RU2176624C1 - Glass ceramic, method of preparing thereof and protective structure based thereon - Google Patents
Glass ceramic, method of preparing thereof and protective structure based thereon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2176624C1 RU2176624C1 RU2001108284A RU2001108284A RU2176624C1 RU 2176624 C1 RU2176624 C1 RU 2176624C1 RU 2001108284 A RU2001108284 A RU 2001108284A RU 2001108284 A RU2001108284 A RU 2001108284A RU 2176624 C1 RU2176624 C1 RU 2176624C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- glass
- elements
- protective
- matrix
- glass ceramic
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения стеклокерамических материалов, т.е. поликристаллических твердых тел, применяемых в различных областях техники и обладающих высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками, а также созданию конструкций для защиты от ударных воздействий и абразивного износа. The invention relates to the field of glass-ceramic materials, i.e. polycrystalline solids used in various fields of technology and having high strength and performance characteristics, as well as the creation of structures for protection against impact and abrasion.
Стеклокерамика, полученная в результате управляемой катализированной кристаллизации стекла определенного химического состава, может быть использована в качестве конструкционного материала при изготовлении изделий, работающих в условиях экстремальных нагрузок в машиностроении, легкой, пищевой, текстильной, химической и других областях промышленности. Glass ceramics, obtained as a result of controlled catalyzed crystallization of glass of a certain chemical composition, can be used as a structural material in the manufacture of products operating under extreme loads in mechanical engineering, light, food, textile, chemical and other industries.
Известна высокопрочная стеклокерамика литиевоалюмосиликатной системы с пределом прочности на изгиб 28,1 кг/мм2. В ее составе содержатся следующие ингредиенты (мас.%): SiO2 78,5; K2O 2,5; P2O5 3,0; Li2O 12,2. Температурный коэффициент расширения составляет 10,2•10-6 град-1 (Макмиллан П.У. Стеклокерамика. М., 1967 г., стр. 164).Known high-strength glass ceramics lithium aluminosilicate system with a tensile strength of 28.1 kg / mm 2 . It contains the following ingredients (wt.%): SiO 2 78.5; K 2 O 2.5; P 2 O 5 3.0; Li 2 O 12.2. The temperature coefficient of expansion is 10.2 • 10 -6 deg -1 (Macmillan P.U. Glass-ceramic. M., 1967, p. 164).
Известен высокопрочный стеклокерамический материал, устойчивый к термоударам, имеющий низкую пористость и большое электрическое сопротивление, в состав которого входят следующие ингредиенты (мас.%): SiO2 34,0 - 81,0; Li2O 2,0 - 27,0; K2O/Na2O до 5,0; CaO и BaO до 5,0; B2O3 до 10,0; ZnO 10,0 - 59,0; MgO до 10,0; PbO до 5,0; Al2O3 до 10,0.Known high-strength glass-ceramic material, resistant to thermal shock, having low porosity and high electrical resistance, which includes the following ingredients (wt.%): SiO 2 34.0 - 81.0; Li 2 O 2.0 - 27.0; K 2 O / Na 2 O up to 5.0; CaO and BaO up to 5.0; B 2 O 3 to 10.0; ZnO 10.0-59.0; MgO up to 10.0; PbO up to 5.0; Al 2 O 3 to 10.0.
Способ получения материала заключается в варке стекла при температуре 1200 - 1400oC, формовании, отжиге при температуре 450 - 550oC с последующей кристаллизацией стекла по одноступенчатому режиму: подъем температуры до 800 - 1000oC со скоростью 4 - 5oC в минуту в течение одного часа. Величина кристаллов в стеклокерамике после охлаждения составляет 0,1 - 6,0 мкм. Они нерегулярны по размерам, плотно упакованы, вследствие чего материал имеет высокую плотность (3,13 - 3,23 г/см3) и прочностью на изгиб в пределах 15 - 20 кг/мм2, коэффициент термического расширения (42 - 174)•10-7 град-1 (патент Великобритании N 943599, 1963 г.).The method of obtaining the material consists in glass melting at a temperature of 1200 - 1400 o C, molding, annealing at a temperature of 450 - 550 o C followed by crystallization of the glass in a single-stage mode: raising the temperature to 800 - 1000 o C at a speed of 4 - 5 o C per minute for one hour. The size of the crystals in glass ceramics after cooling is 0.1 - 6.0 microns. They are irregular in size, densely packed, as a result of which the material has a high density (3.13 - 3.23 g / cm 3 ) and bending strength in the range of 15 - 20 kg / mm 2 , thermal expansion coefficient (42 - 174) • 10 -7 deg -1 (UK patent N 943599, 1963).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является состав стеклокерамики и способ ее получения по патенту США N4473653, C 03 C 3/22, 1984 г. The closest in technical essence to the claimed invention is the composition of glass ceramics and the method for its preparation according to US patent N4473653, C 03 C 3/22, 1984
Указанный состав содержит следующие ингредиенты (мас.%): SiO2 78,5 - 84,5; Li2O 9,5 - 15,0; K2O 1,5 - 4,0; Al2O3 1,0 - 6,0 (базовое стекло), дополнительно (сверх 100%) вводят Na2O 0 - 3,5; B2O3 1/2; CeO2 0 - 1,5; Cr2O3 0 - 0,09; может быть заменен Al2O3 на MgO (до 50% в базовом составе) и введены TiO2, ZnO2 и SuO2 в количестве 5% от базового состава стекла.The specified composition contains the following ingredients (wt.%): SiO 2 78.5 - 84.5; Li 2 O 9.5-15.0; K 2 O 1.5 - 4.0; Al 2 O 3 1.0 - 6.0 (base glass), additionally (in excess of 100%) Na 2 O 0 - 3.5 is added; B 2 O 3 1/2; CeO 2 0-1.5; Cr 2 O 3 0 - 0.09; Al 2 O 3 can be replaced by MgO (up to 50% in the base composition) and TiO 2 , ZnO 2 and SuO 2 in the amount of 5% of the base glass composition can be introduced.
