DE102006056209B4

DE102006056209B4 - Panzermaterial und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102006056209B4
Application number: DE200610056209
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Liebald; Wolfram Prof. Dr. Beier; Jochen Dr. Alkemper; Ulrich Dr. Schiffner
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: GB2444389A; FR2910610A1; US20110159760A1; CN101285667A; DE102006056209A1; US20080248707A1; ITMI20072194A1; GB0723240D0; BRPI0704478A; GB2444389B

Abstract

Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen, umfassend ein Komposit-Material mit zumindest zwei Phasen, wobei die erste Phase eine Matrix für die zweite Phase bildet, und wobei die erste Phase ein Glas oder eine Glaskeramik ist, und wobei die zweite Phase in Gestalt von Partikeln und/oder Fasern in der vom Material der ersten Phase gebildeten Matrix eingebettet und darin verteilt ist, wobei die Fasern und/oder Partikel in Richtung senkrecht zu der exponierten Seite der Panzerung eine variierende Dichte und/oder Zusammensetzung und/oder Größe aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Panzerungen, insbesondere Panzerungen gegen hochdynamische Impulsbelastungen auf Basis von Glas- oder Glaskeramik-Materialien.
Panzerungen sind im allgemeinen als Schichtverbund mit einem harten Material und einem Träger oder Backing aufgebaut. Als Träger kommen beispielsweise Aramidfaser-Gewebe, Stahlnetze oder auch Stahlplatten zum Einsatz. Solche Panzerungen dienen beispielsweise dem Personenschutz, etwa für eine kugelsichere Weste oder zum Schutz von Objekten, wie Fahrzeugen und Fluggeräten. In allen diesen Einsatzgebieten ist es wesentlich, daß die Panzerungen bei hoher Festigkeit nicht zu schwer werden.
Aus der US 4 473 653 A ist eine Panzerung mit einer Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik und deren Herstellung bekannt. Es ist weiterhin bekannt, Fluggeräte, wie etwa Hubschrauber durch Borcarbid-haltige Panzerungen zu schützen. Im allgemeinen wird dazu eine Keramik eingesetzt, die Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumcarbid (SiC), Borcarbid (B₄C) und Titanborid (TiB₂) enthält. Diese Materialien sind zwar relativ leicht, allerdings aufgrund der aufwändigen Herstellung auch sehr teuer. Panzerungen aus keramischem Komposit-Material sind außerdem aus der US 5,763,813 A bekannt.
Die WO 2005/119163 A2 beschreibt ebenfalls eine Glaskeramik-Panzerung. In der Glaskeramik ist eine textile Phase in einer Schicht eingebettet, wobei die Fasern nicht in der Glaskeramik verteilt sind.
Aus der DE 198 17 611 A1 ist ein Reibbelag für Drehmomentübertragungseinrichtungen beschrieben, welcher aus einer Glaskeramik-Matrix mit anorganischen Verstärkungsfasern aufgebaut ist.
Die US 3 743 569 A beschreibt eine keramische Matrix, in der duktile Metallpartikel mit einem Gradienten zur belasteten Seite verteilt eingebettet sind.
Bei den vielfach verwendeten keramischen Materialien für antiballistische Panzerungen, beziehungsweise Panzerungen gegen hochdynamische Impulsbelastungen, die beim Auftreffen von Projektilen besteht im allgemeinen das Problem, daß Keramik noch eine gewisse Porosität aufweist. Die Poren können dabei Schwachstellen darstellen, welche die Fortpflanzung von Rissen beim Auftreffen eines Geschosses begünstigen. Insbesondere bei keramischen Komposit-Materialien ergibt sich weiterhin auch das Problem, daß die keramische Matrix die weitere Phase, wie etwa eingebettete Fasern vielfach nicht perfekt umschließt, da das keramische Material beim Sintern nicht fließen kann. Gerade bei keramischen Materialien können daher erhöhte Porositäten auftreten. Zudem sind weisen viele für Panzerungen geeignete keramische Materialien ein hohes Gewicht auf. So beträgt die Dichte von Aluminiumoxid-Keramik etwa 4 g/cm³.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen, beispielsweise gegen Beschuss bereitzustellen, welche leichtgewichtig ist und ein gegenüber keramischen Kompositmaterialien verbessertes, dichteres Gefüge aufweist. Diese Aufgabe wird bereits in überraschend einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung sieht demgemäß eine vorzugsweise plattenförmige Panzerung oder Bewehrung gegen hochdynamische Impulsbelastungen vor, welche ein Komposit-Material mit zumindest zwei Phasen umfasst, wobei die erste Phase eine Matrix für die zweite Phase bildet, und wobei die erste Phase ein Glas oder eine Glaskeramik ist, und wobei die zweite Phase in Gestalt von Partikeln und/oder Fasern in der vom Material der ersten Phase gebildeten Matrix eingebettet und darin verteilt ist.
