Бронебойную пулю остановит сапфир

Группа ученых из Украины, России, Чехии и Словакии работает над созданием «легкой прозрачной брони» на основе искусственного сапфира. Новый материал предполагается использовать в транспортных средствах повышенной защищенности вместо бронированного стекла. При меньшей толщине и меньшем весе прозрачная броня на основе сапфира будет иметь более высокие технические характеристики. Проект, который должен быть завершен весной 2009 года, финансируется в рамках программы НАТО «Наука во имя мира».

— Леонид Аркадьевич, мне уже не раз приходилось писать о харьковских разработках, в которых используется искусственный сапфир. Это особо стойкая химическая посуда, скальпели, имплантаты для медицины, подложки для светодиодов… Как появилась идея изготавливать из драгоценного камня броню? — спрашиваю начальника отдела монокристаллов корунда НТК «Институт монокристаллов» Л. Литвинова.

— Человек изобрел броню вслед за оружием — ответом на стрелу, удар меча или копья стали кольчуга, латы, шлем. Потом появилось огнестрельное оружие, и требования к прочности брони резко возросли. По сути, прогресс в области военных технологий является своего рода соревнованием между оружием и защитой от него. Броня из металлов и сплавов, керамики и композитов используется сейчас, в частности, в летательных аппаратах, автомобилях, танках, БТР, плавательных средствах и, конечно, для индивидуальной защиты тела. И везде есть окна, которые должны обеспечивать обзор находящимся внутри людям. Существующие бронестекла для них уже исчерпали себя. Улучшить их механическую прочность можно, но для этого нужно наращивать толщину, а она уже и так достигла предела — 100 миллиметров. Квадратный метр такого стекла весит около 80 килограммов. Не каждый автомобиль способен нести такие бронированные стекла, не говоря уже о защитном шлеме для спецназовца.

Вот и появилась идея на основе сапфира сделать стеклопакет, состоящий из трех прозрачных материалов, каждый из которых выполняет определенную функцию. В этом проекте помимо НТК «Институт монокристаллов» участвуют еще три организации. Это Физико-технический институт им. Иоффе в Санкт-Петербурге, где работают баллистики высокого класса, Институт неорганической химии в Словакии, известный своими разработками стекла, и компания Saint Gobain Advanced Ceramics в Чехии, где разрабатывают пластмассовую подложку и методику сборки стеклопакета.

— Что представляет собой стеклопакет?

— Первый наружный слой, встречный по отношению к пуле, — это специальный упрочненный сапфир. Его функция — превратить конусную пулю в цилиндрическую, то есть сплющить ее кончик. И мы этого добились. Чтобы максимально упрочнить сапфир, специалисты института воздействовали на выращиваемый кристалл различными физическими и химическими методами. Например, меняли кристаллографические характеристики, насыщая сапфир различными связями, которые не влияют на оптику, но увеличивают прочность камня. Наш стеклопакет будет немного дороже 100-миллиметрового бронестекла, зато в три раза тоньше, причем сам сапфир имеет толщину всего 7 миллиметров. Все разработанные в НТК технологии упрочнения сапфира защищены патентами.

Кстати сказать, первые испытания сапфировой брони проводились с санкций СБУ собственными силами в Харькове. Сотрудники спецслужб расстреливали пластины из автомата Калашникова. Сегодня «расстрелы» проходят в российской лаборатории, где умеют фотографировать в рентгеновских лучах пулю, летящую со скоростью 950 метров в секунду, а также процессы, которые происходят при ее попадании в цель.

Когда пуля после встречи с монокристаллом становится цилиндрической, кинетическую энергию поглощает следующий слой — стекло. Потом идет тонкий слой эластичной прозрачной пластмассы, который убережет человека от осколков. Даже если выстрел будет произведен бронебойным оружием с близкого расстояния, пуля сквозь такой «сэндвич» не проникнет, в месте попадания появятся трещины — вот и все. Если попадание будем прямым, последний пластмассовый слой может слегка выгнуться. Хочу напомнить, что сейчас террористы, спецназовцы и снайперы вооружены винтовками с бронебойными пулями.

