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Die
Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaften,
der Keramik, der Materialien für
Schutzpanzerungen und für
Verschleißbeanspruchungen
und betrifft hochfeste Flächengebilde
für endballistischen
Schutz, beispielsweise für den
Schutz von Fahrzeugen und Personen, und für Verschleißschutz, beispielsweise für den Einsatz
in Brechern, Mühlen,
Förderrinnen
und Rohren.
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Zur
Sicherung von Personen, Fahrzeugen und Einrichtungen im militärischen
und auch im zivilen Bereich wird eine Konstruktion zur Sicherung
des entsprechenden Objektes nach der jeweils spezifischen Bedrohung
ausgelegt. Die Überlebensfähigkeit
derartig geschützter
Objekte kann durch den Einsatz von Schutzpanzerungen aus geschossfestem Material
erhöht
werden. Da die Rückhaltefähigkeit derartiger
Schutzpanzerungen im Wesentlichen von der Oberflächenhärte der Schutzflächen der
Panzerungselemente abhängt,
wurden bisher in erster Linie Spezialstähle mit hoher Härte und
entsprechend abgestimmter Zähigkeit,
aber auch keramische Werkstoffe eingesetzt.
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Aus
der
DE 198 56 597
A1 ,
DE 34
26 457 C1 und aus
US
6 332 390 B1 sind ballistische Schutzpanzerungen bekannt,
welche aus einem Backing-Material und darauf aufgebrachten Kacheln
bestehen. Bei diesen geschossfesten Plattenmaterialien handelt es
sich um geschosshemmende Flächengebilde
mit einem textilen Laminat (Backing-Material), auf das Platten aus
Keramik formschlüssig
zueinander aufgeklebt sind. Dieser Werkstoffverbund soll, bei möglichst
geringem Gewicht, Schüsse,
insbesondere von Hartkerngeschossen mit hohen Geschwindigkeiten
und damit hoher Auftreffenergie, unwirksam machen. Die durch das
Geschoss eingebrachte Energie an der Einschussstelle wird im westlichen durch
die Zerstörung
der betroffenen Kachel abgebaut.
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Wenn
in vielen Fällen
Stahl trotz des hohen Gewichtes für die Panzerung gegen Geschosse
Anwendung findet, so im wesentlichen deshalb, weil durch die Härte und
Elastizität
des Stahls nur geringfügige
Schädigungen
am Panzermaterial auftreten, so dass folgende Treffer im Abstand
von nur wenigen Millimetern zum vorherigen Treffer wiederum gehalten
werden können.
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Bei
keramischen Werkstoffen ist dies jedoch völlig anders. Hier ist es zwar
möglich,
den ersten Treffer durch eine dünnere
Schutzschicht von sehr geringem Gewicht im Vergleich zu Stahl zu
halten, jedoch zerstört
jeder Treffer im keramischen Material eine relativ große Fläche, so
dass der nächste
Treffer mit Sicherheit nur dann gehalten werden kann, wenn er auf
ein vom zuerst getroffenen Keramikstück unabhängiges, d.h. separat aufgebrachtes
Keramikstück
auftrifft. Die Tatsache führt
dazu, dass Keramikelemente, insbesondere Einzelkacheln verwendet werden
müssen,
um bei einem geringen Geschossabstand die Schutzwirkung nicht zu
verlieren. Die Abstimmung der Plattengröße erfolgt deshalb meist nach
dem möglichen
Trefferabstand, was kleinere Kachelabmessungen zur Folge hat. Dadurch
ergibt sich ein weiteres Problem, nämlich, wie die Kachelanordnung
beschaffen sein muss, damit die zwangsläufig vorhandenen engen Spalte
zwischen den Kacheln als Schwachstellen der Gesamtschutzschicht möglichst
geschützt
werden können.
