слоистая структура

Формула изобретения

1. Слоистая структура, содержащая прочный корпус, в котором размещена защита из теплостойкого материала и материала, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойством поглощать тепло, отличающаяся тем, что в слоистую структуру введен слой из высокотвердого неметаллического материала, на внешней стороне которого по отношению к защищаемому объекту установлен слой из термостойкого материала, защита объединена в единый слой и установлена на внутренней стороне слоя из высокотвердого неметаллического материала, вплотную к защите установлена подложка из не менее двух слоев, первый - из материала с относительным удлинением не менее 20%, прочностью при растяжении от 100 до 360 МПа, второй - из материала с относительным удлинением не более 25%, прочностью при растяжении не менее 370 МПа, все слои окружены слоем из упругого неметаллического материала, например шпатлевки, эластомера или резины, при этом толщиты слоев выбраны в следующих соотношениях:

h₁=(0,025-0,3)h ₂, h₃=(1-20) h₁, h₄=(0,15-0,5) h₂, h₅=(0,25-2)h₄,

где h₁ - толщина слоя из термостойкого материала;

h₂ - толщина слоя из высокотвердого неметаллического материала;

h₃ - толщина слоя защиты из теплостойкого материала и материала, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойством поглощать тепло;

h₄ - толщина подложки;

h₅ - толщина слоя из упругого неметаллического материала.

2. Слоистая структура по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе выполнены каналы и установлены клапаны для отвода тепловой энергии и газовой составляющей, выделяющейся из слоев.

3. Слоистая структура по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что она выполнена по форме защищаемого объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам защиты транспортных и стационарных устройств от несанкционированных воздействий, включая и террористические акты, и может использоваться в различных областях техники и промышленности: в атомной, машиностроении, в банковском деле и др.

Известен несгораемый контейнер (патент США № 3709169, МПК E 05 G 1/2, НКИ 109-29, опубл. 09.01.1973), предназначенный для защиты ценных вещей, например ценных бумаг, от воздействия огня или интенсивного теплового воздействия. Внутри контейнера предусмотрена теплоизоляционная защита, состоящая из наружного слоя теплостойкого материала, например керамического волокна, и внутреннего слоя абсорбирующего материала, например стеклянной бумаги, насыщенной водой. Внутренний слой помещен в водонепроницаемый кожух, например из полиэтилена, который разрушается под воздействием повышенных температур. Как правило, вентиляционные устройства позволяют пару, который образуется под действием интенсивного тепла во внутреннем слое теплоизоляционной защиты, переходить внутрь емкости и вызывать дальнейшее замедление температуры путем поглощения тепла. Вентиляционные устройства обеспечивают медленный выход пара из емкости через канал, образованный между крышкой и собственно емкостью, благодаря чему замедляется распространение тепла внутрь через этот канал. В предпочтительном варианте насыщенный водой удлиненный волокнистый абсорбирующий материал располагается между наружной рамой и внутренней емкостью в месте, подверженном передаче тепла с высокой скоростью, например, вдоль стойки между наружной рамой и внутренней емкостью.

Недостатками такой защиты являются:

- возможность испарения воды через отверстия в кожухе, образованные при механическом повреждении, что при последующем нагреве не будет приводить к замедлению повышения температуры путем поглощения тепла от процесса парообразования, тем самым ухудшаются теплозащитные свойства и исключается возможность многократного использования защиты;

- контейнер не является стойким к комплексному воздействию различных средств взлома (механического, пулевого, теплового).

Известен теплозащитный корпус для предохранения одного из нескольких термочувствительных изделий от воздействия повышенной температуры окружающей среды (заявка ФРГ № 3432789, МПК G 12 B 17/06, опубл. 04.11.1985). Термочувствительное изделие или несколько таких изделий помещены во внутреннюю полость наружного каркаса. По поверхности первой внутренней полости распределен первый термоизолятор в форме термооблицовки, создающий вторую внутреннюю полость. Термочувствительное изделие удерживается на расстоянии от стенок второй внутренней полости. Первый термоизолятор изготовлен из твердого вещества, сохраняющего свое состояние при воздействии на корпус повышенной температуры окружающей среды. По меньшей мере часть второй внутренней полости занимает второй термоизолятор, в котором предохраняемые термочувствительные изделия размещены как в кожухе. При определенной температуре второй термоизолятор переходит из твердого состояния в жидкое. Температура фазового перехода подобрана таким образом, чтобы второй термоизолятор оставался в твердом состоянии пока на корпус не воздействует повышенная температура. При повышении температуры окружающей среды термоизолятор переходит в жидкое состояние.