— На каких основах происходит сотрудничество НТК «Институт монокристаллов» с НАТО?

— В 2006 году мы получили грант этой организации на три года как участники научного коллектива, в котором есть специалисты из стран-членов НАТО — Чехии и Словакии. В результате коллектив разработчиков должен будет предъявить этой организации стеклопакет целиком как изделие с брендовым названием «легкая прозрачная броня». Кстати, эта работа никогда не будет закончена, уже разрабатываются пули с более твердыми наконечниками, которые гораздо мощнее обычных бронебойных.

— Благодаря целому набору качеств — чистоте, твердости, высокой температуре плавления, коррозионной и радиационной стойкости, биоинертности — сапфир оказался «мастером на все руки». Можно ли ожидать, что появятся новые области применения этого драгоценного камня?

— Сапфир обладает уникальной сочетаемостью востребованных в высоких технологиях свойств, которые до конца пока не изучены. И в этом смысле вряд ли его что-то заменит. Более того, с каждым годом область применения этих кристаллов расширяется. Они работают сегодня и в космосе, например защищают пластины солнечных батарей космических аппаратов от метеоритного дождя, и в быту — японцы делают очки с сапфировыми стеклами, которые не царапаются и к тому же более тонкие и легкие, чем стеклянные.

Институт монокристаллов работает с этим камнем несколько десятков лет и сейчас у него наибольшее в Европе производство крупных кристаллов сапфира. Недавно мы издали единственную в мире «Энциклопедию сапфира». Она содержит наиболее полный свод сведений о получении и применении искусственных сапфиров, о возможностях целенаправленно изменять их свойства. Сейчас готовится следующее издание на английском языке, которое расскажет о применении сапфира в науке и технологии. Среди соавторов — ученые США и Израиля. Но я уверен, что возможности этого кристалла далеко не исчерпаны.

— А природные сапфиры имеют еще какое-то значение?

— Да, они используются в производстве ювелирных изделий. Покупательницам хочется, чтобы кристалл был природным. Но искусственный сапфир нетрудно подделать под естественный. Для этого достаточно при его выращивании добавить соответствующие примеси, например железа, которое обычно присутствует в природном сапфире, но не используется при выращивании искусственных, поскольку ухудшает их свойства. Мы можем не только имитировать природный сапфир, но и вырастить такой, которого не существует в природе.

Для справки

Сапфир — прозрачная, голубая или синяя разновидность корунда, оксида алюминия Al2O3, который называют также кристаллическим глиноземом. Название происходит от греческого «sappheiros», то есть «синий камень». Однако цветовая гамма сапфиров разнообразна — они бывают пурпурно-голубыми, зелеными, желтыми, бесцветными, оранжевыми, розово-оранжевыми. Красный корунд называется рубином. Этот камень использовался при создании корон, в частности, он украшает короны Российской и Британской империй. В древности он считался символом власти, верности, целомудрия и скромности, люди верили, что он олицетворяет высшие духовные ценности.

Сапфир без всякого для него вреда можно бросить в мартеновскую печь, где плавится самый тугоплавкий металл, погрузить в «царскую водку» и любую другую кислоту или щелочь и даже оставить в эпицентре атомного взрыва. Не многие земные материалы могут выдержать такие экстремальные условия. При этом по твердости сапфир уступает только алмазу, является чемпионом по прозрачности как для видимого света, так и для ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Сюда можно еще добавить ценимые специалистами высокую теплопроводность при низких температурах и низкие диэлектрические потери.

Использовать все эти замечательные свойства в науке и технике мешало то обстоятельство, что естественные кристаллы недостаточно крупны, часто неоднородны и слишком дороги. У специалистов давно появилась идея не полагаться на капризы природного процесса и слой за слоем вырастить из специально подобранного расплава нужный монокристалл. Первые искусственные сапфиры были синтезированы в начале прошлого века, а к началу нынешнего специалисты научились выращивать монокристаллы разного веса, заданной формы, размеров и свойств. С помощью особых формообразователей поставлено на поток изготовление изделий для самых различных отраслей науки и техники.