Способ получения стеклокерамики заключается в варке стекла при температуре 1550 ± 20oC, формовании, отжиге при температуре 480 - 530oC в течение 1 - 24 часов и охлаждении полученных заготовок до комнатной температуры. Затем следует двухступенчатая кристаллизация: нагрев до 680 - 725oC со скоростью 0,3 - 0,1 oC/мин; выдержка при этой температуре 1 - 24 часа; нагрев до 830 - 870oC со скоростью 0,5 - 6 oC/мин, выдержка при этой температуре от 5 мин до 5 часов. После второй ступени кристаллизации и выдержки при температуре 830 - 870oC следует охлаждение образцов до 380 - 300oC со скоростью 0,5 - 3 oC/мин, далее до комнатной температуры со скоростью 2 - 12 oC/мин. В результате получают стеклокерамику, в которой основными кристаллическими фазами являются дисиликат лития, кристобалит и шпинель. Термический коэффициент расширения ТКР 100 - 125•10-7 oC-1 (при 800oC), плотность 2,45 - 2,50 г/см3. Указанная стеклокерамика в виде тонких (до 12 мм) пластин не может быть применена в качестве защитных элементов от пуль с бронебойными и термоупрочненными сердечниками, применяемые в современном стрелковом оружии, так как не обладает нужной для этого прочностью. Пластина из такой стеклокерамики испытывалась только мягкой свинцовой пулей в медной оболочке, выпущенной с расстояния 1,5 метра (5 футов), то есть в неустановившемся режиме полета. Калибр типового армейского оружия 7,62 мм (0,30 дюйма), скорость полета пули около 760 м/сек (2500 футов/сек). Габаритные размеры испытуемой пластины 4х4 дюйма (98х98 мм), толщина 0,5 дюйма (12,7 мм).The method of producing glass ceramics consists in boiling glass at a temperature of 1550 ± 20 o C, molding, annealing at a temperature of 480 - 530 o C for 1 to 24 hours and cooling the resulting workpieces to room temperature. Then follows a two-stage crystallization: heating to 680 - 725 o C at a rate of 0.3 - 0.1 o C / min; holding at this temperature for 1 to 24 hours; heating to 830 - 870 o C at a speed of 0.5 - 6 o C / min, holding at this temperature from 5 minutes to 5 hours. After the second stage of crystallization and holding at a temperature of 830 - 870 o C, the samples are cooled to 380 - 300 o C at a speed of 0.5 - 3 o C / min, then to room temperature at a speed of 2 - 12 o C / min. The result is glass ceramics in which the main crystalline phases are lithium disilicate, cristobalite and spinel. Thermal expansion coefficient TCR 100 - 125 • 10 -7 o C -1 (at 800 o C), density 2.45 - 2.50 g / cm 3 . The specified glass ceramics in the form of thin (up to 12 mm) plates cannot be used as protective elements against bullets with armor-piercing and heat-strengthened cores used in modern small arms, since they do not have the strength necessary for this. A plate made of such glass-ceramic was tested only with a soft lead bullet in a copper shell fired from a distance of 1.5 meters (5 feet), that is, in an unsteady flight mode. The caliber of a typical army weapon is 7.62 mm (0.30 in), the speed of a bullet is about 760 m / s (2500 ft / s). Overall dimensions of the test plate 4x4 inches (98x98 mm), thickness 0.5 inches (12.7 mm).
При производстве такой стеклокерамики требуются дорогостоящие огнеупоры и большие энергозатраты, так как варка стекла производится при температуре 1550o ± 20oC. Стеклокерамика содержит в своем составе дорогостоящие и тугоплавкие компоненты CeO2, TiO2, ZrO2, SnO2, V2O5, что определяет не только высокую (1550oC) температуру варки, но и высокую (830 - 870oC) температуру второй ступени кристаллизации.The production of such glass ceramics requires expensive refractories and high energy consumption, since glass is melted at a temperature of 1550 o ± 20 o C. Glass ceramics contains expensive and high-melting components CeO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , SnO 2 , V 2 O 5 that determines not only the high (1550 o C) cooking temperature, but also the high (830 - 870 o C) temperature of the second stage of crystallization.