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Bei
der Mosaikanordnung von keramischen Kacheln ist es deshalb allein
wegen des Kantenproblems trotz einer bekannten Anordnung nach Art
eines Verbundmauerwerkes (
DE
34 26 457 A1 ) immer noch notwendig, eine höhere Dicke
und damit ein höheres
Gewicht zu verwenden. Dadurch kann das Problem der Schwachstelle
bei den Kanten verringert werden, jedoch eine völlig gleiche Halteleistung
bezüglich
der Schutzwirkungen der Kacheln an den Kanten wird nicht erreicht.
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Auch
im Bereich des Verschleißschutzes
ergeben sich Einsatzgebiete für
Schutzpanzerungen, wie z.B. gegen Prallbeanspruchung oder Gleitverschleiß. Hohem
Verschleiß ausgesetzte
Platten oder Formstücke
in Kanälen,
Behältern,
Sichtern, heißgehenden
Zyklonen, Mühlen
oder Brechern zeigen besonders starke Abrasionserscheinungen an
den Kanten der sich berührenden
Kacheln. Die Standfestigkeit der Verschleißpanzerung hängt demnach
vorrangig von der Kantenstabilität
ab, was eine höhere Dichte
der Auskleidung zur Folge hat.
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Aus
der
EP 0 967 453 A1 ist
ein flexibles, aufprall- oder stoß-resistentes Compositmaterial
bekannt, welches eine Stoßseite
aufweist, die aufprallresistent ist und die aneinander grenzenden
Platten des Compositmaterials eine vollständig stumpfe Kante aufweisen.
Weiterhin ist ein schichtförmiges
flexibles Material vorhanden, welches eine hohe Widerstandskraft
gegen lokale Deformationen aufweist.
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Nach
der
DE 39 40 623 A1 ist
ein Panzerungselement für
eine ballistische Panzerplattenanordnung bekannt, bei dem die Beschussfläche nach außen erhaben
ausgebildet ist, so dass eine Ablenkung eines auf die Beschussfläche auftreffenden Projektils
erfolgt.
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Gemäß der
US 3 523 057 A ist
eine flexible armierte Platte bekannt, die einen flexible Matrix
aufweist, in der eine Vielzahl von spherischen Elementen in ihrem
Inneren aufweist.
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In
der
US 5 736 474 A wird
ein multistrukturelles ballistisches Material beschrieben, welches aus
mehreren Schichten aus ballistisch gewobenem oder ungewobenem Material
aufgebaut ist, wobei eine der inneren Schichten geometrische Elemente enthält.
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Ein
weiteres Schutzelement ist in der
US 4 538 301 A oder auch in der
US 3 867 239 A beschrieben.
Danach besteht das Element aus einem flexiblen Material, auf, welchem
verschiedene geometrische Elemente angeordnet und fixiert sind.
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Aus
der
DE 199 39 533
A1 ist weiterhin ein Schutzaufbau in Sandwichbauweise bekannt,
bei dem ein ballistisches Schutzmaterial zwischen zwei Deckschichten
angeordnet ist und aus der
DE
32 28 264 A1 ist ein beschusssicheres Mehrschichtmaterial bekannt,
bei dem Körper
in eine Kunstharzschicht eingebettet und auf einer Trägerschicht
aufgebracht sind.
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Gemäß der
AT 410 142 B ist
eine Einrichtung zum Schutz von Körperteilen vor eindringenden
Gegenständen
aus einer Trägerschicht
aufgebaut, auf der eine energieaufnehmende Schicht, eine weitere Schicht
und nachfolgend Schutzplatten angeordnet sind.
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Die
Panzerung gemäß der
DE 1 952 759 A besteht
aus einer Trägerkonstruktion
aus einem verformbaren, zähen
Material, auf der ein beinahe kontinuierlicher Belag aus sich wiederholenden
Plättchen
angeordnet ist, der sich an die Deformierungen der Trägerkonstruktion
anpassen kann.
