Наноброня.

Апр 14 2013
+
3
-

А оно нам нано?
Только ленивый не потешался над нанотехнологиями. В России первые наноразработки тоже были связаны с оружием, но долгое время они оставались теоретическими. В 90-е годы, когда сворачивались фундаментальные исследования, наноразработки были приостановлены. Что делается в закрытых исследовательских и внедренческих организациях, мы не узнаем еще очень долго. Роснано и Чубайс после пары бессвязных заявлений о достижениях отечественных нанотехнологий, незаметно укочевали в тень. Известно разве что главное свойство нанооружия -- против него нет другой защиты, кроме нанозащиты.

БМП М2 «Брэдли» с электродинамической защитой после испытаний обстрелом

БМП М2 «Брэдли» с электродинамической защитой после испытаний обстрелом. 

В США уже создан Институт солдатских нанотехнологий - для разработки вооружения и экипировки «солдата будущего».  Например, форма одежды у него будет толщиной всего несколько миллиметров. Ее планируют создать на основе нановолокна из нанополиуретана.  Последний по структуре очень напоминает паутину. Это, по сути дела, мягкая броня, защищающая солдата от неограниченного (!) количества пуль - в отличие от современных бронежилетов, где количество принятых пуль ограничено.
Нанотехнология уже давно и много, начиная с примера. 

 Структура гомогенной брони — волокнистый излом.

Катанная гомогенная броня называется так из-за того, что ее структура и состав однороден во всем ее объеме. В противовес гомогенной стали существует гетерогенная (укрепленная) сталь, лицевая стороная которой усилена на структурном уровне. Лицевая сторона такой стали (получается гетерогенная броня из гомогенной) после термической обработки (закаливания) становится менее пластичной, но более твердой.

Структура гетерогенной брони: слева — твёрдый закалённый слой, справа — мягкий вязкий слой.

То есть упрочнение на наноуровне.
Гарвеевская броня — броневая сталь, лицевая поверхность которой для придания прочности насыщалась углеродом. Нагретый почти до температуры плавления лист выдерживался до нескольких недель в контакте с углеродистым веществом, например древесным углем. После этого путем многократной закалки маслом и водяными брызгами насыщенная углеродом лицевая сторона становилась сверхтвердой, в отличие от более мягкого внутреннего слоя. Этот процесс, получивший впоследствии название цементации (науглероживания), был изобретен американцем Г. Гарвеем в 1890-м году. Кое-что о броне и Макаровском колпачке. Англичане добивались прочности брони путем односторонней термообработки стального листа,т.е. лист проходил закалку по одной поверхности,противоположная оставалась "сырой",таким образом полученный лист стали имел высокую прочность - с одной стороны твердый непробиваемый,с другой мягкий пластичный и упругий. Испытывалась броня путем обстрела.Во время одного из испытаний лист брони повернули не той стороной к орудию и - броня была пробита! Данное обстоятельство было отмечено адмиралом Макаровым (судостроитель,учёный и военный,погиб во время русско-японской войны 1904-1905),он предположил,что если на твёрдый наконечник бронебойного снаряда надеть "колпачок" из мягкой стали,то пробиваемость снаряда станет выше.Что впоследствии подтвердилось опытным путем.Так было положено начало подкалиберным снарядам,у которых твердый сердечник малого, по сравнению с основным,калибра окружен "колпачком" мягкой стали.

Применение гетерогенной брони было очень важно, так как увеличение твердости всей толщи броневого листа приводило к уменьшению его упругости и (как следствие) к увеличению хрупкости. Таким образом, наиболее прочная броня при прочих равных условиях оказывалась очень хрупкой и часто кололась даже от разрывов осколочно-фугасных снарядов. Поэтому на заре броневого производства при изготовлении гомогенных листов задача металлурга заключалась в том, чтобы достичь максимально возможной твердости брони, но при этом не потерять ее упругости.

Как бы то ни было, Ижорский завод освоил выпуск бронепроката небольших толщин (не свыше 80 мм), пригодного для производства танков с нужным качеством. Но как быть с соединением этих листов? Ведь поверхностно закаленные и цементированные листы при сварке корпуса отпускались и коробились в районе швов на сравнительно большой площади (зона отпуска составляла до 4-5 толшин), что затрудняло процесс сборки и ухудшало прочность корпуса в целом. Вести же серийную сборку бронекорпусов на винтах сочли в то время нецелесообразным.

