Інноваційні технології створення склокомпозиційних матеріалів для сучасних бронежилетів

Abstract

У роботі проведено матеріалознавчий аналіз та експериментальне дослідження керамокомпозитного бронеелемента для індивідуального захисту. Метою було визначити оптимальну комбінацію керамічних і композитних шарів, що забезпечує ефективне руйнування снарядів, поглинання кінетичної енергії й мінімізацію маси. Запропоновано багатошарову архітектуру «жорстка керамічна поверхня — склокомпозиційний проміжний шар — полімерна підкладка», яка забезпечує послідовне розсіяння енергії й локалізацію руйнувань. Особливу увагу приділено розробці сподуменових склокристалічних матеріалів, модифікованих Y₂O₃-стабілізованим ZrO₂. Введення стабілізованого ZrO₂ стимулює формування тонкодисперсної β-сподуменової фази (до 85 об.%), що підвищує тріщиностійкість (K₁C ≈ 8,1 МПа·м0,5) і модуль пружності (E ≈ 320 ГПа) при зниженій щільності (~2410 кг/м3) порівняно з SiC. Досліджено термограми, мікроструктуру, фазовий склад і механічні властивості; отримані дані свідчать про підвищену вогнестійкість і здатність матеріалу виконувати функції руйнівного та демпферного шарів. Економічна оцінка показала кращий баланс «ціна – якість» у сподуменових склокомпозитів порівняно з карбідами, що знижує вартість бронеелементів при збереженні експлуатаційних характеристик. Набір рекомендацій охоплює технологічні маршрути, контроль адгезії та результати початкових випробувань, що підтверджують життєздатність рішень. Результати підтверджують перспективність застосування розроблених матеріалів у багатошарових бронеелементах класів 4–6 за ДСТУ 8782:2018. Запропоновані матеріали придатні для індивідуального захисту та бойової техніки; їх впровадження може знизити експлуатаційні витрати. The paper presents a materials-science analysis and experimental study of a ceramic-composite armor element for personal protection. The aim was to determine the optimal combination of ceramic and composite layers that ensures effective projectile break-up, kinetic energy absorption, and mass minimization. A multilayer architecture of “rigid ceramic front face — glass-composite intermediate layer — polymer backing” is proposed to provide sequential energy dissipation and localization of damage. Special attention was paid to the development of spodumene-based glass-ceramic materials modified with Y₂O₃-stabilized ZrO₂. Addition of stabilized ZrO₂ promotes formation of a fine-grained β-spodumene phase (up to 85 vol.%), which increases fracture toughness (K₁C ≈ 8.1 MPa·m0.5) and elastic modulus (E ≈ 320 GPa) while reducing density (~2410 kg·m-3) compared to SiC. Thermograms, microstructure, phase composition and mechanical properties were investigated; the data indicate enhanced fire resistance and the ability of the material to function as both a sacrificial (fracturing) and damping layer. Economic assessment shows a superior cost–performance ratio of spodumene glass-composites versus carbides, reducing armor element cost while maintaining operational properties. Recommendations cover manufacturing routes, interlayer adhesion control and initial test results confirming feasibility. The results support the prospective application of the developed materials in multilayer armor elements of protection classes 4–6 according to DSTU 8782:2018. The proposed materials are suitable for personal protection and military vehicles and may reduce operational costs.