NL9002590A

NL9002590A - Meerlaagse, anti-ballistische structuur.

Info

Publication number: NL9002590A
Application number: NL9002590A
Authority: NL
Original assignee: Stamicarbon
Priority date: 1990-11-28
Filing date: 1990-11-28
Publication date: 1992-06-16
Also published as: JPH05106999A; EP0488465A1; US5340633A

Description

MEERLAAGSE, ANTI-BALLISTISCHE STRUCTUUR

De uitvinding heeft betrekking op een meerlaagse, anti-ballistische structuur, omvattende een eerste laag die ceramisch tegels omvat en een tweede laag van composiet materiaal, dat polyalkeen filamenten omvat met een rek-modulus van ten minste 40 GPa en een treksterkte van ten minste 1 GPa en een matrix, die de polyalkeen filamenten ten minste gedeeltelijk omgeeft.

Een dergelijke anti-ballistische structuur is bekend uit US-A-4613535.

Indien de bekende anti-ballistische structuur door een projectiel wordt geraakt dan zal de tweede laag daarbij aanzienlijk doorbuigen. Dit effect treedt ook op als het projectiel door de eerste laag van het ceramische materiaal j dringt en het projectiel vervolgens in de tweede laag wordt gestopt.

Dit doorbuigen heeft het nadelige gevolg dat het achterliggende te beschermen object of menselijk lichaam wordt beschadigd, respectievelijk wordt verwond. Het op deze manier verwonden van een menselijk lichaam wordt ook wel het optreden van een "trauma effect" genoemd.

Tevens wordt bij het doorbuigen de tweede laag losgetrokken van een of meer tegels die aanliggen tegen de door het projectiel geraakte tegel. Wordt de bekende anti-ballistische structuur bij een volgende beschieting dichtbij de vorige inslag door een projectiel getroffen, op een van de niet meer door de tweede laag ondersteunde tegels, bijvoorbeeld tijdens beschieting met een repeterend geweer, dan levert de bekende anti-ballistische structuur een sterk verminderde bescherming.

De uitvinding heeft ten doel een anti-ballistische structuur te verschaffen die bovengenoemd nadeel niet bezit. Verrassenderwijs wordt dit bereikt doordat de anti-ballistische structuur volgens de uitvinding tussen de eerste en de tweede laag een tussenlaag omvat van een materiaal met een buigmodulus die hoger is dan de buig-modulus van het composiet materiaal van de tweede laag en lager is dan de buigmodulus van het ceramische materiaal van de eerste laag.

Een verder voordeel van de anti-ballistische structuur volgens de uitvinding is, dat de weerstand tegen de penetratie van een projectiel ten minste gelijk is aan de weerstand tegen penetratie van de bekende anti-ballistische structuur zonder dat het gewicht per oppervlakte-eenheid van de anti-ballistische structuur is toegenomen ten opzichte van het gewicht per oppervlakte-eenheid van de bekende anti-ballistische structuur.

Goede resultaten worden verkregen indien ceramisch materiaal van de eerste laag van de anti-ballistische structuur een dikte bezit tussen 2-12 mm. Bij voorkeur bezit het ceramisch materiaal een dikte tussen 4-8 mm. Als ceramisch materiaal wordt bij voorkeur aluminiumoxide, siliciumcarbide, siliciumnitride of boriumcarbide gekozen.

Voor de polyalkeen filamenten van de tweede laag van de anti-ballistische structuur wordt als polyalkeen bij voorkeur lineair polyalkeen gebruikt.

Onder lineair polyalkeen wordt hier verstaan polyetheen met minder dan 1 zijketen per 100 C-atomen, bij voorkeur met minder dan 1 zijketen per 300 C-atomen, dat bovendien tot 5 mol% van één of meer daarmee copolymeriseerbare andere alkenen kan bevatten zoals propeen, buteen, penteen, 4-methylpenteen, octeen.

Er komen ook andere polyalkenen in aanmerking zoals bijvoorbeeld propeen homo- en copolymeren.

Verder kunnen de gebruikte polyalkenen kleine hoeveelheden van één of meer andere polymeren bevatten, in het bijzonder alkeen-l-polymeren.