Известна пулезащитная гибкая конструкция, содержащая защитные элементы, расположенные в виде деталей из твердого материала, с отражающей оболочкой, обращенной наружу, с перекрытием промежутков между элементами в слое последующими слоями защитных элементов. Техническим результатом известной конструкции является осуществление направленного изменения траектории движения пули (RU, патент N 2116607, кл. F 41 H 1/02, опубл. 27.07.98). Known bulletproof flexible design containing protective elements located in the form of parts made of solid material, with a reflective shell facing outward, with overlapping gaps between the elements in the layer by subsequent layers of protective elements. The technical result of the known design is the implementation of directional changes in the trajectory of the bullet (RU, patent N 2116607, class F 41
Однако при отклонении движения пули от нормального (то есть от перпендикулярного к поверхности) воздействующий предмет (пуля) под углом беспрепятственно пройдет между защитными пластинами. Известная конструкция при ее гибкости не ремонтопригодна, объемна, применима только в одном направлении воздействия удара предмета (пули), не удобна в эксплуатации и не может быть применена для защиты от абразивного износа. However, when the bullet deviates from normal (that is, from perpendicular to the surface), the acting object (bullet) at an angle will freely pass between the protective plates. The known design, with its flexibility, is not repairable, voluminous, applicable only in one direction of impact of an object (bullet), is not convenient in operation, and cannot be used to protect against abrasive wear.
Известен гибкий элемент защитного пакета и защитный пакет из гибких элементов, содержащих подложку из ткани из арамидных волокон, нанесенный на подложку слой абразивных частиц, закрепленных полимерным клейким связующим, и покровный слой из эластичного материала. При этом связующее нанесено на ткань подложки с частичным проникновением в нее и образованием слоя - фиксатора абразивных частиц. Наружная изоляция обеспечивается при помощи покровного слоя. В качестве полимерного связующего слоя - фиксатора и эластичного материала покровного слоя использованы эластичные клеевые композиции, причем клеевая композиция эластичного материала покровного слоя выполнена обладающей более высокой степенью эластичности по сравнению со слоем - фиксатором. Защитный пакет содержит уложенные друг на друга гибкие элементы, при этом каждый последующий элемент уложен тканью его подложки на покровный слой предыдущего с образованием лицевой стороны пакета из покровного слоя последнего элемента (RU, патент N 2156942, F 41 H 1/02, 5/04, 2000 г.). Known for a flexible element of a protective bag and a protective bag of flexible elements containing a substrate of fabric from aramid fibers, a layer of abrasive particles supported by a polymer adhesive binder, and a cover layer of elastic material deposited on the substrate. In this case, a binder is applied to the substrate fabric with partial penetration into it and the formation of a layer - a fixative of abrasive particles. External insulation is provided by a coating layer. Elastic adhesive compositions are used as the polymer binder layer — the fixative and the elastic material of the coating layer, and the adhesive composition of the elastic material of the coating layer is made to have a higher degree of elasticity compared to the fixative layer. The protective bag contains flexible elements stacked on top of each other, with each subsequent element being laid by the fabric of its substrate on the cover layer of the previous one to form the front side of the package from the cover layer of the last element (RU, patent N 2156942, F 41
Известный защитный пакет из гибких элементов не может быть применен для защиты от высокоскоростных бронебойных и термоупрочненных пуль без значительного увеличения количества слоев и, следовательно, толщины, массы и стоимости всей конструкции. Для его изготовления используется дорогостоящие ткани из арамидных волокон, которые теряют значительную часть (до 20%) своей прочности при длительном воздействии светового излучения и намокании. Данная конструкция не может быть применена как материал для защиты от абразивного износа и не ремонтопригодна после пробития. The known protective package of flexible elements cannot be applied to protect against high-speed armor-piercing and heat-strengthened bullets without a significant increase in the number of layers and, consequently, the thickness, weight and cost of the entire structure. For its manufacture, expensive fabrics from aramid fibers are used, which lose a significant part (up to 20%) of their strength under prolonged exposure to light radiation and getting wet. This design cannot be used as a material for protection against abrasive wear and is not repairable after breaking through.
Известен силовой элемент для индивидуального средства защиты от огнестрельного, холодного оружия и других механических поражающих средств. Конструкция содержит матрицу, имеющую сотовидную геометрию, выполненную из вязкоупругого материала, ее несквозные отверстия заполнены наполнителем, гидродинамически эквивалентным несжимаемой жидкости. Глубина отверстия выбрана в пределах 50 - 80% толщины силового элемента. В качестве наполнителя используют пластиковые и керамические капсулы с водой, маслом, различные технические жидкости, легкие металлические сплавы, керамические таблетки и пластики с присадками керамики. Known power element for personal protective equipment against firearms, cold steel and other mechanical weapons. The design contains a matrix having a honeycomb geometry made of a viscoelastic material, its through holes are filled with a filler hydrodynamically equivalent to an incompressible fluid. The hole depth is selected within 50 - 80% of the thickness of the power element. As a filler, plastic and ceramic capsules with water, oil, various technical fluids, light metal alloys, ceramic tablets and plastics with ceramic additives are used.
Известная конструкция для индивидуальных средств защиты (RU, патент N 2112199, кл. F 41 H 1/02, опубл. 27.05.98) наиболее близка к заявляемой по своей технической сущности и выбрана в качестве прототипа. The known design for personal protective equipment (RU, patent N 2112199, class F 41
Указанный силовой элемент имеет ряд существенных недостатков:
1. Конструкция работает в качестве защитной только при обращенной лицевой стороны материала в сторону направления выстрела (удара).The specified power element has a number of significant disadvantages:
1. The design works as a protective one only when the front side of the material is turned in the direction of the direction of the shot (impact).
