Применение наноматериалов б военной технике

Нанотехнологиям предстоит стать ключевой отраслью для создания сверхсовременного и сверхэффективного вооружения, а также средств связи. Композиционные материалы давно используются в оборонной промышленности. Например, для повышения прочности и уменьшения массы авиационной техники широко применяют пластики, армированные стекловолокном и углеродными волокнами. Развитие нанотехнологий привело в последние годы к возникновению совершенно нового класса таких материалов с повышенными характеристиками, а именно нанокомпозитов или композитов с нанопримесями.

Введение

наноматериалов в некоторые композиты дает возможность почти вдвое повысить коэффициенты упругости и твердости, увеличить на 50% прочность на растяжение и вязкость, а также в 10 раз снизить их проницаемость для различных жидких веществ. Чередование в гибридных материалах тонких слоев жестких и пластичных полимеров позволяет создать очень легкие и прозрачные щиты для индивидуальной защиты.

Введение

нанотрубок в качестве наполнителя придает некоторым композиционным материалам электропроводность и другие важные свойства.

Композиты с добавками углеродных нанотрубок обладают исключительно высокой прочностью при растяжении, что позволяет создавать на их основе качественно новые, высокопрочные и очень легкие конструкционные материалы.

Так называемые многофункциональные полимерные материалы могут быть использованы при изготовлении ракетных двигателей, динамичных и разворачивающихся в пространстве конструкций, а также при производстве многих стандартных предметов армейского оборудования (например, резервуаров, шин и т. п.).

В военном деле наноматериалы применяются в качестве радиопоглощающего покрытия самолетов-невидимок «Стелс», в новых видах взрывного оружия. В «графитовой бомбе» используются углеродные нановолокна, выводящие из строя энергосистемы противника.

Производство более легких и прочных материалов, безусловно, будет способствовать развитию разнообразных обычных типов стрелкового и ствольного оружия, дальность действия которого возрастет за счет использования более эффективных зарядов и, соответственно, большей скорости вылета снаряда любого типа из ствола. Для баллистических ракет, самолетов и разнообразных летательных аппаратов использование более легких и прочных наноматериалов будет означать повышение скорости и дальности полета, повышение нагрузки и/или уменьшение размеров и массы всей установки.

Предполагается, что нановолокнистые композиты постепенно вытеснят (вплоть до полной замены) сталь в качестве конструкционного материала для изготовления стволов, затворов и других элементов стрелкового и легкого оружия. В настоящее время почти все виды сердечников бронебойных снарядов и пуль изготавливаются из материалов повышенной плотности, чаще всего из сплавов вольфрама с обедненным ураном в виде цилиндрических стержней с заостренным наконечником. Подкалиберные снаряды ускоряются в оружейном стволе за счет использования гильзы, отделяющейся от снаряда после вылета из ствола. Плотность чистых вольфрама и урана составляет 19,3 и 19,0 г/см3, что почти соответствует предельной плотности упаковки тяжелых атомов кристаллической решетки в природе. Вследствие этого любые технологии, в том числе и наноматериалы, практически не могут сколь-нибудь заметным образом изменить реальную плотность таких сердечников.

Принципиально иной путь использования наноматериалов для повышения пробивной эффективности бронебойных снарядов связан с применением взрывчатых зарядов заданной формы. В снарядах такого типа металлические наночастицы могут находиться в конической обкладке, которая при ударе и взрыве трансформируется, создавая высокотемпературную реактивную струю.

Проблемы национальной безопасности

Министерство обороны США более 10 лет назад признало важность исследований по нанотехнологиям и активно способствовало развитию работ в этой области.

В США в ближайшие годы ожидается коммерческое производство металлооксидных наночастиц (для обеззараживания боевых отравляющих веществ, для защиты армии и населения при нападении террористов), а также высокопористых нанокомпозитов в виде таблеток или гранул для очистки и дезинфекции воздуха (например, в самолетах, казармах, офисах и т. п.).

Следует, однако, иметь в виду и токсическое действие наночастиц на живые организмы. Известно отрицательное влияние частиц кремниевых соединений и бериллия на здоровье человека, но, в принципе, и другие вещества в виде ультрадисперсных порошков, включая углеродные нанотрубки, могут быть потенциально опасными и требуют осторожного обращения.

Нанотехнологии могут, очевидно, широко использоваться при разработках многих совершенно нетрадиционных видов оружия, особенно связанных с производством новых источников энергии, новых материалов, включая электромагнитное ускорение пуль и снарядов.

В течение ближайших 10 лет можно ожидать появления новых типов легкого и стрелкового оружия из наноматериалов, практически не содержащих металлов, а также новой бронебойной техники.

Броня и средства защиты

Бронирование и средства защиты полицейских и солдат всегда являлись одной из важнейших задач. Применявшаяся ранее так называемая тяжелая защита традиционно представляла собой просто толстый слой прочного и плотного вещества (например, стали), иногда защищенного с внешней стороны тонким слоем другого материала.

В 1960;х годах американской компанией «Дюпон» был предложен материал высокой прочности — синтетическое волокно кевлар. Благодаря прочным межмолекулярным связям кевлар существенно прочнее стали и намного легче любого высокопрочного сплава.

Кевлар был принят на вооружение для изготовления бронежилетов для защиты от пуль солдат и полицейских. В ткань вшивали металлические пластины для дополнительного увеличения прочности.

Все дальнейшие разработки также были направлены на повышение прочности и снижение массы. Японские ученые разработали для легких и удобных бронежилетов материал цейлон. Однако ни кевлар, ни цейлон, как показала баллистическая экспертиза, не давали полной гарантии для защиты персонала.

Нанотехнологии и создаваемые на их основе новые материалы могут принципиально изменить классические виды бронезащиты.

На основе нанокомпозитов или структурированных волокон создают очень легкие и прочные костюмы, доспехи или «униформы» из материалов, которые можно назвать легкобронированными. Такие вещества и материалы становятся все более популярными в сухопутных войсках и авиации. Надежную защиту от стрелкового оружия может обеспечить уже сейчас одежда из нановолокнистой ткани, предназначенной для изготовления сверхлегкой брони или доспехов, вдвое превосходящих по характеристикам все существующие образцы.

Нановолокнистые материалы планируется также использовать для создания тонкослойных покрытий, содержащих наноструктуры заданного типа, способных поглощать или отражать излучение заданной частоты, что должно обеспечить защиту военнослужащих от возможного лазерного или микроволнового облучения.

Можно ожидать не только разработки некоторых типов усовершенствованной тяжелой брони, но и значительных изменений в экипировке и обмундировании личного состава, а также средств защиты. Создаваемые на основе нанотехнологии материалы обычно имеют небольшую плотность и не могут служить защитой от мощных бронебойных снарядов, осколков и других элементов с высокой кинетической энергией. Возможно, такая замена станет важной в близком будущем, когда будут созданы, например, покрытия из аморфных сплавов или металлических стекол.