Недостатком такого теплозащитного корпуса является следующее:

- при комплексном воздействии на корпус поражающих факторов (прострел, просверливание с последующим разогревом и т.д.) может произойти быстрое вытекание жидкого термоизолятора из корпуса и теплозащитные свойства корпуса резко ухудшаются.

Известен защищенный от пожара сейф (заявка Великобритании № 2168402, МПК E 05 G 1/00, опубл. 18.06.1986). Сейф содержит контейнер и крышку. Каждый из элементов имеет наружный кожух, внутреннюю облицовку и промежуточный изоляционный слой из стойкого и огнеупорного материала. Внутренняя облицовка имеет наполнитель из изменяющего фазовое состояние материала, например парафина, обладающего свойством поглощать тепло.

Недостатками известного устройства являются:

- неспособность противостоять воздействиям в виде прострела, различных механических средств взлома;

- пониженные теплозащитные свойства при механическом повреждении элементов конструкции из-за возможного обмятия теплостойкого материала и вытекания материала, меняющего фазовое состояние при нагреве;

- в конструкции отсутствуют элементы, отводящие тепло от материала, поглотившего его при нагреве в результате фазового перехода из одного состояния в другое, при этом возможна закачка тепла внутрь сейфа при его остывании, что является недопустимым;

- изменение фазового состояния материала связано с изменением его объема, что может привести к повреждению или разрушению самого сейфа, поскольку в нем не предусмотрены конструктивные элементы, исключающие или уменьшающие этот эффект.

Защита сейфа от пожара по заявке Великобритании №2168402 выбрана в качестве прототипа.

Задачей, стоящей перед авторами предлагаемого изобретения, является разработка надежной защиты объекта от комплексного воздействия средств взлома, таких как механического типа (сверла, фрезы, отрезные круги и т.п.), автогена, электродугового резака, прострела, в том числе пожара.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение защитных свойств слоистой структуры путем создания эффекта плавающего слоя, приводящего к уменьшению повреждения внутренних слоев структуры, что позволяет выдерживать механические воздействия и воздействия пуль стрелкового оружия, высокотемпературный пожар с температурой до 1000°С в течение одного часа и более, локальные воздействия высоких температур,

Технический результат достигается тем, что в слоистую структуру, содержащую прочный корпус, в котором размещена защита из теплостойкого материала и материала, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойством поглощать тепло, введен слой из высокотвердого неметаллического материала, на внешней стороне которого, по отношению к защищаемому объекту, установлен слой из термостойкого материала, защита объединена в единый слой и установлена на внутренней стороне слоя из высокотвердого неметаллического материала, вплотную к защите установлена подложка из не менее двух слоев, первый - из материала с относительным удлинением не менее 20%, прочностью при растяжении от 100 до 360 МПа, второй - из материала с относительным удлинением не более 25%, прочностью при растяжении не менее 370 МПа, все слои окружены слоем из упругого неметаллического материала, например шпатлевки, эластомера или резины, при этом толщины слоев выбраны в следующих соотношениях:

h₁=(0,025-0,3)h ₂, h₃=(1-20)h₁, h₄=(0,15-0,5)h ₂, h₅=(0,25-2)h₄,

где:

h₁ - толщина слоя из термостойкого материала;

h₂ - толщина слоя из высокотвердого неметаллического материала;

h₃ - толщина слоя защиты из теплостойкого материала и материала, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойством поглощать тепло;

h₄ - толщина подложки;

h₅ - толщина слоя из упругого неметаллического материала.

В корпусе слоистой структуры могут быть выполнены каналы и установлены клапаны для отвода тепловой энергии и газовой составляющей, выделяющейся из слоев конструкции. Слоистая структура может быть выполнена по форме защищаемого объекта.