2. Сотовая структура в случае выполнения из дорогостоящего алюминиевого вязкоупругого сплава имеет высокую плотность (более 3,0 г/см3)
3. Конструкция силового элемента не обладает гибкостью, необходимой при использовании ее в качестве защиты криволинейных поверхностей.2. The honeycomb structure in the case of execution of an expensive aluminum viscoelastic alloy has a high density (more than 3.0 g / cm 3 )
3. The design of the power element does not have the flexibility necessary when using it as a protection for curved surfaces.
4. Данный элемент не может служить в качестве защити от абразивного износа. 4. This element cannot serve as protection against abrasive wear.
5. Конструкция силового элемента не обеспечивает возможности его ремонта. 5. The design of the power element does not provide the possibility of its repair.
Задачей настоящего изобретения является получение высокопрочного стеклокерамического материала и конструкции на его основе, обеспечивающей сопротивление ударным нагрузкам и абразивному износу. The objective of the present invention is to obtain a high-strength glass-ceramic material and a structure based on it, providing resistance to shock loads and abrasive wear.
Результатом разработки изобретения является создание высокопрочной стеклокерамики и разработка низкотемпературного способа ее получения для изготовления на ее основе защитной конструкции. The result of the development of the invention is the creation of high-strength glass ceramics and the development of a low-temperature method for its preparation for the manufacture of a protective structure based on it.
Заявляемая группа изобретений объединена единым изобретательским замыслом для достижения единого технического результата. The claimed group of inventions is united by a single inventive concept to achieve a single technical result.
Задача решается следующим образом. The problem is solved as follows.
Разработанный стеклокерамический материал содержит следующие ингредиенты, мас.%
SiO2 - 55,0 - 75,0
LiO2 - 10,0 - 20,0
NaPO3 - 1,0 - 5,0
K2O - 1,0 - 3,0
CaF2 - 0,5 - 3,0
LiF - 1,0 - 10,0
MnO/MnO2 - 0,1 - 5,0
ZnO/ZnO2 - 0,1 - 5,0
Na2O - 0,1 - 10,0
Способ получения стеклокерамики состоит из следующих операций.The developed glass-ceramic material contains the following ingredients, wt.%
SiO 2 - 55.0 - 75.0
LiO 2 - 10.0 - 20.0
NaPO 3 - 1.0 - 5.0
K 2 O - 1.0 - 3.0
CaF 2 - 0.5 - 3.0
LiF - 1.0 - 10.0
MnO / MnO 2 - 0.1 - 5.0
ZnO / ZnO 2 - 0.1 - 5.0
Na 2 O - 0.1 - 10.0
A method of producing glass ceramics consists of the following operations.
1. На первом этапе осуществляют варку литиевосиликатного стекла при температуре 1250 - 1350oC.1. In the first stage carry out the cooking of lithium silicate glass at a temperature of 1250 - 1350 o C.
2. Формование элементов для изготовления защитной конструкции известными в стекольной промышленности способами: вытяжка из расплава, отливка в форму, выдувание, прессование и др. требуемых размеров и конфигурации. 2. Forming of elements for the manufacture of a protective structure by methods known in the glass industry: melt drawing, casting, blowing, pressing, and other required sizes and configurations.
3. Отжиг заготовок при температуре 330 - 420oC.3. Annealing of the workpieces at a temperature of 330 - 420 o C.
4. Кристаллизация (то есть превращение стекла в стеклокерамику) по трехступенчатому режиму:
- подъем температуры до 480 - 520oC, выдержка 1 - 3 часа;
- подъем температуры до 580 - 620oC, выдержка 0,5 - 10 часов;
- подъем температуры до 670 - 730oC со скоростью 1 - 5 oC/мин, выдержка 1 - 3 часа.4. Crystallization (that is, the transformation of glass into glass ceramics) according to a three-stage mode:
- temperature rise to 480 - 520 o C,
- rise in temperature to 580 - 620 o C, exposure 0.5 to 10 hours;
- raising the temperature to 670 - 730 o C at a speed of 1 - 5 o C / min,
5. Охлаждение до комнатной температуры со скоростью 5 - 10 oC/мин.5. Cooling to room temperature at a rate of 5 - 10 o C / min.
Основными кристаллическими фазами заявляемой стеклокерамики является дисиликат лития и разновидности кремнезема. Размер кристаллов (0,25 - 0,4 мкм) и указанные кристаллические фазы обеспечивают однородную кристаллизацию вместе с применением в качестве катализаторов фосфатов и фторидов. Отсутствие в исходном стекле Al2O3 исключает образование такой кристаллической фазы как эвкриптит Li2O•Al2O3•3SiO2, что значительно увеличивает прочность стеклокерамики.The main crystalline phases of the inventive glass ceramics is lithium disilicate and a variety of silica. The crystal size (0.25 - 0.4 μm) and these crystalline phases provide uniform crystallization together with the use of phosphates and fluorides as catalysts. The absence of Al 2 O 3 in the initial glass excludes the formation of such a crystalline phase as eucryptite Li 2 O • Al 2 O 3 • 3SiO 2 , which significantly increases the strength of glass ceramics.
Технологии стекольного производства позволяют получить стеклокерамические изделия в виде пластин, дисков, сфер, трубок, дрота, штабиков, стержней и прочее в зависимости от назначения и не требуют специального оборудования, высоких температур и давления. Glass manufacturing technologies make it possible to obtain glass-ceramic products in the form of plates, disks, spheres, tubes, drills, racks, rods, etc., depending on the purpose and do not require special equipment, high temperatures and pressure.