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Zusammenfassend
kann gesagt werden, dass zahlreiche Lösungen für ballistische Schutzpanzerungen
bekannt sind, die in einem flexiblen Material eingebettet ein Schutzmaterial
aufweisen, welches aus den verschiedensten geometrischen Formen aufgebaut
ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, hochfeste Flächengebilde
für den
endballistischen Schutz und Verschleißschutz anzugeben, bei denen nur
im unmittelbaren Umfeld einer Geschosseinwirkung oder eines lokalen
Verschleißes
die Zerstörung des
Flächengebildes
erfolgt.
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Die
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße hochfeste
Flächengebilde
für endballistischen
Schutz und Verschleißschutz
besteht aus Einzelkörpern,
die, zu einem flächigen
Körper
zusammengesetzt und auf einem Backing-Material befestigt, das hochfeste
Flächengebilde
ergeben, wobei die Einzelkörper
die Form von Pyramiden und Tetraedern oder Pentaedern und/oder Hexaedern
und/oder daraus zusammengesetzten Verbundkörpern aufweisen.
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Vorteilhafterweise
ist der flächige
Körper ganz
oder teilweise von einem Backing-Material
umgeben.
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Weiterhin
vorteilhafterweise bestehen die Einzelkörper und/oder die daraus zusammengesetzten
flächigen
Körper
ganz oder teilweise aus keramischen und/oder metallischen Materialien,
und besonders vorteilhafterweise aus keramischen Materialien, wie
SiC, Si3N4, Al2O3, aus metallischen
Materialien, wie Hartmetalle, höherfestem
Stahl, wie V2A-Stahl, ST 52-3 oder aus Keramik-Metall-Verbundwerkstoffen.
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Weiterhin
vorteilhafterweise besteht ein flächiger Körper aus 5 Pyramiden und 4
Tetraedern, der mehrfach wiederholt und jeweils als Formenverbund abwechselnd
umgekehrt zusammengesetzt, den flächigen Körper bilden.
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Das
Flächengebilde
weist auf der Ober- und Unterseite jeweils eine im Wesentlichen
ebene Fläche
auf, die außer
den Spalten zwischen den Einzelkörpern
keine weiteren Fehlstellen aufweist. Die Ebenheit der Flächen zur
Ober- und Unterseite richtet sich im Wesentlichen nach dem Anwendungsfall, der
auch gebogene und/oder gewölbte
Oberflächen erfordern
kann.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise ist die Verbindung der Einzelkörper kraftschlüssig, durch
Verkleben, Verschweißen,
Löten oder
durch Klammern realisiert.
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Von
Vorteil ist es auch, wenn die Einzelkörper und/oder der daraus zusammengesetzte
Verbundkörper
Abmessungen von 5 bis 200 mm Kantenlänge, noch vorteilhafterweise
Abmessungen von 10 bis 100 mm Kantenlänge aufweisen.
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Und
auch von Vorteil ist es, wenn im Falle des Vorliegens von Spalten
zwischen den Flächen und/oder
Kanten der Einzelkörper
und/oder des daraus zusammengesetzten flächigen Körpers diese durch einen Kleber
oder ein Lot oder ein Gewebe gefüllt
sind.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung ist
es möglich,
eine verbesserte Panzerung zum endballistischen Schutz und/oder
zum Verschleißschutz
zu erreichen, deren Zerstörung
durch Geschosseinwirkung oder Verschleiß nur im unmittelbaren Umfeld des
Geschosskalibers oder der Verschleißeinwirkung auftritt und somit
eine verbesserte Beständigkeit
gegen Mehrfachbeschuss oder Dauerbeanspruchung durch Verschleiß aufweist.
Dies gelingt erfindungsgemäß durch
die Verkleinerung der Einzelkörper,
was einerseits den Nachteil einer hohen Anzahl an Flächen gegenüber der
Geschoss- oder Verschleißeinwirkung
aufweist, erfindungsgemäß aber trotzdem eine
verbesserte geschosshemmende oder verschleißhemmende Wirkung erreicht.