Eine solche Panzerung wird hergestellt, indem Fasern und/oder Partikel mit pulverförmigem glas- oder glaskeramikbildendem Material vermischt und das Gemisch erhitzt wird, so daß sich aus dem glas- oder glaskeramikbildendem Material eine fließfähige Glas- oder Glaskeramik-Phase bildet, welche Zwischenräume zwischen den Fasern und/oder Partikeln ausfüllt, so daß nach dem Abkühlen die Fasern und/oder Partikel in der erstarrten Glas- oder Glaskeramik-Phase eingebettet und darin verteilt sind.
Dies bietet gegenüber herkömmlichen Keramik-Panzerungen den Vorteil, daß Zwischenräume zwischen den Fasern und/oder Partikeln der zumindest einen weiteren Phase des Komposits durch die Fließfähigkeit des glas- oder glaskeramikbildenden Materials wesentlich besser ausgefüllt werden können, als beim Sintern einer Keramik. Der erfindungsgemäße Prozeß kann auch als ein Schmelzsintern bezeichnet werden, da das Glas oder die Glaskeramik während ihrer Kristallisation zumindest zähflüssig sind. Dadurch wird eine dichte Füllung mit geringem Porenanteil zwischen den Fasern und/oder Partikeln der zweiten Phase bewirkt. Es kann dabei eine Dichte des Komposit-Materials von über 99% der theoretischen Dichte eines porenfreien Körpers mit den verwendeten Komponenten erreicht werden. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist weiterhin, daß bei den beschriebenen Glas- oder Glaskeramik-Kompositen die Dichte des Materials dennoch auf unter 3,5 g/cm³, selbst bei Verwendung von Stahlpartikeln oder Stahlfasern in der Glas- oder Glaskeramik-Matrix gehalten werden kann. Werden Partikeln oder Fasern außer Stahlfasern, beziehungsweise Stahlpartikeln verwendet, kann die Dichte des Materials noch deutlich weiter reduziert werden. Damit ist das Material hinsichtlich seines geringen Gewichts vielen keramischen Panzerungen überlegen.
Durch das dichtere Gefüge wird insbesondere eine bessere Verbindung der beiden Phasen, beziehungsweise der Fasern/Partikel mit der Glas- oder Glaskeramik-Matrix erreicht. Damit wird eine hohe Bruchzähigkeit gegen hochdynamische mechanische Beanspruchungen, wie sie beim Auftreffen eines Geschosses auftritt, erreicht. Gemeinsames Merkmal aller nachfolgend beschriebenen Weiterbildungen der Erfindung ist unter anderem, daß das Panzermaterial aus seinen Einzelbestandteilen additiv aufgebaut wird.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen mehrphasigen Panzerungen werden die Komponenten gemischt und die Mischung wird einer Temperaturbehandlung unterzogen. Im Speziellen gibt es viele verschiedene Wege zur Herstellung mehrphasiger glas- oder glaskeramikhaltiger Werkstoffe. Eine bevorzugte Möglichkeit ist, die Panzerung durch heißisostatisches Pressen des Gemischs herzustellen. Der beim heißisostatischen Pressen auf das Gemisch ausgeübte Druck unterstützt den Fluß des glasigen Materials. In Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung kann eine Portion der Mischung einem Trockenpressprozeß unterzogen werden. Der gepresste Formkörper kann dann in einem weiteren Fertigungsschritt heißisostatisch fertiggepresst werden. Auch kann alternativ als Vorprodukt ein Vorkörper des Gemisches, beziehungsweise ein Prepreg hergestellt und der Vorkörper anschließend uniaxial heißgepresst werden.
In jedem Fall kann aus dem Gemisch zunächst ein Vorkörper durch kaltisostatisches Pressen hergestellt und dieser anschließend durch Erwärmen, beispielsweise heißisotatisch oder unter uniaxialem Heißpressen, oder auch drucklos versintert werden. Beim kaltisostatischen Pressen werden in der Presse vorzugsweise Drücke von zumindest 500 Atmosphären, vorzugsweise zumindest 2000 Atmosphären auf das Gemisch ausgeübt, um bereits vor der Versinterung ein möglichst dichtes Gefüge zu erhalten.
Als weitere Phase des Komposits, die mit dem glas- oder glaskeramikbildenden Material zur Herstellung der Panzerung vermischt werden, kommen insbesondere folgende Materialien in Betracht:
Carbonfasern, Hartstofffasern, wie Fasern aus SiC (Siliziumcarbid), Si₃N₄ (Siliziumnitrid), Al₂O₃ (Aluminiumoxid), ZrO₂ (Zirkoniumoxid), Bornitrid, und/oder Mullit als Hauptkomponenten, ggf. mit Zusätzen von Si, Ti, Zr, Al, O, C, N, z. B. Fasern des Sialon-Typs (Si, Al, O, N), Glasfasern, Metallfasern, wie insbesondere Stahlfasern, Metallpartikel, Hartstoffpartikel, wie insbesondere Partikel aus den vorgenannten Materialien von Hartstofffasern. Die vorgenannten Materialien können besonders vorteilhaft auch miteinander kombiniert werden.