По сравнению с прототипом варку, отжиг и кристаллизацию проводят при значительно более низких температурах, а термообработка после отжига осуществляется по трехступенчатому режиму с целью образования однородной, плотноупакованной и прочной структуры стеклокерамики. Compared with the prototype, cooking, annealing and crystallization are carried out at significantly lower temperatures, and heat treatment after annealing is carried out in a three-stage mode with the aim of forming a uniform, tightly packed and durable glass-ceramic structure.
Задача изобретения решается также созданием защитной конструкции на основе разработанного стеклокерамического материала. The objective of the invention is also solved by creating a protective structure based on the developed glass-ceramic material.
Защитная конструкция выполнена в виде сотовидной матрицы и защитных стеклокерамических элементов из разработанного стеклокерамического материала. Соты матрицы выполнены сквозными, а элементы выполнены из стеклокерамического материала. Зазоры между элементами и стенками матрицы заполнены клеевой композицией, при этом соседние элементы выполнены с буртиками и уступами, обеспечивая перекрытие друг друга на расстояние большее половины их толщины. Сквозная сотовидная матрица выполнена из листового металлического или неметаллического материала. The protective structure is made in the form of a honeycomb matrix and protective glass-ceramic elements from the developed glass-ceramic material. The cells of the matrix are made through, and the elements are made of glass-ceramic material. The gaps between the elements and the walls of the matrix are filled with an adhesive composition, while the neighboring elements are made with beads and ledges, providing overlap of each other at a distance of more than half their thickness. Through honeycomb matrix made of sheet metal or non-metallic material.
Лицевая поверхность защитных элементов может быть выполнена рельефной для снижения рикошета при ударе. Защитные элементы могут быть выполнены со сквозными отверстиями в поперечном или продольном направлении. The front surface of the protective elements can be embossed to reduce the rebound upon impact. Protective elements can be made with through holes in the transverse or longitudinal direction.
Защитные элементы могут быть выполнены с утолщением со стороны, противоположной уступам или буртикам, при этом ширина утолщения составляет более 1/2 толщины элемента. Protective elements can be made with a thickening on the side opposite to the ledges or flanges, while the width of the thickening is more than 1/2 of the thickness of the element.
Соты матрицы имеют форму круга, квадрата, прямоугольника, треугольника, многоугольника, а защитные элементы повторяют форму сот. The cells of the matrix have the shape of a circle, square, rectangle, triangle, polygon, and the protective elements repeat the shape of the cells.
Соты матрицы и защитные элементы имеют неправильную геометрическую форму. The matrix cells and security elements have an irregular geometric shape.
На одну и/или обе наружные поверхности конструкции может быть нанесен слой самоклеющегося вещества для оперативного закрепления конструкции на объект, требующий зашиты. A layer of self-adhesive substance can be applied to one and / or both external surfaces of the structure for fastening the structure to an object that requires protection.
На одной и/или обеих наружных поверхностях конструкции может быть закреплен тонкий листовой металлический и/или неметаллический материал для придания конструкции дополнительных защитно-упругих свойств. Thin sheet metal and / or non-metallic material can be fixed on one and / or both external surfaces of the structure to give the structure additional protective and elastic properties.
Сотовидная матрица может быть заполнена стеклокерамическими элементами в виде стержней, штабиков или трубок, габаритные размеры которых определяются соотношениями:
2 < k < 200; k = 1/d,
где k - коэффициент пропорциональности;
l - длина стеклокерамического элемента;
d - диаметр окружности, описанной вокруг поперечного сечения элемента.The honeycomb matrix can be filled with glass-ceramic elements in the form of rods, posts or tubes, the overall dimensions of which are determined by the ratios:
2 <k <200; k = 1 / d,
where k is the coefficient of proportionality;
l is the length of the glass-ceramic element;
d is the diameter of the circle described around the cross section of the element.
На фиг. 1 изображена защитная конструкция из стеклокерамических элементов в разрезе. In FIG. 1 shows a protective construction of glass-ceramic elements in section.
На фиг. 2 изображена защитная конструкция в сечении по А-А на фиг. 1, вид сверху. In FIG. 2 shows a protective structure in section along AA in FIG. 1, top view.
Как показано на фиг. 1, 2 защитная конструкция состоит из сотовидной сквозной матрицы 1, стеклокерамических элементов 2 и клеевой композиции 3. Каждый из соседних элементов имеет уступы 4 и буртики 5. As shown in FIG. 1, 2, the protective structure consists of a honeycomb through
На фиг. 3 изображена конструкция, имеющая рельефную противорикошетную поверхность. In FIG. 3 shows a structure having a relief anti-ricochet surface.
На фиг. 4 изображена конструкция с элементами, имеющими утолщения. In FIG. 4 shows a structure with elements having thickenings.
На фиг. 5 изображена конструкция с элементами, имеющими произвольную геометрическую форму. In FIG. 5 shows a design with elements having an arbitrary geometric shape.
Способ изготовления защитной конструкции заключается в получении стеклокерамических элементов требуемой конфигурации и изготовлении сквозной матрицы с конфигурацией ячеек требуемых размеров из листового металла (фольги) или пластика (резины, бумаги и т.п.). Размер ячеек матрицы соответствует размеру и форме стеклокерамических защитных элементов. Затем в ячейки матрицы вклеивают стеклокерамические элементы. A method of manufacturing a protective structure consists in obtaining glass-ceramic elements of the required configuration and manufacturing a through matrix with the configuration of the cells of the required sizes from sheet metal (foil) or plastic (rubber, paper, etc.). The size of the cells of the matrix corresponds to the size and shape of the glass-ceramic protective elements. Then, glass-ceramic elements are pasted into the matrix cells.