Dieser Vorteil wird erreicht, indem die Schwachstellen einer derartigen
Verbundfläche,
die nach dem Stand der Technik bestanden, verringert und/oder nicht
mehr unmittelbar in Einwirkungsrichtung der Geschosse oder des Verschleißes angeordnet
worden sind.
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Dieser
Vorteil trifft auch für
den Bereich des Verschleißschutzes
zu, bei dem in erster Linie eine Prallbeanspruchung der Panzerung
vorliegt.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird neben
der verbesserten Anpassbarkeit des Flächengebildes an unregelmäßige Formen
auch eine Verringerung des spezifischen Gewichtes erreicht, ohne die
Schutzwirkung zu verschlechtern; im Gegenteil, es wird sogar in
vielen Fällen
eine verbesserte Schutzwirkung erreicht.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung wird
die kritische Kantenstabilität
und Kantenhärte
des Flächengebildes
auf die Halteleistung zum Backing-Material und ggf. eines weiteren
flächigen
Materials und der Härte
des Materials des Flächengebildes
jeweils ganz oder teilweise reduziert.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung weisen die
Einzelkörper
des Flächengebildes
jeweils nur eine Verbindung zum Backing-Material und/oder zu einem
anderen flächigen
Material auf und ergeben dann umgekehrt zusammengesetzt ein vollständiges Flächengebilde.
Dabei sollte zwischen den Einzelkörpern des Flächengebildes
ein möglichst
vollständiger
formschlüssiger
Kontakt ihrer Flächen
und/oder Kanten bestehen. Im Falle des Vorliegens von Spalten zwischen
den Flächen
und/oder Kanten der Einzelkörper
oder der daraus zusammengesetzten Verbundkörper sind diese vollständig gefüllt. Die
Füllung kann
dabei ein Kleber oder ein Lot oder ein Gewebe sein. Die Spalte zwischen
den Flächen
und/oder Kanten der Einzelkörper
oder den daraus zusammengesetzten Verbundkörpern sind vorteilhafterweise
zwischen 0,1 und 10 mm breit, wobei bei geringeren Abmessungen der
Einzelkörper
oder der Verbundkörper
auch geringere Spaltabmessungen vorliegen.
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Unter
der im Rahmen dieser Erfindung verwendeten Bezeichnung "Backing-Material" wird ein Material
verstanden, auf das Einzelkörper
oder die zusammengesetzten Verbundkörper befestigt werden oder
das die Einzelkörper
oder die zusammengesetzten Verbundkörper ganz oder teilweise umgibt. Im
Falle des endballistischen Schutzes handelt es sich bei dem Backing-Material
vorteilhafterweise um Fasergewebe-Formkörper und im Falle des Verschleißschutzes
vorteilhafterweise um Metalle, beispielsweise in Form von Blechen.
Die Verwendung von Metallblechen als Backing-Material für den endballistischen
Schutz, als auch die Verwendung von Fasergewebe-Formkörpern als
Backing-Material im Verschleißschutz
ist ebenfalls denkbar.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Beispiel 1
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Aus
keramischen Platten aus flüssigphasengesintertem
Siliciumcarbid werden mittels Trennschleifen 400 unregelmäßige Pentaeder
mit den Abmessungen 30 × 20 × 20 mm3 (jeweils größte L × B × H) hergestellt. Die Form
entspricht der Kombination aus einer regelmäßigen Pyramide und einem Tetraeder,
die so verbunden sind, dass eine Keilform entsteht, wobei zwei Seiten
die Fläche
eines Parallelogramms ergeben, zwei Flächen die Form eines gleichschenkligen
Dreiecks ergeben und die Grundfläche
ein Quadrat ist.
