Стекло многослойное и бронированное

В один из дней 1903-го года французский химик Эдуард Бенедикт готовился к очередному эксперименту в лаборатории – он не глядя протянул руку за чистой колбой, стоявшей на полке в шкафу, и уронил ее. Взяв метлу и совок чтобы убрать осколки, Эдуард подошел к шкафу и обнаружил с удивлением, что колба хоть и разбилась, но все ее фрагменты остались на месте, их соединяла друг с другом какая-то пленка. Химик позвал лаборанта – тот был обязан мыть стеклянную посуду после опытов – и попытался выяснить, что было в колбе. Оказалось, что эта емкость использовалась несколько дней назад в ходе экспериментов с нитратом целлюлозы (нитроцеллюлозой) – спиртовым раствором жидкого пластика, небольшое количество которого после испарения спирта осталось на стенках колбы и застыло пленкой. А поскольку слой пластика был тонок и достаточно прозрачен, лаборант решил, что емкость пуста.

Спустя пару-тройку недель после истории с не разлетевшейся на осколки колбой, Эдуарду Бенедикту попалась на глаза заметка в утренней газете, в которой описывались последствия лобовых столкновений нового в те годы вида транспорта – автомобилей. Ветровое стекло разлеталось осколками, нанося водителям множественные порезы, лишая зрения и нормальной внешности. Фотографии пострадавших произвели на Бенедикта тягостное впечатление и тут он вспомнил о «небьющейся» колбе. Бросившись в лабораторию, следующие 24 часа своей жизни французский химик посвятил созданию небьющегося стекла. Он наносил нитроцеллюлозу на стекло, сушил слой пластика и бросал композит на каменный пол – снова, снова и снова. Так Эдуард Бенедикт изобрел первое стекло-триплекс.

Многослойное стекло

Стекло, образованное несколькими слоями из силикатного или органического стекла, соединенными особой полимерной пленкой, называется триплексом. В качестве полимера, соединяющего стекла, обычно используется поливинилбутираль (PVB). Существует два основных способа производства многослойного стекла триплекс – заливной и ламинационный (автоклавный или вакуумный).

Технология заливного триплекса. Листы флоат-стекла нарезаются по размерам, при необходимости им придается изогнутая форма (выполняется моллирование). После тщательно очистки поверхностей стекла укладываются друг на друга с тем, чтобы между ними оставался просвет (полость) высотой не более 2 мм – дистанция фиксируется с помощью особой резиновой полосы. Совмещенные листы стекла выставляются под углом к горизонтальной поверхности, в полость между ними заливается поливинилбутираль, резиновая вставка по периметру препятствует его вытеканию. Чтобы достичь равномерности полимерного слоя, стекла помещают под пресс. Окончательное соединение листов стекла за счет отверждения поливинилбутираля происходит под ультрафиолетовым излучением в специальной камере, внутри которой поддерживается температура в диапазоне от 25 до 30^оС. После формирования триплекса, из него извлекается резиновая лента и производится обточка кромки.

Автоклавная ламинация триплекса. После резки листов стекла, обработки кромок и моллирования, они очищаются от загрязнений. По окончании подготовки листов флоат-стекла, между ними укладывается PVB пленка, сформированный «сэндвич» помещается в пластиковую оболочку – в вакуумной установке из пакета полностью выводится воздух. Окончательное соединение слоев «сэндвича» происходит в автоклаве, под давлением 12,5 бар и температурой 150^оС.

Вакуумная ламинация триплекса. По сравнению с автоклавной технологией, вакуумная триплексация выполняется при меньших давлении и температуре. Последовательность рабочих операций у них схожа: нарезка стекла, придание изогнутой формы в моллирующей печи, обточка кромок, тщательная чистка и обезжиривание поверхностей. При формировании «сэндвича» между стеклами помещается этиленвинилацетатная (EVA) или PVB пленка, затем их помещают в вакуумную машину, предварительно уложив в пластиковый мешок. Спаивание стеклянных листов происходит именно в этой установке: откачивается воздух; «сэндвич» нагревается до максимальных 130^оС, происходит полимеризация пленки; триплекс охлаждается до 55^оС. Полимеризация выполняется в разреженной атмосфере (- 0,95 бар), при снижении температуры до 55^оС давление в камере выравнивается до атмосферного и, как только температура многослойного стекла составит 45^оС, формирование триплекса завершается.