Carbonfasern und Siliziumcarbid-Fasern oder -Partikel weisen vergleichsweise geringe Temperaturausdehnungskoeffizienten auf. Um innere Spannungen im Material zwischen den Fasern und/oder Partikeln und der umgebenden Matrix zu verringern, ist gerade bei solchen Materialien der zweiten Phase die Verwendung einer Glas- oder Glaskeramik-Matrix mit geringem linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise kleiner 10·10^–6/K günstig.
Ziel und Kern der Erfindung ist es, durch geeignete Einstellung der Mehrphasigkeit eine hohe Bruchzähigkeit und damit letztlich Beschußfestigkeit, beziehungsweise einen hohen Widerstand gegen hochdynamische mechanische Beanspruchungen zu erzielen. Werden Metallpartikel und/oder Metallfasern eingebettet, wird dies erreicht durch die Abwechslung von duktilen und spröden Komponenten. Bei faserverstärkten Gläsern und Glaskeramiken wird die hohe Bruchzähigkeit gegen hochdynamische Belastungen durch einen ”pull-out”-Effekt erreicht, der stark energieabsorbierend wirkt. Relevante Elementarmechanismen im Komposit sind beispielsweise Rißumlenkung, Rißverzweigung, Rißstoppung und Energiedissipation. Zusätzlich kommt es aufgrund der unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten in den einzelnen Materialien des Komposit-Materials zu einer Streuung und Dispersion der beim Auftreffen entstehenden Stoßwelle, so daß diese abgeschwächt wird.
Besonders geeignet als Partikel sind Metallspäne, vorzugsweise mit Abmessungen bis 1 cm Länge. Diese Metallspäne können durch Verformung große Mengen an Bewegungsenergie absorbieren. Bei Fasern als Bestandteil der zweiten Phase werden demgegenüber anstelle von Drähten kleinere Abmessungen bevorzugt. Insbesondere können Fasern mit Durchmessern kleiner 0,2 Millimetern eingesetzt werden. Die dünnen Fasern können so in größerer Anzahl beigemischt werden. Dies ist günstig, um eine Verteilung der Kräfte in eine große Zahl unterschiedlicher Richtungen zu bewirken.
Bei den Fasern kann es sich um Kurz-, Lang-, und Endlosfasern handeln. Die Fasern können geordnet oder ungeordnet eingebettet sein. Für geordnete Faseranordnungen mit nichtmetallischen Fasern, wie beispielsweise Gewebe, Gewirke oder Vliese aus nichtmetallischen Fasern gibt es wiederum verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise können ”Crossply”-Gewebe (0°/90°-Gewebe) oder Gewebe mit Faserwinkeln von 0°/45°/90°/135° eingesetzt werden.
Glaskeramiken zeichnen sich allgemein durch hohe Basiswerte des Elastizitätsmoduls aus und sind daher sehr gut für eine Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen geeignet. Es zeigt sich allerdings, daß Glaskeramiken in kristallisierter Form im allgemeinen nur schwer oder gar nicht mehr versintert werden können, insbesondere wenn der erfindungsgemäße Schmelzsinterprozess eingesetzt wird, bei welchem das glaskeramikbildende Material zumindest zeitweise flüssig sein soll.
Dies läßt sich in Weiterbildung der Erfindung aber dadurch lösen, daß Pulver eines Ausgangsglases für Glaskeramik als glaskeramik-bildendes Material verwendet wird und eine Keramisierung des Ausgangsglases während der Erhitzung des Gemischs erfolgt. Dabei erfolgt demgemäß bei der Erhitzung des Gemischs zunächst eine Bildung des Ausgangsglases, welches auch als Grünglas bezeichnet wird. Dieses Grünglas kann dann in die Zwickel zwischen die Partikel und/oder Fasern der zweiten Phase fließen, bevor eine vollständige Keramisierung erfolgt. Vorzugsweise wird die Temperaturführung bei der Herstellung des Kompositmaterials so ausgestaltet, daß zumindest eine Teilkeramisierung des Grünglases während des Erhitzens des Gemisches, beispielsweise unter isostatischem oder uniaxialem Pressen stattfindet.