Стойкость к воздействию пуль стрелкового оружия достигается тем, что в слоистую структуру введен слой из высокотвердого неметаллического материала и подложки, установленной к нему с внутренней стороны через слой защиты. Твердый слой дробит пулю и гасит ее энергию, а подложка останавливает весь поток осколков, вызванный дроблением пули и твердого слоя. Причем эта стойкость сохраняется при воздействии высокотемпературного пожара и локального нагрева при автогенной или электродуговой резке за счет защиты, установленной на внутренней стороне высокотвердого неметаллического слоя. Защита при нагреве изменяет свое фазовое состояние, интенсивно поглощает тепло и тем самым защищает подложку от расплавления или термодеструкции. При этом геометрические размеры (объем) защиты практически не изменяются. Это достигается за счет того, что защита имеет микронеоднородности, связанные с наличием в ней двух фаз - волокон и матрицы. При этом исключается повреждение конструкции слоистой структуры в результате фазового перехода материала. Отвод тепла осуществляется через каналы посредством клапанов, расположенных в корпусе слоистой структуры. Защита из теплостойкого материала и материала, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойством поглощать тепло, объединена в единый слой, что, кроме вышеописанной функции, в сочетании со слоем из термостойкого материала, установленного на внешней стороне слоя из высокотвердого неметаллического материала, позволяет исключить термический удар на указанный высокотвердый слой при воздействии пожара, автогена или электродугового резака, имеющих высокий локальный темп нагрева. Таким образом высокотвердый материал защищается от растрескивания при резких температурных перепадах. Подложка выполнена из не менее двух слоев, причем слой, непосредственно прилегающий к высокотвердому слою, через посредство защиты имеет такие физико-механические характеристики (относительное удлинение и прочность при растяжении), которые компенсируют их недостаток в высокотвердом слое. Последующий слой подложки имеет характеристики, которые ограничивают деформацию всей подложки в целом и позволяют окончательно затормозить поток осколков от разрушенной пули и от осколков, образовавшихся в локальной зоне воздействия пули. Подбор заявляемых слоев с указанными характеристиками, их взаимное расположение и выбор толщины слоев создают в совокупности эффект плавающего тела - подвижности при приложении усилий. За счет этого слоистая структура является стойкой к воздействию различных средств взлома механического типа (сверла, фрезы, отрезные круги, диски). При этом за счет знакопеременных ударов со стороны слоя из высокотвердого неметаллического материала по инструменту происходит его повреждение или полное разрушение. Указанная подвижность элементов слоистой структуры достигается за счет того, что все ее слои окружены слоем из упругого неметаллического материала. Причем толщина h₅ упругого слоя связана с толщиной h₄ подложки таким образом, чтобы обеспечивались необходимая величина хода (амплитуды) слоистой структуры и сила упругости (удара), соизмеримая или большая прочности инструмента средств взлома. При уменьшении толщины упругого слоя от заявляемой величина силы удара может увеличиваться, но амплитуда при этом будет уменьшаться. Поломки инструмента может не произойти. И, наоборот, при значительном увеличении указанной толщины растет амплитуда и падает сила удара, что также может не привести к поломке инструмента. Толщина подложки h₄ выбрана таким образом, чтобы компенсировать недостающую в высокотвердом слое прочность при растяжении, улавливать образовавшиеся осколки и ограничивать деформации последующих элементов конструкции слоистой структуры. При уменьшении толщины подложки по сравнению с заявляемой возможны сильное разрушение высокотвердого неметаллического слоя и сквозное пробитие подложки и всей слоистой структуры. При значительном ее утолщении возможно ее частичное расплавление, так как толщины защиты может быть недостаточно, чтобы успеть отвести тепло от слоев подложки. Кроме того, при этом растут габариты и масса слоистой структуры.

Толщина слоя h ₃ защиты из теплостойкого материала и материала, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойством поглощать тепло, выбрана из условия достаточности для отвода тепла от подложки и исключения теплового удара на высокотвердый слой из неметаллического материала. Если увеличить его толщину по сравнению с заявляемой, то ухудшиться контакт подложки с высокотвердым слоем. Высокотвердый слой будет легко разрушаться при механическом ударе или обстреле пулями из-за отсутствия снятия с него растягивающих напряжений со стороны слоев подложки. Уменьшение указанной толщины защиты приводит к расплавлению или термодеструкции слоев подложки, а также к растрескиванию высокотвердого слоя, что недопустимо.

Толщина h₂ выбирается из условия обеспечения необходимой стойкости к воздействию пуль стрелкового оружия. Эта величина выступает в качестве исходного параметра при конструировании слоистой структуры.

Толщина h₁ слоя из термостойкого материала выбирается из условия обеспечения затяжного плавного разогрева высокотвердого слоя из неметаллического материала для исключения образования в нем трещин при термическом ударе.

