Бронебійну кулю зупинить сапфір

Група науковців з України, Росії, Чехії та Словаччини працює над створенням «легкої прозорої броні» на основі штучного сапфіру. Новий матеріал передбачається використовувати в транспортних засобах підвищеної захищеності замість броньованого скла. За меншої товщини та меншої ваги прозора броня на основі сапфіру матиме вищі технічні характеристики. Проект, що має бути завершено навесні 2009 року, фінансують у рамках програми НАТО «Наука в ім’я миру».

— Леоніде Аркадійовичу, мені вже не раз доводилося писати про харківські розробки, в яких використовують штучний сапфір. Це особливо міцний хімічний посуд, скальпелі, імплантати для медицини, підкладки для світлодіодів... Як з’явилася ідея виготовляти з коштовного каменю броню? — запитую начальника відділу монокристалів корунду НТК «Інститут монокристалів» Л.Литвинова.

— Людина винайшла броню слідом за зброєю — і як відповідь на стрілу, удар меча чи списа створила кольчугу, лати, шолом. Потім з’явилася вогнепальна зброя, і вимоги до міцності броні різко зросли. По суті, прогрес в галузі військових технологій є свого роду змаганням між зброєю та захистом від неї. Броня з металів і сплавів, кераміки та композитів використовується зараз, зокрема, у літальних апаратах, автомобілях, танках, БТР, плавальних засобах і, звісно, для індивідуального захисту тіла. І скрізь є вікна, що мають забезпечувати огляд людям, котрі перебувають усередині. Існуюче бронескло для них уже вичерпало себе. Поліпшити його механічну міцність можна, але для цього потрібно нарощувати товщину, а вона вже й так досягла межі — 100 міліметрів. Квадратний метр такого скла важить близько 80 кілограмів. Не кожен автомобіль здатен нести таке броньоване скло, не кажучи вже про захисний шолом для спецназівця.

От і з’явилася ідея на основі сапфіру створити склопакет, що складається з трьох прозорих матеріалів, кожен із яких виконує певну функцію. У цьому проекті окрім НТК «Інститут монокристалів» беруть участь ще три організації. Це Фізико-технічний інститут ім. Іоффе в Санкт-Петербурзі, де працюють балістики високого класу, Інститут неорганічної хімії в Словаччині, відомий своїми розробками скла, і компанія Saint Gobain Advanced Ceramics у Чехії, де розробляють пластмасову підкладу і методику складання склопакета.

— Що являє собою склопакет?

— Перший зовнішній шар, зустрічний щодо кулі, — це спеціальний зміцнений сапфір. Його функція — перетворити конусну кулю на циліндричну, тобто сплющити її кінчик. І ми цього домоглися. Щоб максимально зміцнити сапфір, фахівці інституту впливали на вирощуваний кристал різними фізичними та хімічними методами. Наприклад, змінювали кристалографічні характеристики, насичуючи сапфір різними зв’язками, які не чинять вплив на оптику, проте збільшують міцність каменю. Наш склопакет буде трохи дорожчим за 100-міліметрове бронескло, однак втричі тоншим, причому сам сапфір має товщину лише 7 міліметрів. Всі розроблені в НТК технології зміцнення сапфіру захищені патентами.

До речі, перші випробування сапфірової броні проводили з санкцій СБУ власними силами у Харкові. Працівники спецслужб розстрілювали пластини з автомата Калашнікова. Сьогодні «розстріли» проходять у російській лабораторії, де вміють фотографувати в рентгенівських променях кулю, що летить зі швидкістю 950 м/с, а також ті процеси, що відбуваються при її влученні в ціль.

Коли куля після зустрічі з монокристалом стає циліндричною, кінетичну енергію поглинає наступний шар — скло. Потім йде тонкий шар еластичної прозорої пластмаси, котра убереже людину від осколків. Навіть якщо постріл буде зроблено бронебійною зброєю з близької відстані, куля крізь такий «сендвіч» не пройде, у місці влучення з’являться тріщини — це і все. Якщо влучення буде прямим, останній пластмасовий шар може трохи вигнутися. Хочу нагадати, що зараз терористи, спецназівці і снайпери озброєні гвинтівками з бронебійними кулями.