Даже в эксплуатации эти корпуса были менее удачными, чем гомогенные, так как без видимых на то причин в них образовывались трещины (преимущественно в нагруженных швах), да и ставить заплатки на пробоины в цементованных плитах в ходе ремонта было весьма затруднительно.

Также к середине 1930-х в танкостроении научились упрочнять поверхность сравнительно тонких бронеплит неравномерной закалкой, известной с конца XIX века в судостроении как "метод Круппа". Поверхностная закалка приводила к значительному увеличению твердости лицевой стороны листа, оставляя основную толщу брони вязкой. Но в данном случае твердый слой простирался глубже, чем в случае цементации, и составлял от нескольких миллиметров до половины толщины плиты, что было, конечно, хуже, чем цементация, так как при том, что твердость поверхностного слоя была выше, чем при цементации, упругость листов корпуса значительно снижалась.

Так что "метод Круппа" в танкостроении позволял поднять прочность брони даже несколько больше, чем цементация. Но та технология закалки, что применялась для морской брони больших толщин, уже не годилась для сравнительно тонкой брони танков.

До войны этот способ почти не применялся в нашем серийном танкостроении из-за трудностей технологического характера и сравнительно высокой стоимости. Но главное – долгое время не удавалось достичь стабильных результатов (трудности дозирования нагрева и ровного поверхностного охлаждения).

Однако в опытном порядке в 1937-1939 гг. было изготовлено несколько корпусов и башен для танков Т-26, Т-46 и Т-28. Проведенные эксперименты показали, что поверхностная закалка оправдана при толщине листа свыше 30 мм, в случае же более тонкой брони ее упрочнение все же лучше было производить цементацией.

В 50-е годы стало ясно, что дальнейшее повышение защищенности танков не возможно только за счет повышения характеристик броневых стальных сплавов. Особенно это касалось защиты от кумулятивных боеприпасов. Идея использования малоплотные наполнители для защиты от кумулятивных боеприпасов возникло еще во времена Великой Отечественной войны, пробивное действие кумулятивной струи сравнительно невелико в грунтах, особенно это справедливо для песка. Поэтому можно стальную броню заменить слоем песка, зажатого между двумя тонкими листами железа.
На нано технологии конечно мало похоже, поэтому:
Увеличение толщины брони для обеспечения противокумулятивной стойкости танков и соответственно их массы на указанные выше величины были неприемлемы. Решение проблемы по уменьшению массы брони специалисты филиала ВНИИ-100 видели в использовании в составе брони стеклопластика и легких сплавов на основе алюминия и титана, а также их комбинации со стальной броней. 

В составе комбинированной брони алюминиевые и титановые сплавы впервые были использованы в конструкции броневой защиты танковой башни, в которой специально предусмотренная внутренняя полость заполнялась алюминиевым сплавом. С этой целью был разработан специальный алюминиевый литейный сплав АБК11, не подвергаемый после литья термической обработке (из-за невозможности обеспечения критической скорости охлаждения при закалке алюминиевого сплава в комбинированной системе со сталью). Вариант «сталь + алюминий» обеспечивал при равной противокумулятивной стойкости уменьшение массы брони в два раза по сравнению с обычной стальной.
Опять не нано.
Поэтому в дальнейшем были проведены испытания трехслойных броневых преград «сталь+алюминий+сталь», «титан+алюминий+титан». Выигрыш по массе несколько сократился, но все равно оставался достаточно значительным: комбинированная броня «титан+алюминий+титан» по сравнению с монолитной стальной броней при одинаковом уровне броневой защиты при обстреле 115-мм кумулятивными и подкалиберными снарядами обеспечивала сокращение массы на 40%, сочетание «сталь+алюминий+сталь» давало 33% экономии массы.
Вообще не нано.
Являясь разновидностью конструктивной брони, комбинированная броня с керамическим лицевым слоем и подложкой из армированного пластика обладает рекордной стойкостью к действию бронебойных пуль при обстреле под малыми углами от нормали, что непосредственно связано с высокой (не менее 70 единиц по шкале Роквелла, HRC ) твердостью, малой массовой плотностью керамического слоя. В условиях обстрела комбинированной брони под углами, близкими к нормали, её масса (сравнивается поверхностная плотность, кг/м²) в 2-3 раза меньшей массы равностойкой стальной брони высокой твердости. Именно поэтому такая броня первоначально, еще в 1960-е годы, нашла применение для защиты экипажей и некоторых уязвимых агрегатов вертолётов, низкая скорость которых и действие в зонах досягаемости огня пехотного оружия, при практически круговом обстреле, обуславливают благоприятные для этого вида брони условия взаимодействия с поражающим средством.
Хорошо, но не нано.
Конечности тропического рака, которыми он разбивает раковины моллюсков, выдерживают огромные нагрузки. Руководство Военно-воздушных сил США надеется, что их изучение позволит создать новый тип брони.