Bei Glaskeramiken als Matrix ist insbesondere auch daran gedacht, andere als MAS-Glaskeramiken (Magnesium-Aluminium-Silikat-Glaskeramiken) einzusetzen. Für die Glaskeramikmatrix geeignete Stoffsysteme sind außer den vorgenannten MgO-Al₂O₃-SiO₂-Glaskeramiken (MAS-Glaskeramiken), CaO-Al₂O₃-SiO₂-Glaskeramiken, oder MgO-CaO-BaO-Al₂O₃-SiO₂-Glaskeramiken.
Eine weitere, für die Erfindung besonders geeignete Glaskeramik-Klasse stellen Mg-Al-haltige Glaskeramiken dar, die eine Spinellphase, vorzugsweise MgAl₂O₄-basierte Spinelle enthalten. Diese Kristallite zeichnen sich durch einen hohen Elastizitätsmodul aus. Diese Glaskeramiken erweisen sich aufgrund der Kristallite mit Spinellstruktur überraschend in Verbindung mit den eingelagerten Partikeln und/oder Fasern als besonders stabil gegenüber hochdynamischen Impulsbelastungen.
Glaskeramiken, wie beispielsweise Cordierit-Glaskeramiken, die sich unter Beimengung von Hartstoffpartikeln zu einem sehr harten Komposit-Material verarbeiten lassen. Besonders geeignet für diese Glaskeramik sind Zirkoniumoxid-haltige Partikel. Um hier die Bruchzähigkeit des zwar harten, aber auch spröden Materials zu verbessern, eignen sich insbesondere Fasern und/oder duktile Komponenten, wie Metallpartikel.
Die maximale Prozesstemperatur bei der Erhitzung des Gemisches zur Herstellung des Panzermaterials wird vorzugsweise anhand der Verarbeitungstemperatur oder einer anderen geeigneten Kenngröße des temperaturabhängigen Verlaufs der Viskosität des eingesetzten Glases gewählt. Damit wird sichergestellt, daß die Glasschmelze ausreichend gut in die Zwickel zwischen den anderen Bestandteilen, insbesondere den Partikeln und/oder Fasern der weiteren Phase fließen kann. Für sogenannte ”low-Tg”-Gläser (Gläser mit niedriger Transformationsstemperatur kleiner 560°C) können dabei 800°C als Verarbeitungstemperatur bereits ausreichen. Für viele andere technische Gläser werden Verarbeitungstemperaturen oberhalb von 1200°C bevorzugt.
Als Verarbeitungstemperatur wird bevorzugt eine Temperatur eingesetzt, bei welcher die Viskosität kleiner oder gleich dem Littleton-Punkt von η = 10^7,6 dPas·s ist.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Verwendung von Glaspulver zur Herstellung des Gemisches mit den Fasern und/oder Partikeln kann auch ein Gemisch der Ausgangsstoffe für ein Glas oder eine Glaskeramik als glas- oder glaskeramikbildendes Material verwendet und mit den Fasern und/oder Körnern vermischt werden. In diesem Fall entsteht dann das Glas beim Erhitzen des Gemisches auf die für die Glasherstellung erforderliche Temperatur.
Besonders geeignete Gläser zur Herstellung der erfindungsgemäßen Panzerung, beziehungsweise deren Matrix für die eingelagerten Fasern und/oder Partikel sind borsäurehaltige Gläser, wie insbesondere Borosilikat-Gläser. Die hohe Temperaturwechselbeständigkeit von Borosilikatglas erweist sich auch als vorteilhaft für die Widerstandsfähigkeit gegenüber hochdynamischen Beanspruchungen, wie sie beim Auftreffen eines Geschosses auftreten. Um eine solche Panzerung herzustellen, kann Borosilikat-Glaspulver als glasbildendes Material verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch die Ausgangsstoffe für Borosilikatglas mit den Fasern und/oder Partikeln gemischt werden, so daß sich beim Erhitzen des Gemisches das Borosilikatglas aus den Ausgangsstoffen bildet. Bevorzugte Zusammensetzungsbereiche solcher Gläser in Gewichtsprozent auf Oxidbasis sind 70–80 Gew% SiO₂, 7 –13 Gew% B₂O₃, 4–8 Gew% Alkalioxide und 2–7 Gew% Al₂O₃. Diese Gläser, zu denen auch die unter den Handelsnamen ”Pyrex” und ”Duran” bekannten Gläser gehören, weisen einen linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten im Bereich von 3 – 5·10^–6/K und eine Glasübergangstemperatur im Bereich von 500°C bis 600°C auf.
Auch Aluminosilikatgläser als Matrix können eingesetzt werden. Hierbei werden Gläser bevorzugt, die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf Oxidbasis aufweisen: 50–55 Gew% SiO₂, 8–12 Gew% B₂O₃, 10–20 Gew% Erdalkalioxide und 20–25 Gew% Al₂O₃.