— На яких засадах НТК «Інститут монокристалів» співпрацює з НАТО?

— 2006 року ми отримали грант цієї організації на три роки як учасники наукового колективу, в якому є фахівці з країн — членів НАТО — Чехії та Словаччини. Як результат роботи колектив розробників має подати цій організації склопакет повністю як виріб із брендовою назвою «легка прозора броня». До речі, цю роботу ніколи не буде закінчено, вже розробляють кулі з твердішим наконечником, які значно міцніші за звичайні бронебійні.

— Завдяки цілому набору властивостей — чистоті, твердості, високій температурі плавлення, корозійній і радіаційній стійкості, біоінертності — сапфір виявився «майстром на всі руки». Чи можна очікувати, що з’являться нові галузі застосування цього коштовного каменю?

— Сапфір має унікальне поєднання затребуваних у високих технологіях властивостей, які поки не вивчені до кінця. І в цьому сенсі навряд чи його щось замінить. Більше того, з кожним роком сфера застосування цих кристалів розширюється. Вони працюють сьогодні й у космосі, наприклад, захищають пластини сонячних батарей космічних апаратів від метеоритного дощу, і в побуті — японці створили окуляри із сапфіровими скельцями, які не дряпаються і до того ж тонші й легші, аніж скляні.

Інститут монокристалів працює з цим каменем кілька десятків років, і зараз у нас найбільше в Європі виробництво великих кристалів сапфіру. Нещодавно ми видали єдину у світі «Енциклопедію сапфіру». В ній містяться найповніші дані про отримання і застосування штучних сапфірів, про можливості цілеспрямовано змінювати їхні властивості. Зараз готується наступне видання англійською мовою, що розповість про застосування сапфіру в науці та нових технологіях. Серед співавторів — учені США й Ізраїлю. Проте я переконаний, що можливості цього кристалу далеко не вичерпані.

— А природні сапфіри мають ще якесь значення?

— Так, їх використовують у ювелірних виробах. Покупницям хочеться, щоб кристал був природним. Але штучний сапфір неважко підробити під природний. Для цього досить при його вирощуванні додати відповідні домішки, наприклад заліза, котре зазвичай присутнє у природних сапфірах, але не використовується при вирощуванні штучних, оскільки погіршує їхні властивості. Ми можемо не лише імітувати природний сапфір, а й виростити такий, якого не існує в природі.

Для довідки

Сапфір — прозорий, блакитний або синій різновид корунду, оксиду алюмінію Al₂O₃, котрий називають також кристалічним глиноземом. Назва походить від грецького sappheiros, тобто «синій камінь». Однак колірна гама сапфірів різноманітна — вони бувають пурпурово-блакитними, зеленими, жовтими, безбарвними, жовтогарячими, рожево-жовтогарячими. Червоний корунд називається рубіном. Цей камінь використовували при створенні корон, зокрема, він прикрашає корони Російської та Британської імперій. У давнину він вважався символом влади, вірності, цнотливості та скромності, люди вірили, що він уособлює вищі духовні цінності.

Сапфір без шкоди для нього можна кинути в мартенівську піч, де плавиться найбільш тугоплавкий метал, занурити в «царську горілку» і будь-яку іншу кислоту чи луг і навіть залишити в епіцентрі атомного вибуху. Не багато земних матеріалів можуть витримати такі екстремальні умови. При цьому за твердістю сапфір поступається лише алмазу, є чемпіоном із прозорості як для видимого світла, так і для ультрафіолетового й інфрачервоного випромінювання. Сюди можна ще додати цінні для фахівців високу теплопровідність за низьких температур і низькі діелектричні втрати.

Використати всі ці чудові властивості в науці й техніці заважала та обставина, що природні кристали недостатньо великі, часто неоднорідні й занадто дорогі. Фахівці давно мріяли не покладатися на примхи природного процесу і шар за шаром виростити зі спеціально підібраного розплаву потрібний монокристал. Перші штучні сапфіри було синтезовано на початку минулого століття, а на початку поточного фахівці навчилися вирощувати монокристали різної ваги, заданої форми, розмірів і властивостей. З допомогою особливих формотворних приладів поставлено на потік виготовлення виробів для найрізноманітніших галузей науки та техніки.