Гибкость такой конструкции обеспечена наличием эластичного клеевого связующего в зазорах между защитными стеклокерамическими элементами и матрицей. Непробитие в местах соединений между элементами обеспечено перекрытием элементов дpуг друга буртиками и уступами на расстояние большее, чем половина их толщины. После того как защитный элемент будет разбит при ударе, его легко можно заменить на другой, аналогичный по форме и размерам, предварительно удалив осколки. Такая конструкция может быть закреплена любым из известных способов (механически, клеем или иным) на требующую защиты поверхность: кузов автомобиля, корпус самолета, корабля, лоток транспортера, бункер шнекового загрузочно-разгрузочного устройства и пр. В случае разрушения стеклокерамического элемента (элементов) замена одного (одних) на другой не представляет большой сложности и не требует специального оборудования и навыков. Габаритные размеры такой защитной конструкции практически не ограничены, и в виде гибкого полотна, ленты, ковра или плит она может применяться для защиты ядерных реакторов, трубопроводов, корпусов зданий, банковских хранилищ и тому подобных объектов. The flexibility of this design is ensured by the presence of an elastic adhesive binder in the gaps between the protective glass-ceramic elements and the matrix. The non-penetration at the joints between the elements is ensured by the overlapping of the elements of each other with shoulders and ledges at a distance greater than half their thickness. After the protective element is broken upon impact, it can easily be replaced by another one, similar in shape and size, after removing the fragments. Such a design can be fixed by any of the known methods (mechanically, by glue or otherwise) to a surface requiring protection: car body, airplane body, ship, conveyor tray, hopper of a screw loading and unloading device, etc. In case of destruction of the glass-ceramic element (s), replacement one (one) on the other is not very difficult and does not require special equipment and skills. The overall dimensions of such a protective structure are practically unlimited, and in the form of a flexible cloth, tape, carpet or slabs, it can be used to protect nuclear reactors, pipelines, buildings, bank vaults and the like.
ПРИМЕР
Компоненты шихты, содержащей оксиды лития, калия, марганца, цинка, фосфата натрия, фториды кальция и лития и кварцевый песок, перемешивали. Шихту засыпали в тигель, варку исходного стекла проводили при температуре 1250 - 1300oC в течение 2 часов без перемешивания. Расплав отливали в металлическую форму. Полученные квадратные пластины толщиной 8, 10, 12 мм с буртиками и уступами отжигали при температуре 400 - 420oC (см. таблицу).EXAMPLE
The components of the mixture containing oxides of lithium, potassium, manganese, zinc, sodium phosphate, calcium fluorides and lithium and silica sand were mixed. The mixture was poured into a crucible, the initial glass was melted at a temperature of 1250 - 1300 o C for 2 hours without stirring. The melt was cast into a metal mold. The obtained square plates with a thickness of 8, 10, 12 mm with flanges and ledges were annealed at a temperature of 400 - 420 o C (see table).
Режим кристаллизации:
Первая ступень: 500oC выдержка 2 часа
Вторая ступень: 600oC выдержка 6 часов
Третья степень: 700oC выдержка 1,5 часа
Подъем температуры осуществлялся со скоростью 4oC/мин. Затем следовало охлаждение до комнатной температуры со скоростью 10oC/мин.Crystallization Mode:
First stage: 500 o
Second stage: 600 o C exposure 6 hours
Third degree: 700 o C exposure of 1.5 hours
The temperature was raised at a rate of 4 o C / min. This was followed by cooling to room temperature at a rate of 10 ° C./min.
Полученная таким способом стеклокерамика имеет следующие характеристики:
- плотность 2,36 - 2,46 г/см3;
- прочность на изгиб (предел) 35 - 45 кг/мм2;
- коэффициент термического расширения 100 - 120•10-7 град-1;
- относительная твердость 8 - 9 единиц по Моосу;
- усадка при кристаллизации 1 - 1,5%.Glass ceramic obtained in this way has the following characteristics:
- density 2.36 - 2.46 g / cm 3 ;
- bending strength (limit) 35 - 45 kg / mm 2 ;
- coefficient of thermal expansion 100 - 120 • 10 -7 deg -1 ;
- relative hardness of 8 to 9 units in Mohs;
- shrinkage during crystallization of 1 - 1.5%.
Затем стеклокерамические элементы собирали в сквозную сотовидную конструкцию из стальной ленты толщиной 0,2 и шириной 4 мм (фиг. 1) при помощи клеевой композиции КЛМ-1 на основе синтетических каучуков. После отверждения клеевой композиции гибкая защитная конструкция наклеивалась на выпуклую радиусную поверхность пластины толщиной 8 мм, изготовленной из слоев высокомодульной ткани ТСВМ - ДЖ, пропитанной при прессовании эластичным связующим. Then, the glass-ceramic elements were assembled into an end-to-end honeycomb structure made of steel tape with a thickness of 0.2 and a width of 4 mm (Fig. 1) using the adhesive composition KLM-1 based on synthetic rubbers. After the adhesive composition was cured, a flexible protective structure was glued onto the convex radial surface of an 8 mm thick plate made of layers of high-modulus TSVM-D fabric impregnated with an elastic binder when pressed.