Кроме того, дополнительная стойкость к воздействию автогена достигается за счет засорения продуктами термодеструкции упругого неметаллического материала, окружающего слоистую структуру, к воздействию электродугового резака - за счет сильной адгезии (прилипания) продуктов термодеструкции упругого неметаллического материала к электроду и размыкания электрической цепи.

Важным является и то, что слоистая структура в силу оптимизации конструкции (подбора материалов и их расположения - последовательности) не теряет своих защитных свойств даже после воздействия высокотемпературного пожара (+1000°С в течение одного и более часов), при этом сохраняется эффект плавающего слоя и не повреждаются внутренние слои.

Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает надежную защиту объекта от высокотемпературного пожара с температурой до 1000°С в течение одного часа и более, локального воздействия высоких температур при автогенной или электродуговой разрезке, механических воздействий различных средств взлома (сверла, фрезы, разрезные круги и т.п.) и воздействия пуль стрелкового оружия, т.е. защищает объект от комплексного воздействия.

На фиг.1 показан общий вид слоистой структуры, а на фиг.2 - картина взаимодействия средств взлома и поражающих факторов со слоистой структурой, где:

1 - слой из термостойкого материала;

2 - слой из высокотвердого неметаллического материала;

3 - защита из теплостойкого материала и материала, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойствами поглощать тепло;

4 - подложка;

5 - слой из упругого неметаллического материала;

6 - прочный корпус;

7 - канал для отвода тепловой энергии и газовой составляющей, выделяющейся из слоев конструкции;

8 - клапан;

9 - пуля;

10 - струя автогенного резака;

11 - электрод электродугового резака;

12 - сверло (фреза);

13 - отрезной круг;

h₁ - толщина слоя из термостойкого материала;

h₂ - толщина слоя из высокотвердого неметаллического материала;

h ₃ - толщина слоя защиты из теплостойкого материала и материала, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойством поглощать тепло;

h₄ - толщина подложки;

h₅ - толщина слоя из упругого неметаллического материала.

Слоистая структура содержит прочный корпус 6, в котором размещена защита 3 из теплостойкого материала и материала, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойством поглощать тепло, и слой 2 из высокотвердого неметаллического материала. На внешней стороне слоя 2 установлен слой 1 из термостойкого материала. Защита 3 представляет единый слой и установлена на внутренней стороне слоя 2 из высокотвердого неметаллического материала. Вплотную к защите 3 установлена подложка 4 из не менее двух слоев, первый - из материала с относительным удлинением не менее 20%, прочностью при растяжении от 100 до 360 МПа, второй - из материала с относительным удлинением не более 25%, прочностью при растяжении не менее 370 МПа. Все слои окружены слоем 5 из упругого неметаллического материала, например шпатлевки, эластомера или резины.

Слоистая структура работает следующим образом.

При воздействии пули 9, как правило, пробивается прочный корпус 6 слоистой структуры и слой 5 из упругого неметаллического материала. Еще до контакта пули 9 со слоем 2 из высокотвердого неметаллического материала вся конструкция слоистой структуры получает механические возмущения в виде колебаний. Поэтому в первый момент контакта со слоем 2 из высокотвердого неметаллического материала пуля 9 испытывает знакопеременные ударные нагрузки различной интенсивности, которые усиливаются по мере ее внедрения в слой 2. Это приводит в усилению процесса разрушения пули 9 при взаимодействии ее со слоем 2 из высокотвердого неметаллического материала. Поскольку слой 2 тоже испытывает такие же нагрузки, что и пуля 9, сопровождающиеся то его сжатием, то его растяжением, для снятия растягивающих с него усилий предназначен, с одной стороны, слой подложки 4, выполненный из материала с относительным удлинением не менее 20%, прочностью при растяжении от 100 до 360 МПа. С другой стороны, этот слой значительно гасит энергию разрушенной пули 9 и осколков слоя 2. Окончательно поглощение энергии пули 9 и осколков выполняет слой подложки 4 из материала с относительным удлинением не более 25% и прочностью при растяжении не менее 370 МПа. Этот слой также ограничивает деформацию слоистой структуры при пулевом воздействии.