Рачок из отряда ротоногих (Stomatopoda) подсказал ученым идею новой брони, легкой и высокопрочной. Результаты изучения микроструктуры ударных конечностей беспозвоночного опубликованы в журнале Science.

Ротоногих называют также раками-богомолами из-за особого строения их грудных ног. Одна группа этих животных имеет на конце второй пары грудных конечностей заостренные сегменты. Ими раки прокалывают свою добычу. У другой группы, к которой относится тропический рачок Odontodactylus scyllarus, ставший объектом исследований, сегменты второй пары грудных ног утолщены в виде молоточка. Этим молоточком Odontodactylus разбивает твердые покровы моллюсков и других рачков.

Молоточки рака выдерживают очень большую нагрузку. Скорость их движения в воде составляет 23 в метра в секунду, что выше скорости мелкокалиберной пули. За жизнь рака его конечности-молоточки наносят в общей сложности больше 50 тысяч ударов. Удары рака-богомола столь сильны, что ученые завели в своей лаборатории особый аквариум, опасаясь, что рак может разбить стекло.

Ученые выяснили, что покровы молоточков состоят из трех зон, различающихся микроструктурой и химическим составом. Внешняя зона образована кристаллами гидроксиапатита, ориентированными в определенном порядке. Гидроксиапатит также входит в состав костей позвоночных. Внутренняя зона выстлана слоями минерализованного хитина, залегающими в разных направлениях, что придает ей слоистость. Наконец, боковая зона также состоит из хитиновых волокон, скрепляющих весь молоточек.

Структура молоточка позволяет ему эффективно поглощать удар, при этом не разрушаясь и не трескаясь. Исследователи надеются, что изучение строения конечностей рака поможет им разработать новый тип брони. Под эти цели они уже получили 590 тысяч долларов от Исследовательского центра Военно-воздушных сил США.
О, как! Ну что же, бог помощь. Продолжим  в поисках рядового нано.
Таким образом, на рубеже 60-х — 70-х г.г. XX века появилась задача создания низкоплотных полимерных материалов, обладающих соизмеримым с высокопрочной сталью пределом прочности, которые пришли бы на замену стальному листовому прокату, полимерные материалы, ввиду своих физико-механических свойств, лучше поглощают и рассеивают ударно-волновую энергию взаимодействия средства поражения с защитной структурой преграды, чем гомогенная высокоуглеродистая сталь. Такой материал был впервые разработан американской фирмой «Dupont» и был назван «параарамидным волокном», имевшим предел прочности такой же, как у конструкционной стали, а физическую плотность рар=1,43 г/см3, что более чем в 5 раз легче стали. Из параарамидного волокна сделали нить линейной плотности 110 текс. (масса нити в граммах на 1000 м длины), которая получила торговую марку «Kevlar®29», и соткали полотно удельной массой 255 г/м2.
Работа над электромагнитной защитой началась в СССР в институте гидродинамики имени Лаврентьева в конце 1970-х годов и проводилась в США в "Максвелл лабораториз" в Калифорнии и франко-германском научно-исследовательском институте Сент-Луис в 1980-е годы. Активно разработки ведутся и в наши дни.

В обычном случае, электромагнитная броня имеет две расставленные на довольно большом расстоянии пластины, одна из которых соединена с конденсаторной батареей высокого напряжения, а другая заземлена. Когда при ударе кумулятивная струя пробивает пластины, она действует между ними как замыкатель и инициирует разряд электрической энергии, который вызывает большой импульс тока в ней. Это создает магнитомеханические неустойчивости в струе, что приводит к ее разрушению и резко снижает ее пробивную способность.

Электромагнитная броня предназначена для защиты против сердечников подкалиберных снарядов, а также против кумулятивных струй. Как и в случае с кумулятивной струёй, прохождение через сердечники очень больших электрических токов также вызывает нестабильности флуктуирования и расширения, что может привести к разрушению подкалиберных снарядов.