Проведенные баллистические испытания показали, что при стрельбе с расстояния в 5 метров заявляемая стеклокерамика обеспечивает непробитие:
- толщина пластины 7,5 мм - пули из автомата АКМ калибра 7,62 мм в стальной оболочке с мягким стальным сердечником, скорость 730 м/сек;
- толщина пластины 10 мм - пули из автомата АКМ калибра 7,62 мм в стальной оболочке с термоупрочненным сердечником, скорость 730 м/сек;
- толщина пластины 12 мм - пули из снайперской винтовки СВД калибра 7,62 мм в стальной оболочке с термоупрочненным сердечником, скорость 860 м/сек.Ballistic tests showed that when firing from a distance of 5 meters, the inventive glass ceramic provides non-penetration:
- plate thickness 7.5 mm - bullets from an AKM assault rifle of caliber 7.62 mm in a steel shell with a soft steel core, speed 730 m / s;
- plate thickness 10 mm - bullets from an AKM assault rifle of caliber 7.62 mm in a steel shell with a heat-strengthened core, speed 730 m / s;
- plate thickness 12 mm - bullets from an SVD sniper rifle of caliber 7.62 mm in a steel shell with a heat-strengthened core, speed 860 m / s.
Таким образом, предлагаемые объекты позволяют получить материал (стеклокерамику), позволяющий заменить дорогостоящие керамики типа карбида бора в широких масштабах, используя все преимущества стекольных технологий: низкотемпературную варку, формование из расплава, прессование при малых давлениях, выдувание, вытягивание. На основе такой стеклокерамики (ситалла) без больших материальных затрат можно организовать серийное производство гибких и жестких ремонтопригодных защитных конструкций для оперативного бронирования техники (автомобилей, вертолетов, кораблей, сооружений и др.) и изготовление средств индивидуальной защиты людей от огнестрельного и холодного оружия. Такие защитные конструкции с сотовидной геометрией можно использовать в качестве футеровочного покрытия рабочего объема механизмов, подверженных сильному абразивному износу, - лотков транспортеров, бункеров и др. в строительстве, металлургии и горном деле. Thus, the proposed objects make it possible to obtain material (glass ceramics) that allows replacing expensive ceramics such as boron carbide on a large scale, using all the advantages of glass technologies: low temperature cooking, melt molding, pressing at low pressures, blowing, stretching. Based on such glass ceramics (glass) without large material costs, it is possible to organize serial production of flexible and rigid maintainable protective structures for the operational reservation of equipment (cars, helicopters, ships, structures, etc.) and the manufacture of personal protective equipment for people from firearms and cold steel. Such protective structures with honeycomb geometry can be used as a lining coating of the working volume of mechanisms subject to strong abrasive wear - conveyor trays, bunkers, etc. in construction, metallurgy and mining.
Claims (13)
SiO2 - 55,0 - 75,0
Li2O - 10,0 - 20,0
NaPO3 - 1,0 - 5,0
К2О - 1,0 - 3,0
CaF2 - 0,5 - 3,0
LiF - 1,0 - 10,0
МnО/МnО2 - 0,1 - 5,0
ZnO/ZnO2 - 0,1 - 5,0
Na2O - 0,1 - 10,0
2. Способ получения стеклокерамики по п.1, включающий варку стекла, формование элементов требуемой конфигурации, отжиг и кристаллизацию, отличающийся тем, что варку стекла проводят при 1250-1350oС, формование элементов производят из расплава при 1000-1300oС, отжиг производят при 390-420oС, а кристаллизацию после отжига осуществляют по трехступенчатому режиму: подъем температуры до 480-520oС, выдержка 1-3 ч; подъем температуры до 580-620oС, выдержка в течении 0,5-10 ч; подъем температуры до 670-730oС, скорость подъема температуры 1-5oС/мин, выдержка 1-3 ч, затем охлаждение до комнатной температуры со скоростью 5-10oС/мин.1. Glass ceramics, including SiO 2 , Li 2 O, K 2 O, Na 2 O, characterized in that it additionally contains NaPO 3 , CaF 2 , LiF, MnO / MnO 2 , ZnO / ZnO 2 in the following ratio of components, wt .%:
SiO 2 - 55.0 - 75.0
Li 2 O - 10.0 - 20.0
NaPO 3 - 1.0 - 5.0
K 2 O - 1.0 - 3.0
CaF 2 - 0.5 - 3.0
LiF - 1.0 - 10.0
MnO / MnO 2 - 0.1 - 5.0
ZnO / ZnO 2 - 0.1 - 5.0
Na 2 O - 0.1 - 10.0
2. The method of producing glass ceramics according to claim 1, including glass melting, molding the elements of the desired configuration, annealing and crystallization, characterized in that the glass is melted at 1250-1350 o C, forming the elements is made from melt at 1000-1300 o C, annealing produced at 390-420 o C, and crystallization after annealing is carried out in a three-stage mode: raising the temperature to 480-520 o C, holding 1-3 hours; raising the temperature to 580-620 o C, holding for 0.5-10 hours; raising the temperature to 670-730 o C, the rate of temperature rise 1-5 o C / min, holding 1-3 hours, then cooling to room temperature at a speed of 5-10 o C / min
2 < k < 200; k=l/d,
где k - коэффициент пропорциональности;
l - длина стеклокерамического элемента;
d - диаметр окружности, описанной вокруг поперечного сечения элемента.14. The construction according to p. 3, characterized in that the cells of the matrix are filled with glass-ceramic elements in the form of rods, posts or tubes, the overall dimensions of which are determined by the ratios