Voor het doel van de uitvinding zeer geschikte polyalkeenfilamenten zijn verkregen indien de polyalkeen-filamenten zijn bereid met behulp van het gelverstrekproces, dat bijvoorbeeld is beschreven in GB-A-2.042.414 en GB-A-2.051.667. Dit proces kan bestaan uit het bereiden van een oplossing van het polyalkeen dat bij voorkeur een gewichtsgemiddeld molecuulgewicht van ten minste 600.000 g/mol bezit, het vormen van de oplossing tot filamenten bij een temperatuur boven de oplostemperatuur, het koelen van de filamenten tot onder de oplostemperatuur zodat gelering optreedt en het verstrekken van de gegeleerde filamenten terwijl het oplosmiddel wordt verwijderd.

Onder filamenten worden hier lichamen verstaan waarvan de lengte groot is ten opzichte van de hoogte en de breedte.

In het composiet materiaal van de tweede laag van de anti-ballistische structuur kunnen de polyalkeenfilamenten in verschillende configuraties aanwezig zijn.

Goede resultaten worden verkregen als de filamenten in de vorm van lagen unidirectionele garens zijn gerangschikt. Bij voorkeur is het verschil in oriëntatierichting van de garens in de opeenvolgende garenlagen 90° of ongeveer 90°.

i

Het is ook mogelijk dat de filamenten in de vorm van weefsellagen aanwezig zijn.

Over het algemeen bedraagt het gewicht van de in de tweede laag aanwezige filamenten per oppervlakte-eenheid, ook wel aangeduid als Fiber Area Density (FAD), 3-20 kg/m2, bij voorkeur 6-12 kg/m .

Onder andere afhankelijk van het gebruik en eventueel de wijze van bereiding van het composiet materiaal kunnen verschillende polymere materialen als matrix worden gebruikt. Belangrijk daarbij is dat de smelttemperatuur van de matrix, en bij thermoharders tevens de uithardings-temperatuur, onder de smelttemperatuur van de polyalkeenfilamenten liggen.

Voorbeelden van polymere materialen die in aanmerking komen om als matrix te worden gebruikt zijn onder andere ABS, geplastificeerd PVC, PE, bij voorkeur LLDPE of etheen copolymeren. Verder worden goede resultaten verkregen met vinylester harsen, polyester harsen, epoxy harsen en polyurethaan harsen.

Over het algemeen blijkt dat de anti-ballistische structuur volgens de uitvinding een goede bescherming tegen de penetratie van een projectiel biedt naarmate het composiet materiaal van de tweede laag een lagere buig-modulus bezit. Door de aanwezigheid van de tussenlaag behoudt het ceramisch materiaal van de eerste laag in dit geval voldoende ondersteuning. Bij voorkeur bezit de tweede laag een modulus van ten hoogste 10 GPa.

De tussenlaag kan in principe elk materiaal omvatten met een modulus die hoger is dan de buigmodulus van het composiet materiaal van de tweede laag en lager is dan de buigmodulus van het ceramisch materiaal van de eerste laag. Bij voorkeur wordt een materiaal gebruikt met een hoge buigmodulus en een laag gewicht. Materialen met een buigmodulus die gelijk is aan of hoger is dan de buigmodulus van het ceramische materiaal komen over het algemeen niet in aanmerking, omdat deze materialen zeer bros zijn terwijl de verbetering in de bescherming tegen de penetratie van een projectiel, die wordt bereikt door de aanwezigheid van een dergelijke tussenlaag, ook kan worden gerealiseerd als de eerste laag ceramisch materiaal een grotere dikte heeft. Voorbeelden van materialen die in aanmerking komen om als tussenlaag te worden gebruikt zijn metalen, zoals koper, aluminium, staal, titanium, metaallegeringen, zoals aluminium-magnesium legeringen en kunststoffen zoals polycarbonaat en ABS.

Een anti-ballistische structuur volgens de uitvinding die zeer goed voldoet wordt verkregen indien het gewicht per 2 oppervlakte-eenheid van de tussenlaag 0.5-6 kg/m bedraagt. Bij voorkeur bedraagt het gewicht per oppervlakte-eenheid van de tussenlaag 1-4 kg/m .