Многослойное стекло, созданное по заливной технологии, более прочное, но менее прозрачное, чем ламинированный триплекс.

Из стеклянных сэндвичей, выполненных по одной из триплекс-технологий, создаются лобовые стекла автомашин, они необходимы для остекления высотных зданий, в построении перегородок внутри офисов и жилых домов. Триплекс популярен у дизайнеров – изделия из него являются неотъемлемым элементом стиля модерн.

Но, несмотря на отсутствие осколков при ударе по многослойному «сэндвичу» из силикатного стекла и полимера, пулю он не остановит. А вот рассмотренные ниже триплекс-стекла сделают это вполне успешно.

Бронированное стекло – история создания

В 1928 году немецкие химики создают новый материал, немедленно заинтересовавший авиаконструкторов – плексиглас. В 1935 году руководителю НИИ «Пластмасс» Сергею Ушакову удалось достать в Германии образец «гибкого стекла», советские ученые занялись его исследованием и разработкой технологии серийного производства. Спустя год производство органического стекла из полиметилметакрилата было начало на заводе «К-4» в Ленинграде. Одновременно были начаты эксперименты, направленные на создание бронированного стекла.

Закаленное стекло, созданное в 1929 году французской компанией SSG, в середине 30-х годов под названием «сталинит» выпускалось в СССР. Технология закалки заключалась в следующем – листы самого обычного силикатного стекла нагревались до температур в диапазоне от 600 до 720^оС, т.е. выше температуры размягчения стекла. Затем лист стекла подвергался быстрому охлаждению – потоки холодного воздуха за несколько минут понижали его температуру до 350-450^оС. Благодаря закалке стекло получало высокие прочностные свойства: сопротивляемость удару возрастала в 5-10 раз; прочность на изгиб – не менее чем в два раза; термостойкость – в три-четыре раза.

Однако, несмотря на высокую прочность, «сталинит» не годился для моллирования с целью формирования фонаря кабины самолета – закалка не позволяла его гнуть. Кроме того закаленное стекло содержит в себе значительное количество зон внутреннего напряжения, легкий удар по ним приводил к полному разрушению всего листа. «Сталинит» нельзя резать, обрабатывать и сверлить. Тогда советские конструкторы решили комбинировать пластичное оргстекло и «сталинит», превратив их недостатки в достоинство. Предварительно формованный фонарь самолета покрывался небольшими плитками из закаленного стекла, клеем служил поливинилбутираль.

Вхождение бывших советских республик в капитализм с началом 90-х годов резко повысило спрос на защиту бронированным стеклом автомашин инкассаторов и пунктов обмена валюты. Одновременно возникла потребность в «прозрачной броне» для легковых автомобилей бизнесменов. Поскольку производство настоящего бронестекла было дорогим, как и конечная продукция, ряд фирм наладили выпуск имитации бронированного стекла – это был триплекс довольно посредственного качества, полимеризация пленочного PVB выполнялось в ускоренном режиме, с применением ультрафиолетового облучения. Готовая продукция была способна выдержать пистолетную пулю с дистанции 5 метров, т.е. соответствовала лишь 2-му классу защиты (всего их шесть). Массивные бронированные стекла такого типа плохо выдерживали температурные перепады более +20 и ниже -22^оС – уже через полгода слои триплекса частично расслаивались, их и без того невысокая прозрачность серьезно снижалась.

Прозрачная броня

Современное бронестекло, также называемое прозрачной броней, представляет собой многослойный композит, образованный листами силикатного стекла, оргстекла, полиуретана и поликарбоната. Также в состав бронированного триплекса могут входить кварцевое и керамическое стекло, синтетический сапфир.

Европейские производители бронестекол выпускают в основном триплекс, состоящий из нескольких «сырых» флоат-стекол и поликарбоната. К слову, незакаленное стекло в среде компаний, выпускающих прозрачную броню, называется «сырым» - в триплексе с поликарбонатом применяется именно «сырое» стекло.