2 <k <200; k = l / d,
where k is the coefficient of proportionality;
l is the length of the glass-ceramic element;
d is the diameter of the circle described around the cross section of the element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001108284A RU2176624C1 (en) | 2001-03-29 | 2001-03-29 | Glass ceramic, method of preparing thereof and protective structure based thereon |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001108284A RU2176624C1 (en) | 2001-03-29 | 2001-03-29 | Glass ceramic, method of preparing thereof and protective structure based thereon |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2176624C1 true RU2176624C1 (en) | 2001-12-10 |
Family
ID=20247714
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001108284A RU2176624C1 (en) | 2001-03-29 | 2001-03-29 | Glass ceramic, method of preparing thereof and protective structure based thereon |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2176624C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2466107C2 (en) * | 2010-12-10 | 2012-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (НИУ ИТМО) | Glassceramic optical material with abrupt absorption edge in uv-spectrum and method of producing said material |
| RU2510374C1 (en) * | 2012-07-20 | 2014-03-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Cast stone material |
| RU2552284C2 (en) * | 2009-12-23 | 2015-06-10 | Фраунхофер-Гезельшафт Цур Фёрдерунг Дер Ангевандтен Форшунг Е.В. | Lithium disilicate-based glass-ceramic material, method for production thereof and use |
| RU2612707C2 (en) * | 2012-05-11 | 2017-03-13 | Ивоклар Вивадент Аг | Pre-sintered workpiece for teeth |
| US10470854B2 (en) | 2012-05-11 | 2019-11-12 | Ivoclar Vivadent Ag | Pre-sintered blank for dental purposes |
| RU2760487C1 (en) * | 2021-04-20 | 2021-11-25 | Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина» | Ultrasonic method for measuring the height of vertically oriented planar defects in glass-ceramic materials of aircraft structural elements |
-
2001
- 2001-03-29 RU RU2001108284A patent/RU2176624C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2552284C2 (en) * | 2009-12-23 | 2015-06-10 | Фраунхофер-Гезельшафт Цур Фёрдерунг Дер Ангевандтен Форшунг Е.В. | Lithium disilicate-based glass-ceramic material, method for production thereof and use |
| RU2466107C2 (en) * | 2010-12-10 | 2012-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (НИУ ИТМО) | Glassceramic optical material with abrupt absorption edge in uv-spectrum and method of producing said material |
| RU2612707C2 (en) * | 2012-05-11 | 2017-03-13 | Ивоклар Вивадент Аг | Pre-sintered workpiece for teeth |
| US9757217B2 (en) | 2012-05-11 | 2017-09-12 | Ivoclar Vivadent Ag | Pre-sintered blank for dental purposes |
| US10206761B2 (en) | 2012-05-11 | 2019-02-19 | Ivoclar Vivadent Ag | Pre-sintered blank for dental purposes |
| US10470854B2 (en) | 2012-05-11 | 2019-11-12 | Ivoclar Vivadent Ag | Pre-sintered blank for dental purposes |
| RU2510374C1 (en) * | 2012-07-20 | 2014-03-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Cast stone material |
| RU2760487C1 (en) * | 2021-04-20 | 2021-11-25 | Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина» | Ultrasonic method for measuring the height of vertically oriented planar defects in glass-ceramic materials of aircraft structural elements |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6112635A (en) | Composite armor panel | |
| US5763813A (en) | Composite armor panel | |
| US7117780B2 (en) | Composite armor plate | |
| CA2328214C (en) | Composite armor panel | |
| US6289781B1 (en) | Composite armor plates and panel | |
| JP2709814B2 (en) | Armor material | |
| US8176828B2 (en) | Glass-ceramic with laminates | |
| EP0843149B1 (en) | Composite armor panel and manufacturing method therefor | |
| US8338318B2 (en) | Glass ceramic armor material | |
| CA2309053C (en) | Composite armor panel | |
| EP0929788A1 (en) | Ceramic bodies for use in composite armor | |
| ITMI20072194A1 (en) | MAKING MATERIAL AND PROCEDURE PE RLA ITS PRODUCTION | |
| KR20090110332A (en) | Hybrid laminated transparent armor | |
| RU2176624C1 (en) | Glass ceramic, method of preparing thereof and protective structure based thereon | |
| Crouch et al. | Glasses and ceramics | |
| CA2331529C (en) | Composite armor plate | |
| EP0942255B1 (en) | Composite armor panel | |
| RU2294517C2 (en) | Composite material and method for production of composite material (modifications) | |
| EP3069097B1 (en) | Antiballistic garment | |
| EP4048972B1 (en) | Ballistic protection material | |
| CA2206262C (en) | Composite armor panel | |
| WO2023012603A1 (en) | Method for producing a composite resistant material and resistant material thus obtained | |
| PL243558B1 (en) | Ballistic cover | |
| NZ504079A (en) | Composite Armor Panel with high density ceramic pellets in rows bound and retained in plate form, ceramic pellets have an alumina content of at least 93% and at least one axis of 3mm in length | |
| AU6744398A (en) | Composite armor panel |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130330 |