Weiterhin ist auch an die Verwendung von Alkali-Erdalkali-Silikatglas für die Glasmatrix der ersten Phase der Panzerung gedacht. Bevorzugte Zusammensetzungen liegen im Bereich von 74 ± 5 Gew% SiO₂, 16 ± 5 Gew% Na₂O, 10 ± 5 Gew% CaO. Diese Gläser sind besonders preisgünstig und erlauben unter anderem auch die wirtschaftliche Herstellung großflächiger Panzerungen. Auch ist der lineare Temperaturausdehnungskoeffizient im allgemeinen noch kleiner als 10·10^–6/K.
Weiterhin ist auch die Verwendung von Basaltglas oder ein Ausgangsglas für Steinwolle möglich.
Trifft ein Geschoss auf die Panzerung auf, so wird dessen kinetische Energie abgebaut, während es in das Panzermaterial eindringt. Die Wirkung der Panzerung kann daher verbessert werden, indem sich auch deren Gefüge in Richtung entlang der Auftreffrichtung des Geschosses, also im allgemeinen in Richtung senkrecht zur exponierten Seite der Panzerung ändert. Insbesondere können sich vorteilhaft die Dichte, Zusammensetzung oder Größe der Faser und/oder Partikel entlang dieser Richtung ändern. Mit einer variierenden Dichte wird dabei insbesondere eine variierende Partikel- und/oder Faserdichte verstanden. So kann die Panzerung plattenförmig ausgebildet sein, wobei die Fasern oder Partikel in senkrecht zu einer Seitenoberfläche der plattenförmigen Panzerung variierender Dichte angeordnet sind.
Ein bevorzugter Volumenanteil der zweiten Phase, also der Volumenanteil der in der Matrix eingelagerten Fasern und/oder Partikel liegt im Bereich von 10 bis 70 Volumen-Prozent.
Eine erfindungsgemäße Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen ist besonders geeignet zur Verwendung in einer Personenschutz-Einrichtung, insbesondere für gepanzerte Kleidungsstücke, wie gepanzerte Westen, sowie zur Panzerung von Fahrzeugen und Fluggeräten. Diesen Anwendungen gemeinsam ist, daß ein niedriges Gewicht gewünscht wird. Insbesondere können die leichtgewichtigen, aber sehr teuren Borcarbid-haltigen keramischen Panzerungen durch die Erfindung ersetzt werden.
Weiterhin können auch mehrere unterschiedliche erfindungsgemäße Komposit-Materialien mit einer Glas- oder Glaskeramik-Matrix und vorzugsweise in beiden Materialien verteilten Fasern und/oder Partikeln aufeinander angeordnet werden, um einen besonders wirksamen Verbund zu erzeugen. Beispielsweise können zwei erfindungsgemäße plattenförmige Komposit-Materialien aufeinandergesetzt werden. Dies kann direkt oder mit einem Zwischenmaterial erfolgen.
Mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens durch Schmelzsintern eines Gemisches mit einem glas- oder glaskeramikbildenden Material und Fasern und/oder Partikeln lassen sich nahezu beliebige Formen des Komposit-Materials herstellen.
Werden metallische Fasern und/oder Partikel als Bestandteil der zweiten Phase verwendet, läßt sich ein besonderer Synergieeffekt erzeugen. Metallische Bestandteile wirken aufgrund ihrer Duktilität nicht nur stark energieabsorbierend, auch kann das Herstellungsverfahren beschleunigt werden. In diesem Falle kann nämlich die Mischung mit dem pulverförmigem Material, welches eine Glas- oder Glaskeramik-Matrix bildet, induktiv beheizt werden, wobei sich durch das elektromagnetische Feld der Induktionsbeheizung die metallischen Fasern und/oder Partikel erhitzen und die Wärme an das umgebende Material abgeben. Da auf diese Weise der Energieeintrag direkt in das Volumen der Mischung erfolgt, kann die Aufheizung sehr schnell und außerdem sehr homogen durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Teile.
Es zeigen:
1 bis 3 Herstellungsschritte für ein Komposit-Material einer Panzerung,
4 eine Panzerung mit variierender Verteilung des Kompositmaterials,
5 eine mit einem Gewebe verstärktes Kompositmaterial,
6 ein Verbund mit zwei Kompositmaterialien,
7 ein Beispiel einer Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen in Form einer kugelsicheren Weste.