Лист поликарбоната в таком многослойном стекле устанавливается на сторону, обращенную внутрь защищаемого помещения. Задача пластика заключается в гашении колебаний, вызванных ударной волной при столкновении пули с бронестеклом, чтобы избежать образования новых осколков в листах «сырого» стекла. Если поликарбонат в составе триплекса отсутствует, то ударная волна, движущаяся перед пулей, разобьет стекла еще до фактического ее соприкосновения с ними и пуля беспрепятственно пройдет через такой «сэндвич». Недостатки бронестекол с поликарбонатной вставкой (равно, как и с любым полимером в составе триплекса): значительный вес композита, особенно по классам 5-6а (достигает 210 кг за м²); низкая стойкость пластика к абразивному износу; отслоение поликарбоната со временем из-за температурных перепадов.

<Другое, перспективное направление в создании прозрачной брони базируется на ином принципе. Лист прозрачного пластика устанавливается в триплекс все также последним, а первыми монтируются вставки из лейкосапфира, керамического или кварцевого стекла – именно они должны встретить пулю. Лицевой слой триплекса, образованный перечисленными сверхтвердыми материалами, ломает либо плющит пулю, средний слой из термически или химически упрочненного стекла удержит поврежденную внутри стеклянного «сэндвича», а последний, пластиковый слой – погасит ударную волну и импульс от первичных осколков, не позволяя образовываться вторичным осколкам. Для защиты поликарбоната от абразивного износа, на него наносится пленка типа stop shield. Преимущества такого бронированного многослойного стекла – в 3-4 раза меньший вес и толщина, чем у триплекса из «сырого» стекла. Недостаток – высокая стоимость.

Кварцевое стекло. Производится из оксида кремния (кремнезема) природного происхождения (кварцевого песка, горного хрусталя, жильного кварца) или искусственно синтезированной двуокиси кремния. Обладает высокой термостойкостью и светопропусканием, его прочность выше, чем у силикатного стекла (50 H/мм² против 9,81 H/мм²).

Керамическое стекло. Выполняется из оксинитрида алюминия, разработано в США для нужд армии, запатентованное название – ALON. Плотность этого прозрачного материала выше, чем у кварцевого стекла (3,69 г/см³ против 2,21 г/см³), прочностные характеристики также высоки (модуль Юнга – 334 ГПа, средний предел напряжения при изгибе – 380 МПа, что практически в 7-9 раз превышает аналогичные показатели стекол из оксида кремния).

Искусственный сапфир (лейкосапфир). Представляет собой монокристалл из оксида алюминия, в составе бронестекла придает триплексу максимальные прочностные свойства из возможных. Некоторые его характеристики: плотность – 3,97 г/см³; средний предел напряжения при изгибе – 742 МПа; модуль Юнга – 344 ГПа. Недостаток лейкосапфира заключается в его значительной стоимости из-за высоких производственных энергозатрат, потребностей в сложной механической обработке и полировке.

Химически упрочненное стекло. «Сырое» силикатное стекло погружают в ванну с водным раствором фтороводородной (плавиковой) кислоты. После химической закалки стекло становится в 3-6 прочнее, его ударная вязкость возрастает шестикратно. Недостаток – прочностные характеристики упрочненного стекла ниже, чем у термически закаленного.

Рама для бронированного стекла

Применение бронированного триплекса в остекление еще не означает, что перекрытый им проем будет пуленепробиваемым – необходима рама специальной конструкции. Она создается в основном из металлических профилей, чаще всего алюминиевых. В пазы, расположенные вдоль линии стыка триплекса и рамного профиля, устанавливаются накладки из стали, защищающие наиболее слабое место в бронированной оконной конструкции от удара или контакта с пулей.

Защитные бронированные накладки также можно устанавливать снаружи рамной конструкции, однако это снизит эстетические характеристики окна. Для достижения максимального уровня защиты рамы могут быть выполнены целиком из стального профиля (накладки в этом случае не нужны), но они станут очень громоздки и обойдутся дорого.

Вес бронированного окна часто превышает 300 кг на м², выдержать его способен не каждый строительно-конструкционный материал. Поэтому монтаж бронированной оконной конструкции допустим лишь для железобетонных и кирпичных стен. Открыть створку бронированного окна ввиду ее высокого веса непросто, для этой цели используются сервоприводы.