Сейчас существуют несколько подходов к созданию электромагнитной защиты: Непосредственная электризация и электромагнитный пуск метательных пластин, электротермическая защита, основанная на пиролизации в плазму рабочего материала. Они делятся по принципу активации на самоактивирующиеся (непосредственная электризация, электротермическая защита) и не самоактивирующиеся, которые воздействуют на атакующий беприпас предварительно обнаружив его при помощи радара или  матрицы (Метательные пластины, «умная броня»). 
Очень умная, но не нано.
За последние годы в ОАО «НИИ стали» были разработаны защитные структуры 6а класса с поверхностной плотностью 36–38 килограммов на квадратный метр на основе карбида бора производства ВНИИЭФа (Саров) на подложке из высокомолекулярного полиэтилена. ОНПП «Технология» при участии ОАО «НИИ стали» удалось создать защитные структуры 6а класса с поверхностной плотностью 39–40 килограммов на квадратный метр на основе карбида кремния .

Высокую живучесть можно получить путем применения дискретного керамического слоя, то есть слоя, состоящего из небольших цилиндриков. Такие бронепанели изготавливает, например, фирма TenCate Advanced Armor и другие компании. Однако эта структура скорее соответствует применению в защите военной техники. В любом случае при прочих равных условиях они примерно на десять процентов тяжелее панелей из плоской керамики.

  Близко, но не то.

Как не странно, гетерогенная броня ближе всего к понятию наноброня. Именнн там, защитный слой стремится к бесконечно малой величине. Но на уровне существующих технологий добиться этого невозможно. Вынести точку силы за пределы броневого листа невозможно. 
Один из теоретических вариантов наноброни дарю всем кому не лень обсудить и придумать свой слой. 
По сути это фрактальномикроструктурированный слой многомерной многослойной карбидовольфрамовой брони с кевларовым напыленим. Объясню на пальцах, а если и сподоблюсь нарисую, картинку. От рационального наклона броневого листа, по идее, снаряд должен рикошетом уходить, но есть закусывание, разрыв кумулятивного и т.д.. Но если точка будет настолько скользкой, что будет ускользать от закусывания, то любой снаряд у скользнёт без разрыва. Как? Представим, для простоты, танк в виде шара. Идеальной точкой для пробития брони может быть только одна, ближайшая точка танка к противнику, но она постоянно меняется и вычислить её практически не возможно, так как даже при прочих равных условиях они ежесекундно меняются. Вот и представим поверхность в виде полусферических структур фрактально повторяющихся от сантиметра до наноуровня. Рикошет практически обеспечен, а если увеличивать наклон листа, то никакие современные гиперпуперкумулятивные подкалиберные гиперзвуковые не пробьют броню. Но это на нынешнем уровне.
Если   без шуток, то в итоге я сделал маленькое изобретение. Но этот вариант бронирования и структуры брони даже не упомянут в посте. 

Всё по Суворову

Рацпредложение

Совсем короткая история про люк

Против Т-34 немецкие машины были г***о. Капитан А. В. Марьевский

«Вот вам, дорогие товарищи, по свечке. Вставляйте их себе куда положено!».….

Бокасса I - африканский император из Франции

Т-90СМ это БТ-7М 2013 года?

Альтернативный БТ-БХ (болотоход) - специализированный болотный танк.

Мариман или альтернативный плавающий танк.

О неисполнении приказа.

БТ-мания

Nuclear mining U.S. and international financial centers.(Атомное минирование США и международных финансовых центров.)

Anonymous war (Анонимная война).

Königsberg или Калининград? Как правильно?

Двери.

Anonymous war. ЦРУ против Фиделя Кастро

Стахановец. Танк по цене маргарина

Anonymous war. Империя наносит ответный удар

20000000000 $ на военные расходы или Масквабад - третий Рим. ФРС рулит.

Т-55СМ. Сирия Модернизированный.

Колокола. Hans Kammler

Свастика - что она обозначает по настоящему

России не нужны новые танки? Или кому нужен опыт ошибок в танкостроении перед Второй Мировой.

Траповые

Танк невидимка. ИС.

В. Б. Резун - Ледокол Советского Союза!

Ныряние в пилотку за полцены маргарина.

Пламенный привет от Тухачевского!

М. Н., М. Н. или нереализованный потенциал советской артиллерии на кануне Второй Мировой

Наноброня.

BT-7MSH-85 FINAL EDITION

Золото - направление главного удара.

Два лучше, чем четыре?

Некоторые вопросы о вине Сталина и "Комсомольце"

Иерихонские трубы.