Een anti-ballistische structuur met zeer goede eigenschappen en een laag gewicht wordt verkregen als de tussenlaag een composiet materiaal omvat. Verdere voordelen van het gebruik van een composiet materiaal zijn de gemakkelijke vormgeving tot gekromde of dubbelgekromde structuren en de mogelijkheid de productie van de tussenlaag en de tweede laag te integreren.

Het composiet materiaal van de tussenlaag kan bijvoorbeeld glasfilamenten of polyaramidefilamenten en een thermohardende of thermoplastische kunststof als matrix omvatten.

Verrassenderwijs worden zeer goede resultaten verkregen indien het composiet materiaal van de tussenlaag koolstoffilamenten omvat. Over het algemeen vertonen composieten die koolstof filamenten omvatten namelijk juist minder goede anti-ballistische eigenschappen zoals bijvoorbeeld blijkt uit R. C. Liable, Ballistic Materials and Penetration Mechanics, Elsevier 1980, pagina's 286 tot en met 289.

Eveneens zeer goede resultaten worden verkregen indien het composiet materiaal van de tussenlaag de polyalkeen-filamenten omvat zoals hierboven werd beschreven voor de tweede laag.

Er zijn verschillende mogelijkheden om te bereiken dat het composiet materiaal van de tussenlaag dat de polyalkeen filamenten omvat een hogere stijfheid heeft dan het composiet materiaal van de tweede laag. Zo is het mogelijk dat de tussenlaag per volume-eenheid meer van de polyalkeenfilamenten omvat dan de tweede laag. Ook is het mogelijk dat de tussenlaag een matrix omvat met een hogere modulus dan de matrix van de tweede laag.

Zeer goede resultaten worden verkregen als de hogere modulus van de tussenlaag wordt bereikt doordat de polyalkeenfilamenten van de tussenlaag vollediger zijn omgeven door de matrix dan de polyalkeen filamenten van de tweede laag.

Een dergelijke meerlaagse anti-ballistische structuur, wordt verkregen door de tussenlaag tijdens het bereidingsproces langduriger of bij een hogere temperatuur of bij een hogere druk te verpersen dan de tweede laag. Goede resultaten worden op deze manier verkregen als de matrix van de tussenlaag en de matrix van de tweede laag polyetheen of een copolymeer van polyetheen omvatten.

In een andere uitvoeringsvorm bezit het polymeer dat de matrix vormt van de tussenlaag een lagere viscositeit dan het polymeer dat de matrix vormt van de tweede laag. Bij voorkeur wordt de lagere viscositeit bereikt doordat het polymeer van de tussenlaag een lager molecuulgewicht bezit dan het polymeer van de tweede laag of dat het een copolymeer is dat ten minste één monomeer gemeen heeft met het polymeer van de tweede laag. Hierdoor wordt bereikt dat de tussenlaag en de tweede laag in één persstap kunnen worden bereid, terwijl de beide lagen goed aan elkaar hechten. Goede resultaten worden op deze manier bereikt als de matrix van de tussenlaag en de matrix van de tweede laag polyetheen of een copolymeer van polyetheen omvatten.

De uitvinding wordt verder toegelicht aan de hand van de voorbeelden zonder zich daartoe te beperken.

Vergelijkend experiment A

Een weefsel bestaat uit Dyneema (TM) SK 66 polyetheen garens met een titer van 1600 denier. Dyneema SK 66 wordt geleverd door DSM HPF in Nederland.

f

Het weefsel bezit een 1x3 keper structuur en bevat in de ketting- en inslagrichting 17 garens per cm.

Een drietal composietplaten die de polyetheen filamenten omvatten is vervaardigd door stukken van het weefsel van 30 x 30 cm afwisselend te stapelen met stukken lage dichtheid polyetheen-folie met dezelfde afmetingen en het op deze manier verkregen pakket tussen twee vlakke platen samen te persen. Als lage dichtheid polyetheen is Stamylan (TM) LD NC 514, geleverd door DSM in Nederland, gebruikt.