Die 1 bis 3 zeigen Herstellungsschritte für eine Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen mit einem Komposit-Material, welches zumindest zwei Phasen enthält, wobei die erste Phase eine Matrix für die zweite Phase bildet, und wobei die erste Phase ein Glas oder eine Glaskeramik ist, und wobei die zweite Phase in Gestalt von Partikeln und/oder Fasern in der vom Material der ersten Phase gebildeten Matrix eingebettet und darin verteilt ist. Die Herstellung, wie sie anhand der 1 bis 3 schematisch dargestellt ist, basiert darauf, daß Fasern und/oder Partikel mit pulverförmigem glas- oder glaskeramikbildendem Material vermischt und das Gemisch erhitzt wird, so daß sich aus dem glas- oder glaskeramikbildendem Material eine fließfähige Glas- oder Glaskeramik-Phase bildet, welche Zwischenräume zwischen den Fasern und/oder Partikeln ausfüllt, so daß nach dem Abkühlen die Fasern und/oder Partikel in der erstarrten Glas- oder Glaskeramik-Phase eingebettet und darin verteilt sind.
Zunächst werden, wie in 1 gezeigt, die für das Gemisch verwendeten Komponenten bereitgestellt. Bei dem gezeigten Beispiel sind dies Glaspulver mit Glaspartikeln 3, Hartstoff-Partikel 5, Metallpartikel 7 und Fasern 9. Als Glaspulver kann beispielsweise pulverisiertes Borosilikatglas verwendet werden. Ebenso kann ein pulverisiertes Grünglas für eine Glaskeramik, beispielsweise eine Cordierit-Glaskeramik oder eine Hochquarz-Mischkristall oder Kristallite mit Spinellstruktur bildende Glaskeramik verwendet werden. Die Hartstoff-Partikel 8 und Fasern 9 können jeweils SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Bornitrid, und/oder Mullit als Hauptkomponenten enthalten. Alternativ oder zusätzlich zu Hartstofffasern können auch Metallfasern, wie insbesondere Stahlfasern und/oder Carbonfasern eingesetzt werden. Die Fasern sind vorzugsweise dünn mit Durchmessern von höchstens 0,2 Millimetern. Weiterhin können die Metallpartikel 7 in Form von Spänen, vorzugsweise mit Abmessungen bis 1 cm Länge vorliegen.
Die in 1 dargestellten Komponenten werden, wie in 2 dargestellt, anschließend gemischt und in einer Presse zwischen zwei Pressform-Hälften 13, 15 kaltisostatisch zu einem Vorkörper 11 gepresst. Dieser Formkörper 11 wird anschließend über die Erweichungstemperatur T_g des Glases hinaus erwärmt, so daß das Glas fließfähig wird und die verbleibenden Lücken zwischen den Partikeln 5, 7 und Fasern 9 ausfüllt. Wird ein Ausgangsglas, beziehungsweise Grünglas einer Glaskeramik eingesetzt, so wird die Erwärmung vorteilhaft so durchgeführt, daß außerdem eine Keramisierung des Glases auftritt.
Die Beimischung der Metallpartikel 7 ermöglicht dabei für die Aufheizung eine induktive Beheizung mittels einer die Pressform umgebende Induktionsspule 19. Das elektromagnetische Wechselfeld erwärmt die Metallpartikel 7 direkt durch in den Partikeln induzierte Ströme. Die Metallpartikel geben ihre Wärme an das umgebende Material ab, so daß ein schneller Temperaturausgleich und eine homogene Erwärmung erreicht wird. Für die induktive Beheizung werden allgemein -unabhängig vom Pressverfahrenhoch- oder mittelfrequente Ströme zur Erregung der Induktionsspule 19 mit Frequenzen im Bereich von 5 bis 500 kHz bevorzugt.
Das resultierende plattenförmige Kompositmaterial 2 einer Panzerung 1 ist in 3 dargestellt. Durch das Fließen des Glases wird eine Glas- oder Glaskeramikmatrix 20 erhalten, in welcher die Partikel 5, 7, 9 eingebettet und verteilt sind.
Die Glas- oder Glaskeramik-Matrix 20 ist sehr hart, allerdings auch spröde. Die Härte des Materials wird noch durch die eingelagerten Hartstoff-Partikel lokal erhöht. Diese Partikel wirken zerstörend auf ein auftreffendes Geschoss. Zusätzlich wirken die Metallpartikel 7 aufgrund ihrer Duktilität energieabsorbierend und verteilen die vom Geschoß auf das Material übertragenen Kräfte. Die Fasern 9 schließlich erhöhen die Bruchzähigkeit gegenüber den hochdynamischen Schlagbelastungen beim Auftreffen des Geschosses.