Comment viewing options

Выберите нужный метод показа комментариев и нажмите "Сохранить установки".
Wervolf's picture
Submitted by Wervolf on Tue, 21/05/2013 - 10:24.

Как бы то ни было, Ижорский завод освоил выпуск бронепроката небольших толщин (не свыше 80 мм), пригодного для производства танков с нужным качеством. Но как быть с соединением этих листов? Ведь поверхностно закаленные и цементированные листы при сварке корпуса отпускались и коробились в районе швов на сравнительно большой площади (зона отпуска составляла до 4-5 толшин), что затрудняло процесс сборки и ухудшало прочность корпуса в целом. Вести же серийную сборку бронекорпусов на винтах сочли в то время нецелесообразным.

Даже в эксплуатации эти корпуса были менее удачными, чем гомогенные, так как без видимых на то причин в них образовывались трещины (преимущественно в нагруженных швах), да и ставить заплатки на пробоины в цементованных плитах в ходе ремонта было весьма затруднительно.

Также к середине 1930-х в танкостроении научились упрочнять поверхность сравнительно тонких бронеплит неравномерной закалкой, известной с конца XIX века в судостроении как "метод Круппа". Поверхностная закалка приводила к значительному увеличению твердости лицевой стороны листа, оставляя основную толщу брони вязкой. Но в данном случае твердый слой простирался глубже, чем в случае цементации, и составлял от нескольких миллиметров до половины толщины плиты, что было, конечно, хуже, чем цементация, так как при том, что твердость поверхностного слоя была выше, чем при цементации, упругость листов корпуса значительно снижалась.

Так что "метод Круппа" в танкостроении позволял поднять прочность брони даже несколько больше, чем цементация. Но та технология закалки, что применялась для морской брони больших толщин, уже не годилась для сравнительно тонкой брони танков.

До войны этот способ почти не применялся в нашем серийном танкостроении из-за трудностей технологического характера и сравнительно высокой стоимости. Но главное – долгое время не удавалось достичь стабильных результатов (трудности дозирования нагрева и ровного поверхностного охлаждения).

Однако в опытном порядке в 1937-1939 гг. было изготовлено несколько корпусов и башен для танков Т-26, Т-46 и Т-28. Проведенные эксперименты показали, что поверхностная закалка оправдана при толщине листа свыше 30 мм, в случае же более тонкой брони ее упрочнение все же лучше было производить цементацией.

Мы живём в лучшем из миров альтернативы, а остальные альтернативные миры нам завидуют.

Wervolf's picture
Submitted by Wervolf on Tue, 21/05/2013 - 05:53.

Применение гетерогенной брони было очень важно, так как увеличение твердости всей толщи броневого листа приводило к уменьшению его упругости и (как следствие) к увеличению хрупкости. Таким образом, наиболее прочная броня при прочих равных условиях оказывалась очень хрупкой и часто кололась даже от разрывов осколочно-фугасных снарядов. Поэтому на заре броневого производства при изготовлении гомогенных листов задача металлурга заключалась в том, чтобы достичь максимально возможной твердости брони, но при этом не потерять ее упругости.

Мы живём в лучшем из миров альтернативы, а остальные альтернативные миры нам завидуют.

putnik-ost's picture
Submitted by putnik-ost on вс, 14/04/2013 - 18:08.

Только ленивый не потешался над нанотехнологиями. 

Ну это когда Чубайс и чубайсята в Сколково ножовкой пилят.  Один мой знакомый, у себя на производстве, сделал установку по домалыванию цемента до 10-9. Прочность бетонов увеличилась в два-четыре раза(в зависимости от присадок). Фишка в том, что  можно выполнять очень интересные арочные и купольные конструкции, установка обладает хорошим ресурсом и стоит на порядок дешевле буржуйских аналогов(если я не путаю, лет несколько назад говорили по этой теме)

blacktiger63's picture
Submitted by blacktiger63 on вс, 14/04/2013 - 13:21.

"Вот и представим поверхность в виде полусферических структур фрактально повторяющихся от сантиметра до наноуровня"
Э-ээ, как бе есть слухи, что сферы из стеклокрамики лет 30-40 применяются в ВЛД сов. танков, например в Т-72.

Вот я не помню. забыл я это, или нет

Wervolf's picture
Submitted by Wervolf on Sat, 20/04/2013 - 09:01.

знаем это противокумулятивные наполнители 

Мы живём в лучшем из миров альтернативы, а остальные альтернативные миры нам завидуют.