De perstijd bedroeg 15 min., de perstemperatuur was 125°C.

De persdruk en het aantal stukken weefsel zijn in Tabel 1 voor elke composietplaat gegeven.

Anti-ballistische structuren zijn verkregen door op de aldus verkregen composietplaten aan een zijde, nagenoeg aaneensluitend, ceramische tegels van het type Sphinx Alodens (TM) 99 te lijmen. De modulus van de ceramische tegels bedraagt 402 GPa. De lengte en de breedte van de tegels is 40 x 40 mm. De dikte van de tegels is in tabel 1 voor elke anti-ballistische structuur gegeven. De ceramische tegels worden geleverd door Sphinx Technical Ceramics Division in Nederland.

Als lijm is een mengsel van Ancarez (TM) 300, Ancamine (TM) MCA en Araldit (TM) LY 556 in een mengverhouding van 50 : 23 : 50 gewichtsdelen gebruikt. De lijm is gedurende 2 uur bij 80°C uitgehard.

Ancarez (TM) 300 en Ancamine (TM) MCA worden geleverd door Anchor Chemical in Groot Brittanië. Araldit (TM) LY 556 wordt geleverd door Ciba Geigy in Zwitserland.

De anti-ballistische eigenschappen van de aldus verkregen anti-ballistische structuur is bepaald volgens DIN 52290.

Als munitie is 762*51 Armour Piercing, geleverd door FN in België, gebruikt.

De resultaten worden weergegeven in Tabel 1.

Tabel 1 stukken persdruk B.L.A.D. dikte T.A.D. v. v ..

. in uit weefsel tegels [-] [bar] [kg] [mm] [kg] [m] [m] 2 2 m m s s 70 10 12.5 6 36.1 797 438 51 25 9.2 7 36.3 798 370 40_50_1_Λ_8_38.4 801 544 B.L.A.D. oppervlaktegewicht tweede laag T.A.D. « oppervlaktegewicht anti-ballistische structuur.

vin * de Pro3ectielsnelheid op het moment dat de anti-ballistische structuur wordt getroffen.

de projectielsnelheid nadat het projectiel de anti-ballistische structuur heeft doorboord (v 0 betekent: geen volledige penetratie).

Zoals uit Tabel 1 blijkt worden alle ballistische structuren in dit Experiment geheel doorboord.

Verder is de tweede laag na een kogelinslag aanzienlijk ver doorgebogen en grotendeels losgetrokken van de tegels van de eerste laag, die aanliggen tegen de geraakte tegel.

Voorbeeld I

Een composietplaat die de polyetheenfilamenten omvat is vervaardigd volgens de methode zoals aangegeven in vergelijkend experiment A. De persdruk en het aantal stukken weefsel zijn gegeven in Tabel 2.

Aan één zijde van de composietplaat is op de in vergelijkend experiment A aangegeven wijze een aluminium plaat gelijmd. Als aluminium is type 5754, geleverd door Alusuis in Zwitserland, gebruikt. De dikte van de aluminium plaat bedraagt 1.0 mm.

Op de aluminium plaat zijn op de in vergelijkend experiment A aangegeven wijze de ceramische tegels gelijmd. De dikte i van de ceramische tegels is gegeven in Tabel 1.

De aldus verkregen anti-ballistische structuur is volgens de in vergelijkend experiment A gegeven methode getest.

De resultaten zijn gegeven in Tabel 2.

Tabel 2 stukken persdruk B.L.A.D. dikte T.A.D. v. v .

in uit weefsel tegels [-] [bar] [kg] [mm] [kg] [m] [m] 2 2 m nr s s 42 25 7.6 7 36.0 808 0

Vergelijking van de resultaten uit Tabel 1 en Tabel 2 laat zien dat door het aanbrengen van een harde tussenlaag van aluminium een aanzienlijke verbetering van de anti-ballistische eigenschappen optreedt.

Verder wordt de tweede laag door een kogelinslag niet of nauwelijks doorgebogen. De tegels van de eerste laag die aanliggen tegen de geraakte tegel zijn na de inslag nog steeds volledig ondersteund door de harde tussenlaag en de tweede laag.

