога: технологии для перспективных средств индивидуальной бронезащиты
Существует мнение, что проблема непробиваемости СИБ является надуманной, поскольку при попадании пули в противника он либо будет настолько травмирован, что не сможет дальше активно вести боевые действия, либо попадание придётся в незащищённую бронеэлементами часть тела. Судя по программе NGSW, ВС США данную проблему надуманной не считают. Проблема в том, что темпы совершенствования перспективных СИБ в настоящее время существенно опережают темпы совершенствования стрелкового оружия. И ВС США как раз пытаются совершить прорыв в направлении радикального совершенствования характеристик стрелкового оружия, вопрос в том, получится ли у них это? Существует два основных пути повышения бронепробиваемости боеприпаса – повышение его кинетической энергии и оптимизация формы и материала боеприпаса/сердечника боеприпаса (разумеется, речь не идёт о разрывных, кумулятивных или отравленных боеприпасах). И здесь мы фактически упираемся в определённый предел. Пуля или сердечник для неё изготавливаются из керамических сплавов высокой твёрдости и достаточно высокой плотности (для повышения массы), твёрже и прочнее сделать их можно, плотнее вряд ли. Повышение массы пули путём увеличения её габаритов также практически невозможно в приемлемых габаритах ручного стрелкового оружия. Остаётся повышение скорости пули, например, до гиперзвуковой, но и в этом случае разработчики сталкиваются с огромными трудностями, в виде отсутствия необходимых порохов, крайне быстрого износа ствола и высокой отдачи, действующей на стрелка. Тем временем совершенствование СИБ идёт куда интенсивнее.
Материалы
С момента своего появления средства индивидуальной бронезащиты проделали огромный путь от стальных кирас и пластин до современных бронежилетов из арамидной ткани со вставками из сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности (СВМПЭ) и карбида бора. 
Совершенствование СИБ идёт в направлениях поиска новых материалов, создания композитных и металлокерамических бронеэлементов, оптимизации формы и структуры элементов СИБ, в том числе на микро- и наноуровне, что позволит эффективно рассеивать энергию пуль и осколков. Прорабатываются и более экзотические решения, такие как «жидкая броня» на основе неньютоновских жидкостей. Наиболее очевидным путём является совершенствование традиционных конструкций бронежилетов за счёт их усиления вставками из перспективных композитных и керамических материалов. В настоящий момент большая часть СИБ укомплектована вставками из термоупрочнённой стали, титана или карбида кремния, но постепенно идёт замена на бронеэлементы из карбида бора, обладающие меньшей массой и существенно большей стойкостью. 
Структура
Другим направлением совершенствования СИБ является поиск оптимальной структуры размещения бронеэлементов, которые с одной стороны должны прикрывать максимальную площадь поверхности тела бойца, а с другой стороны не сковывать его движения. В качестве примера, пусть не совсем удачной, но интересной разработки, можно привести бронежилет «Шкура дракона» (Dragon Skin), разработанный и производимый американской фирмой Pinnacle Armor. В бронежилете «Шкура дракона» реализовано чешуйчатое расположение бронеэлементов. Скреплённые диски из карбида кремния диаметром 50 мм и толщиной 6,4 мм обеспечивают удобство ношения данного СИБ за счёт определённой гибкости конструкции и одновременно достаточно большую площадь защищаемой поверхности. Также данная конструкция обеспечивает устойчивость к многократным попаданиям пуль, выпущенных из стрелкового оружия с ближнего расстояния – «Шкура дракона» выдерживает до 40 попаданий из пистолета-пулемёта Heckler & Koch MP5, винтовки M16 или автомата Калашникова (вопрос только, сколько из чего и каким патроном?).
Читайте также: Итальянские ткани в интерьере
Недостатком бронежилетов «чешуйчатой» схемы расположения бронеэлементов является практически полное отсутствие защиты бойца от запреградной травмы, что приводит к тяжким ранениям или смерти военнослужащих даже без пробития СИБ, вследствие чего бронежилеты данного типа не прошли испытания армии США. Тем не менее они используются некоторыми спецподразделениями и специальными службами США. Аналогичная «чешуйчатая» схема была реализована в предназначенном для экстремальной защиты от холодного оружия советском бронежилете ЖЗЛ-74, в котором использовались бронеэлементы-диски диаметром 50 мм, толщиной 2 мм из алюминиевого сплава АБТ-101. 