При воздействии на слоистую структуру механических средств взлома 12, 13 (инструменты: сверло, фреза, отрезной круг и т.п.) происходят следующие процессы. Инструменты 12, 13 сравнительно легко достигают слоя 2 из высокотвердого неметаллического материала. Момент контакта инструментов 12, 13 со слоем 2 из-за легкости и короткого промежутка времени проникания через прочный корпус 6 и слой 7 из упругого неметаллического материала носит ударный характер с последующим резким торможением. При этом возможны следующие исходы:

- поломка инструментов 12, 13 из-за появления в них зон пластических деформаций;

- упругое деформирование инструментов 12, 13, при этом возврат инструментов 12, 13 в исходное положение приводит в движение слой 2 в направлении внедрения инструментов 12, 13 в слоистую структуру, происходят сжатие слоя 5 из упругого неметаллического материала и механический удар со стороны слоя 2 по инструментам 12, 13; процесс повторяется до полного разрушения инструментов.

Воздействие струи 10 автогенного резака вызывает разрушение корпуса 6 и термодеструкцию слоя 5 из упругого неметаллического материала. Продукты термодеструкции вымываются струей 10 наружу. При этом они оседают на рабочем органе (форсунке) автогенного резака и засоряют его проходное сечение. Автогенный резак выходит из строя. Защита слоя 2 из высокотвердого неметаллического материала от растрескивания при высокоинтенсивном тепловом разогреве в локальной зоне осуществляется слоем 1 из термостойкого материала, позволяющего затянуть процесс нагрева слоя 2 и рассредоточить тепловой поток на большую область.

Электрод электродугового резака 11 проплавляет корпус 6 и вступает в контакт со слоем 5 из упругого неметаллического материала. Продукты расплавления и термодеструкции слоя 5 прилипают к рабочей части электрода 11, происходит размыкание электрической цепи и электродуговой резак прекращает свою работу. Восстановлению электрод 11 не подлежит из-за высокой адгезионной прочности продуктов плавления и термодеструкции слоя 5.

Воздействие высокотемпературного пожара с высоким темпом разогрева практически не приводит к повреждению слоистой структуры. Слой 2 из высокотвердого неметаллического материала защищен от недопустимого разогрева слоем 1 из термостойкого материала и защитой 3, которая в свою очередь из-за фазового перехода, входящего в нее слоя, поглощает тепло и тем самым исключает расплавление или термодеструкцию слоев подложки 4. Отвод тепловой энергии и газовой составляющей, выделяющейся из слоев конструкции, в окружающую среду происходит по каналам 7 через клапаны 8.

В качестве примера конкретного промышленного выполнения слоистой структуры предложено следующее исполнение.

Прочный корпус 6 выполнен из стали 30ХГСА. В корпусе 6 с толщиной стенок 3 мм размещена защита 3 толщиной h₃=3 мм из теплостойкого стекломатериала и материала на основе эпоксидного связующего, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойством поглощать тепло. Слой 2 толщиной h₂=14 мм выполнен из высокотвердого неметаллического материала на основе корундовой керамики. На внешней стороне слоя 2 установлен слой 1 толщиной h₁ =1,5 мм из термостойкого стекломатериала. Защита 3 установлена на внутренней стороне слоя 2 из высокотвердого неметаллического материала. Вплотную к защите 3 установлена подложка 4 толщиной h₄=7 мм из двух слоев: первый - из алюминиевого сплава с относительным удлинением 24%, прочностью при растяжении 250 МПа, второй - из стали с относительным удлинением 20%, прочностью при растяжении 380 МПа. Все слои окружены слоем 5 толщиной h ₅=4 мм из упругого неметаллического материала на основе каучуковой резины. Толщины слоев выбраны в следующих соотношениях:

h₁=0,1h₂, h₃=2h₁ , h₄=0,5h₂, h₅=0,57h ₄.

Заявляемая конструкция позволяет решить поставленную задачу по разработке защиты объекта от комплексного воздействия средств взлома таких, как механического типа (сверла, фрезы, отрезные круги и т.п.), автогена, электродугового резака, прострела, в том числе пожара, и получить технический результат в виде повышения защитных свойств слоистой структуры путем создания эффекта плавающего слоя, приводящего к уменьшению повреждения внутренних слоев структуры и обеспечению стойкости к воздействиям механических средств взлома, воздействию пуль стрелкового оружия, высокотемпературного пожара с температурой до 1000°С в течение одного часа и более и локальным воздействиям высоких температур автогенного и электродугового резаков.

Проведенные испытания на моделях подтвердили заявляемый технический результат.