Voorbeeld II

Een drietal composietplaten die de polyetheen-filamenten omvatten is vervaardigd volgens de methode zoals aangegeven in vergelijkend experiment A. De persdruk was 25 bar, het aantal stukken weefsel was 51. Tevens is een drietal composietplaten vervaardigd, die koolstofvezels bevatten, om te dienen als harde tussenlaag. De platen zijn vervaardigd door een aantal lagen Hexcel (TM) F 155 prepreg, dat unidirectioneel gerangschikte koolstoffilamenten en een epoxyhars bevat, samen te persen en gedurende 90 min. bij 120°C uit te harden. De lagen prepreg zijn zodanig gestapeld dat de koolstoffilamenten in de opeenvolgende lagen onder een hoek van 90° zijn gerangschikt. Het aantal lagen prepreg i en de oppervlaktegewichten zijn weergegeven in Tabel 3.

Een drietal anti-ballistische structuren is verkregen door op de composietplaten die de koolstofvezels omvatten aan één zijde de composietplaat die de polyetheenfilamenten omvat te lijmen en aan de andere zijde de ceramische tegels uit voorbeeld 1 te lijmen. Het lijmen is uitgevoerd zoals is aangegeven in vergelijkend experiment A.

De aldus verkregen anti-ballistische structuren zijn volgens de in vergelijkend experiment A gegeven methode getest.

De resultaten zijn weergegeven in Tabel 3.

Tabel 3 B.L.A.D. lagen I.L.A.D. dikte T.A.D. v. v ..

J in uit prepreg tegels [kg] [-] [kg] [mm] [kc[] [m] [m] 2 2 2 m m m s s 9.2 15 2.79 7 35.3 805 0 9.2 12 2.21 7 34.7 802 452 9.2 9 1.61 7 34.1 806 468 I.L.A.D. oppervlaktegewicht tussenlaag.

Voorbeeld III

Een drietal composietplaten die de polyetheen-filamenten omvatten is vervaardigd volgens de methode zoals is aangegeven in vergelijkend experiment A. Het aantal stukken weefsel bedroeg 15.

De platen zijn onder een relatief hoge druk van 50 bar verperst. Hierdoor zijn platen verkregen die een relatief hoge modulus bezitten. Een relatie tussen de persdruk en de modulus is gegeven in Tabel 4.

Nadat de platen zijn geperst, maar voordat de platen zijn afgekoeld, is een pakket dat de stukken weefsel en de stukken folie omvat, zoals is beschreven in vergelijkend experiment A, op de platen gepositioneerd en zijn de platen te zamen met het pakket opnieuw geperst bij een lagere druk. Het aantal stukken weefsel' bedroeg 51. De persdruk is gegeven in tabel 5.

Op deze wijze is een drietal platen verkregen die een laag met een relatief hoge buigmodulus en een laag met een lagere buigmodulus omvatten.

Een drietal anti-ballistische structuren zijn verkregen door op de laag met een relatief hoge buigmodulus van de composiet platen de ceramische tegels te lijmen zoals is aangegeven in vergelijkend experiment A. In de anti-ballistische structuren is de laag met de relatief hoge buigmodulus dus aanwezig als tussenlaag.

De resultaten zijn weergegeven in Tabel 5.

Tabel 4 persdruk buigmodulus [bar] [GPa] 5 3 10 5 25 9 50 15

Tabel 5 B.L.A.D. I.L.A.D. persdruk dikte T.A.D. v^n v ^ tegels [kg] [kg] [bar] [mm] [kc[] [m] [m] 2 2 2 mm m s s 9.0 3.0 5 6 35.4 800 0 8.9 3.0 10 6 35.3 804 0 9.0 2.9 25 6 35.3 800 457

Vergelijkend experiment B

Een anti-ballistische structuur is vervaardigd volgens de methode zoals is beschreven in voorbeeld 4, echter met het verschil dat de laag met de relatief hoge buigmodulus de tweede laag uitmaakt en de laag met de lagere buigmodulus de tussenlaag uitmaakt.