Несмотря на недостатки СИБ «Шкура дракона», чешуйчатое расположение бронеэлементов может быть применено в комбинации с другими типами бронезащиты и амортизирующих элементов для уменьшения запреградного воздействия пуль и осколков. Учёные из американского Университета Райса разработали необычную структуру, которая позволяет объекту более эффективно поглощать кинетическую энергию, чем монолитный объект из того же сырья. Основой для научной работы стало изучение свойств сплетений углеродных нанотрубок, обладающих сверхвысокой плотностью за счёт особого расположения нитей, с полостями на атомном уровне, что позволяет им с высокой эффективностью поглощать энергию при столкновении с другими объектами. Поскольку полностью воспроизвести такую структуру на наноуровне в промышленных масштабах пока не представляется возможным, было принято решение повторить такую структуру в макроразмерах. Исследователи использовали полимерные нити, которые можно распечатать на 3D-принтере, но расположили их по той-же системе, что и нанотрубки, и в итоге получили кубики с высокой прочностью и сжимаемостью. 
Чтобы проверить эффективность структуры, учёные создали второй объект из того же материала, но монолитный, и в каждый из них запустили по пуле. В первом случае пуля остановилась уже на втором слое, а во втором прошла гораздо глубже и нанесла урон всему кубу – он остался целым, но покрылся трещинами. Пластиковый куб с особой структурой также поставили под пресс, чтобы протестировать его прочность под давлением. Во время эксперимента объект сжался как минимум в два раза, но его целостность не нарушилась. Деформация куба из полимерных нитей
Пенометалл
Говоря о материалах, свойства которых во многом определяются структурой, нельзя не упомянуть о разработках в области пенометалла – металлической или композитной металлической пены. Пенометалл может быть создан на основе алюминия, стали, титана, других металлов или их сплавов. 
Специалисты Университета Северной Каролины (США) разработали стальной пенометалл со стальной же матрицей, заключив его между верхним керамическим слоем и тонким нижним слоем алюминия. Пенометалл толщиной менее 2,5 см останавливает бронебойные пули калибра 7,62 мм, после которых на задней поверхности остается лунка менее 8 мм. Попадание пули в блок из пенометалла (в подписи к ролику написано про пулю калибра 12,7 мм, но в ряде других источников указано 7,62 мм) Кроме всего прочего, пенометаллическая пластина эффективно снижает воздействие рентгеновского, гамма- и нейтронного излучения, а также защищает от огня и тепла вдвое лучше обычного металла. Другой материал с полой структурой – сверхлёгкая форма пенометалла, создан компанией HRL Laboratories совместно с Boeing. Новый материал в сто раз легче пенопласта – он на 99,99% состоит из воздуха, но обладает крайне высокой жёсткостью. По утверждению разработчиков, если этим материалом покрыть яйцо, и оно упадёт с высоты 25-ти этажей, то не разобьётся. Полученный пенометалл настолько лёгок, что может лежать на одуванчике. 
В прототипе используются полые никелевые трубки, соединённые между собой, структура расположения которых похожа на структуру человеческих костей, что позволяет материалу поглощать много энергии. Толщина стенки каждой трубки составляет порядка 100 нанометров. Вместо никеля в перспективе могут применяться другие металлы и сплавы. Презентация пенометалла компаний HRL Laboratories и Boeing Данный материал или его аналог, как и вышеупомянутый структурированный полимерный материал, могут быть рассмотрены для применения в перспективных СИБ в качестве элементов лёгкого и прочного амортизирующего подпора, предназначенного для минимизации повреждений, наносимых организму запреградным воздействием пуль.