In 4 ist eine Variante des in 3 gezeigten Beispiels dargestellt. Bei dieser Variante sind die Partikel 5, 7 und Fasern 9 nicht wie bei dem in 3 gezeigten Beispiel homogen über das Volumen des plattenförmigen Komposit-Materials der Panzerung 1 mit Seiten 21, 22 verteilt. Vielmehr weisen die Fasern 9 und/oder Partikel 5, 7 in Richtung senkrecht zu einer exponierten Seite der Panzerung eine variierende Dichte auf. Die exponierte Seite, also die Fläche, welche bei der Panzerung nach außen weist und auf der im Falle eines Beschusses dann ein Geschoß auftrifft, kann bei der in 4 gezeigten Panzerung 1 beispielsweise die Seite 21 sein. Wie anhand von 4 zu erkennen ist, nimmt die Dichte der Partikel 5, 7 von der Seite 21 zur Seite 22 hin ab, während die Dichte der Fasern 9 entlang dieser Richtung zunimmt, so daß die höchste Konzentration von Fasern im Bereich der Seite 22, also beispielsweise der Rückseite vorliegt. Trifft ein Geschoß auf die Seite 21 auf, so wirken die Hartstoffpartikel 5 in der harten Glas- oder Glaskeramik-Matrix 20 geschoßzerstörend, während die duktilen Metallpartikel 7 durch Verformung energieabsorbierend wirken.
Zusätzlich wird die entstehenden Stoßwelle aufgrund der unterschiedlichen Dichte der Matrix 20 und der Partikel 5, 7 an den Partikeln gestreut, so daß die Stoßwelle mit verminderter Intensität auf der Rückseite 22 auftrifft. Die Fasern 9, die auf der Rückseite mit höherer Partikeldichte eingebettet sind, erhöhen dort die Bruchzähigkeit und vermögen die entstehenden Zugbelastungen entlang der Rückseite aufzunehmen. Auf diese Weise wird verhindert, daß das Komposit-Material in Stücke reißt, was zu einem Hindurchtreten des Geschosses führen würde.
In 5 ist noch eine Weiterbildung dargestellt, bei welcher die Fasern 9 in Gestalt eines Hartstoff-Fasergewebes 90 in die Matrix des Komposit-Materials 2 eingebettet sind. Dazu kann die Pressform zur Herstellung des Ausgangskörpers oder des Kompositmaterials teilweise mit dem pulverisierten glas- oder glaskeramikbildenden Material 3 gefüllt, das Gewebe 90 eingelegt und dann die Pressform weiter mit glas- oder glaskeramikbildenden Material 3 gefüllt werden. Dem glas- oder glaskeramikbildenden Material 3 können wiederum Hartstoffpartikel 5 und/oder Metallpartikel 7 beigemischt werden.
Glas- oder Glaskeramikplatten werden ansonsten im Allgemeinen durch Walzen, im Falle einer Glaskeramik durch Walzen einer Grünglasscheibe, die anschließend keramisiert wird, hergestellt. Damit werden scheibenförmige Körper mit ebenen Flächen erhalten.
6 zeigt ein Verbundmaterial für eine Panzerung mit zwei aufeinandergesetzten Platten aus verschiedenen erfindungsgemäßen Kompositmaterialien 200 und 201. Beispielsweise können die Kompositmaterialien 200 und 201 jeweils verschiedene Glas- und/oder Glaskeramik-Materialien aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können sich die Materialien hinsichtlich der Größe und/oder Zusammensetzung und/oder der Materialien der eingebetteten Partikel und/oder Fasern unterscheiden. Die beiden Komposit- Materialien können vorteilhaft direkt aufeinandergeschmolzen sein. Dazu kann zum Beispiel ein Vorkörper hergestellt werden, der entsprechend unterschiedliche Schichten, etwa Schichten mit unterschiedlichen glas- oder glaskeramikbildenden Materialien aufweist. Dieser Vorkörper kann dann durch Schmelzsintern in das Kompositmaterial, beziehungsweise hier einem Verbund mit mehreren Kompositmaterialien umgewandelt werden. Auch können einfach wenigstens zwei einzeln hergestellte Kompositmaterialien 200, 201 aufeinandergelegt und durch ein geeignetes Backing, beziehungsweise einen Träger gehalten werden.
In 7 ist ein Beispiel einer Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen mit dem erfindungsgemäßen Kompositmaterial in Form einer kugelsicheren Weste 35 dargestellt.
Das Textilmaterial 37 der Weste 35 dient als Träger für Platten des Verbundmaterials 2, die beispielsweise zwischen zwei Textillagen eingenäht sein können. Die nicht von außen sichtbaren, eingenähten Platten des Verbundmaterials sind in 9 als gestrichelte Linien dargestellt. Als textiles Trägermaterial kommt beispielsweise Aramid-Gewebe oder uHDPE-Gewebe (ultrahochdichtes Polyethylen) in Betracht.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Insbesondere können die einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele auch in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.

Claims

Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen, umfassend ein Komposit-Material mit zumindest zwei Phasen, wobei die erste Phase eine Matrix für die zweite Phase bildet, und wobei die erste Phase ein Glas oder eine Glaskeramik ist, und wobei die zweite Phase in Gestalt von Partikeln und/oder Fasern in der vom Material der ersten Phase gebildeten Matrix eingebettet und darin verteilt ist, wobei die Fasern und/oder Partikel in Richtung senkrecht zu der exponierten Seite der Panzerung eine variierende Dichte und/oder Zusammensetzung und/oder Größe aufweisen.