De persdruk en de resultaten zijn weergegeven in Tabel 6.

Tabel 6 B.L.A.D. I.L.A.D. persdruk dikte T.A.D. v. v ..

c xn uit tegels [kg] [kg] [bar] [mm] [kg] [m] [m] 2 2 2 m m m s s 3.0 9.1 25 6 35.5 806 438

Vergelijking van de resultaten uit vergelijkend experiment B en het voorbeeld 4 laat zien dat de beschermende werking van de anti-ballistische structuur duidelijk beter is indien de tussenlaag een hogere buigmodulus bezit dan de tweede laag. Tevens zijn bij de anti-ballistische structuur de tussenlaag en de tweede laag aanzienlijk ver losgetrokken van de tegels van de eerste laag die aanliggen tegen de geraakte tegel.

Claims

1. Meerlaagse, anti-ballistische structuur, omvattende een eerste laag die ceramische tegels omvat en een tweede laag van composiet materiaal, dat polyalkeenfilamenten omvat met een rekmodulus van ten minste 40 GPa en een treksterkte van ten minste 1 GPa en een matrix, die de polyalkeen filamenten ten minste gedeeltelijk omgeeft, met het kenmerk, dat de anti-ballistische structuur tussen de eerste en de tweede laag een tussenlaag omvat van een materiaal met een buigmodulus die hoger is dan de buigmodulus van het composiet materiaal van de tweede laag en lager is dan de buigmodulus van het ceramische materiaal van de eerste laag.

2. Meerlaagse, anti-ballistische structur volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de tweede laag een buigmodulus bezit van ten hoogste 10 GPa.

3. Meerlaagse, anti-ballistische structuur volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het gewicht per 2 oppervlakte-eenheid van de tussenlaag 0.5-6 kg/m bedraagt.

4. Meerlaagse, anti-ballistische structuur volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het gewicht per ‘ 2 oppervlakte-eenheid van de tussenlaag 1-4 kg/m bedraagt.

5. Meerlaagse, anti-ballistische structuur volgens één der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de tussenlaag een composiet materiaal omvat.

6. Meerlaagse, anti-ballistische structuur volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het composiet materiaal van de tussenlaag koolstoffilamenten omvat.

7. Meerlaagse, anti-ballistische structuur volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het composiet materiaal van de tussenlaag de polyalkeenfilamenten met een rekmodulus van ten minste 40 GPa en een treksterkte van ten minste 1 GPa omvat.

8. Meerlaagse, anti-ballistische structuur volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de polyalkeen-filamenten van de tussenlaag vollediger zijn omgeven door de matrix dan de polyalkeenfilamenten van de tweede laag.

9. Meerlaagse anti-ballistische structuur volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de tussenlaag tijdens het bereidingsproces langduriger en/of bij een hogere temperatuur en/of bij een hogere druk is verperst dan de tweede laag.

10. Meerlaagse anti-ballistische structuur volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het polymeer dat de matrix vormt van de tussenlaag een lagere viscositeit bezit dan het polymeer dat de matrix vormt van de tweede laag.

11. Meerlaagse anti-ballistische structuur volgens één der conclusies 8-10, met het kenmerk, dat de matrix van de tussenlaag en de matrix van de tweede laag polyetheen of een copolymeer van polyetheen omvatten. UITTREKSEL Meerlaagse, anti-ballistische structuur met goede anti-ballistische eigenschappen omvat een eerste laag die ceramisch tegels omvat en een tweede laag van composiet materiaal, dat polyalkeen filamenten omvat met een rekmodulus van ten minste 40 GPA en een treksterkte van ten minste 1 GPA en een matrix, die de polyalkeen filamenten ten minste gedeeltelijk omgeeft, terwijl de anti-ballistische structuur tussen de voorste en de tweede laag een tussenlaag omvat van een materiaal met een buigmodulus die hoger is dan de buigmodulus van het composiet materiaal van de tweede laag en lager is dan de buigmodulus van het ceramische materiaal. Goede resultaten worden verkregen als de tussenlaag een composiet materiaal omvat.