Читайте также: Депонирующая функция ткани это
Нанотехнологии
В России слово «нанотехнологии» изрядно дискредитировано политиками и СМИ, поминающими его к месту и не к месту, в результате чего оно уже больше ассоциируется с коррупцией, чем с наукой. В тоже время нанотехнологии, манипуляция объектами на атомном и молекулярном уровне, создание веществ с заданной структурой, способны совершить переворот в промышленности и технологиях, равного которому не было в истории человечества. Интересующимся можно порекомендовать книгу «Машины созидания» одного из основоположников нанотехнологий Эрика Дрекслера. Одним из самых перспективных материалов, которому прочат широкое применение в различных отраслях промышленности XXI века, является графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Испанские специалисты разрабатывают бронежилет, в основе которого лежит графен. Разработки графеновой брони стартовали в начале двухтысячных годов. Результаты исследований признаны многообещающими, в сентябре 2018 года разработчики перешли к практическим испытаниям. Проект финансируется Европейским оборонным агентством и продолжаются в настоящее время, в работе участвуют специалисты британской компании Cambridge Nanomaterials Technology. 
Аналогичные работы ведутся в США, в частности Университетом Райса и Университетом Нью-Йорка, где проводились эксперименты по обстрелу листов графена твёрдыми предметами. Бронеэлементы из графена предположительно будут значительно прочнее кевларовых и будут комбинироваться с керамической бронёй для получения наилучшего результата. Наибольшую сложность представляет производство графена в промышленных количествах. Однако, учитывая потенциал этого материала в разных отраслях промышленности, можно не сомневаться, что решение будет найдено. По инсайдерской информации, появившейся на страницах профильных СМИ в декабре 2019 года, компания Huawei планирует в начале 2020 года выпустить на рынок смартфон P40 с графеновым аккумулятором (с графеновыми электродами), что может говорить о существенных подвижках в области промышленного производства графена. В конце 2007 года израильские ученые создали самовосстанавливающийся материал на основе наночастиц дисульфида вольфрама (соль металла вольфрама и сероводородной кислоты). Наночастицы дисульфида вольфрама представляют собой слоистое фуллерено-подобное или нанотубулярное образование. Нанотубулены обладают рекордными механическими характеристиками, принципиально недостижимыми для других материалов, удивительной гибкостью и прочностью, находящейся на грани прочности ковалентных химических связей. 
Возможно, что в перспективе бронежилеты с наполнением из данного материала могут превзойти по характеристикам все другие существующие и перспективные образцы СИБ. В настоящий момент разработки СИБ на основе нанотрубок дисульфида вольфрама находятся в стадии лабораторных исследований из-за дороговизны синтеза исходного материала. Тем не менее, некая международная компания уже производит наночастицы дисульфидов вольфрама и молибдена в количестве многих килограммов в год по запатентованной технологии. Крупная британская оборонная компания Bae Systems разрабатывает геленаполненный бронежилет. В геленаполненном бронежилете предполагается пропитать арамидное волокно неньютоновской жидкостью, обладающей свойством мгновенно твердеть при ударных воздействиях. Считается что «жидкая броня» является одним из наиболее перспективных направлений разработки перспективных СИБ. Такие работы ведутся и в России применительно к перспективному комплекту экипировки бойцов «Ратник-3». 
Простейшую неньютоновскую жидкость может сделать практически любой – достаточно смешать крахмал с водой, с бронежилетами всё, конечно, сложнее. Таким образом, можно сделать вывод о том, что перспективные СИБ планируется создавать с использованием новейших технологий, находящихся на острие технического прогресса. Если же говорить о стрелковом оружии, то здесь такого буйства технологий не наблюдается. Что является причиной этого, отсутствие потребности или консерватизм оружейной сферы? Многие проекты перспективных СИБ безусловно зайдут в тупик, но часть из них обязательно «выстрелит», и возможно сделает устаревшим всё стрелковое оружие XX века, как в своё время устарели луки, арбалеты и дульнозарядное стрелковое оружие. Кроме того, бронежилет не единственный важный элемент экипировки бойца, который способен радикально повысить его выживаемость в бою. О том, какие ещё элементы экипировки повысят выживаемость бойцов на поле боя и почему это приведёт к увеличению значения стрелкового оружия, поговорим в следующем материале. Вкупе это позволит нам понять, почему необходимо создавать стрелковое оружие, обеспечивающее пробитие существующих и перспективных СИБ, и почему не стоит на этом экономить. Источник
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом
- Правообладателям
- Политика конфиденциальности