Panzerung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase zumindest eines der Materialien umfasst: – Carbonfasern, – Glasfasern, – Hartstofffasern, wie Fasern mit SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Bornitrid, und/oder Mullit als Hauptkomponenten, – Stahlfasern, – Metallpartikel, – Hartstoffpartikel, wie Partikel mit SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Bornitrid, und/oder Mullit als Hauptkomponenten.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Panzerung plattenförmig ausgebildet ist und die Fasern oder Partikel in senkrecht zu einer Seitenoberfläche der plattenförmigen Panzerung variierender Dichte angeordnet sind.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase eine zumindest teilweise geordnete Anordnung von nichtmetallischen Fasern, insbesondere ein Gewebe, -Gewirke oder -Vlies umfasst.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Phase eine CaO-Al₂O₃-SiO₂-Glaskeramik, oder MgO-CaO-BaO-Al₂O₃-SiO₂-Glaskeramik, umfasst.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Phase eine Mg-Al-haltige Glaskeramik mit Spinellphase umfasst.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Phase ein Borosilikat-Glas umfasst.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Phase ein Aluminosilikatglas umfasst.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Phase ein Alkali-Erdalkali-Silikatglas umfasst.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase einen Volumenanteil im Bereich von 10 bis 70 Volumen-Prozent hat.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Komposit-Material eine Dichte von über 99% der theoretischen Dichte eines porenfreien Körpers aufweist.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Komposit-Material eine Dichte unter 3,5 g/cm³ aufweist.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase Partikel in Form von Metallspänen, vorzugsweise mit Abmessungen bis 1 cm Länge umfasst.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase Fasern mit Durchmessern kleiner 0,2 Millimetern umfasst.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei unterschiedliche Komposit-Materialien mit einer Glas- oder Glaskeramik-Matrix und darin verteilten Fasern und/oder Partikeln aufeinander angeordnet werden.
Verfahren zur Herstellung einer Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen, bei welchem Fasern und/oder Partikel mit pulverförmigem Material, welches eine Glas- oder Glaskeramik-Matrix bildet, vermischt und das Gemisch erhitzt wird, so daß sich aus dem Material, welches eine Glas- oder Glaskeramik-Matrix bildet, eine fließfähige Glas- oder Glaskeramik-Phase bildet, welche Zwischenräume zwischen den Fasern und/oder Partikeln ausfüllt, so daß nach dem Abkühlen die Fasern und/oder Partikel in der erstarrten Glas- oder Glaskeramik-Phase eingebettet und darin mit in Richtung senkrecht zu der exponierten Seite der Panzerung variierender Dichte und/oder Zusammensetzung und/oder Größe verteilt sind.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Panzerung durch heißisostatisches Pressen des Gemischs hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorkörper des Gemisches hergestellt und der Vorkörper anschließend uniaxial heißgepresst wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Gemisch ein Vorkörper durch kaltisostatisches Pressen hergestellt und dieser anschließend durch Erwärmen versintert wird.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Pulver eines Ausgangsglases für Glaskeramik als Material, welches eine Glas- oder Glaskeramik-Matrix bildet, verwendet wird und eine Keramisierung des Ausgangsglases während der Erhitzung des Gemischs erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Borosilikat-Glasmatrix erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminosilikatglas-Matrix erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Alkali-Erdalkali-Silikatglas-Matrix erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch der Ausgangsstoffe für ein Glas oder eine Glaskeramik als Material, welches eine Glas- oder Glaskeramik-Matrix bildet verwendet und mit den Fasern und/oder Körnern vermischt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Hartstoff-Partikel mit pulverförmigem Material, welches eine Glas- oder Glaskeramik-Matrix bildet vermischt werden.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß Zirkoniumoxid-Partikel mit pulverförmigem Material, welches eine Glas- oder Glaskeramik-Matrix bildet, vermischt werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Glas- und/oder Hartstoff- und/oder Carbonfasern mit dem pulverförmigem Material, welches eine Glas- oder Glaskeramik-Matrix bildet vermischt werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß metallische Fasern und/oder Partikel mit dem pulverförmigem Material, welches eine Glas- oder Glaskeramik-Matrix bildet, vermischt und die Mischung induktiv beheizt wird, wobei sich durch das elektromagnetische Feld der Induktionsbeheizung die metallischen Fasern und/oder Partikel erhitzen und die Wärme an das umgebende Material abgeben.
Verwendung einer Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche in einer Personenschutz-Einrichtung, insbesondere einem gepanzerten Kleidungsstück, oder zur Panzerung von Fahrzeugen oder Fluggeräten.