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Diese
Pentaeder werden so zusammengesetzt, dass gegenüber dem Backing-Material, welches
ein Aramid(faser)-Formkörper
mit den Abmessungen 400 × 400
mm ist, und der Außenseite
des zukünftigen
Flächengebildes
jeweils ebene Oberflächen
entstehen. Die zusammengesetzten 400 Pentaeder bedecken mit ihrer
ebenen Flächengebildeseite zum
Backing-Material das gesamte Backing-Material. Diese Flächengebildeseite
wird mit dem Backing-Material durch Kleben mit einem Zweikomponenten-Kunstharzkleber
kraftschlüssig
verbunden.
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Ein
derart hergestelltes Flächengebilde
wird in eine Schutzpanzerung für
ein Militärfahrzeug
eingearbeitet.
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Bei
einer senkrechten Geschosseinwirkung eines Hartkerngeschosses von
12,7 mm Kaliber werden je Geschoss maximal 6 Pentaeder, üblicherweise
aber nur 2 bis 4 Pentaeder, jeweils nur in unmittelbarer Umgebung
der Einschussstelle zerstört.
Aufgrund der Überdeckung
der Panzerplatten bleibt, im Gegensatz zu herkömmlichen keramischen Schutzpanzerungen,
die Schutzwirkung unmittelbar neben der Einschussstelle erhalten.
Die maximal zerstörte Fläche beträgt 40 × 40 mm, üblicherweise
aber nur 20 × 40
mm.
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Im
Vergleich dazu werden bei einer herkömmlichen Plattenanordnung von
Platten einer Größe von 75 × 75 × 20 mm
in Form eines Mauerwerkes maximal eine Fläche von 150 × 150 mm, üblicherweise
75 × 75
mm zerstört.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird
der Schuss auch gehalten, wenn das Geschoss auf die Kanten der sich
berührenden
Pentaeder trifft.
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Dagegen
wird bei der herkömmlichen
Plattenanordnung der Schuss nicht gehalten, wenn das Geschoss auf
die sich berührenden
Plattenkanten trifft. Daher ist bei der herkömmlichen Anordnung eine höhere Plattendicke
von mindestens 30 mm erforderlich, um den Schuss zuverlässig zu
halten, was in einer 33 %-igen Gewichtserhöhung resultiert.
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Beispiel 2
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Ein
stranggegossener hochfester Stahl (ST 52-3) mit einem dreieckigen
Querschnitt wird durch schräges
Abschneiden des Stranges zu Pyramiden mit einer Grundfläche von
40 × 40
mm und einer Höhe
von 40 mm verarbeitet. Aus einem ebensolchen Stahlstrang und nachfolgendem
schrägen Schneiden
werden Tetraeder mit einer Länge
der sich jeweils rechtwinklig gegenüberliegenden Kanten von 40
mm und einer Höhe
von 40 mm hergestellt. Dabei werden 200 Pyramiden mit jeweils einem
Tetraeder bereits durch Verlöten
mit einem Weichlot kraftschlüssig
zu einem Verbundkörper
miteinander verbunden. Die Pyramiden und Tetraeder als Verbundkörper werden
jeweils zu 200 Stück
in einem Rahmen zu einem ebenen Flächengebilde angeordnet. Die
dem Backing-Material zugewandte Seite wird mit dem Backing-Material
aus einem Stahlblech der Qualität
ST37 der Abmessungen 400 × 400
mm mit einem Weichlot und entsprechendem Flussmittel miteinander
verbunden.
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Ein
derart hergestelltes Flächengebilde
wird als Schutzpanzerung für
die Prallplatte eines Hammerbrechers eingearbeitet.
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Bei
der Abrasionsbeanspruchung an der Prallplatte werden die sich berührenden
Kanten der Panzerplatten stärker
erodiert als die Platten selbst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung verläuft die
Teilung aufgrund der Anordnung der Tetraeder und Pyramiden schräg zur Beanspruchungsrichtung, wodurch
sich eine verringerte Abrasion an den sich berührenden Kanten ergibt, was
eine um die 1½ – fache
längere
Einsatzdauer zur Folge hat. Aufgrund der Lötverbindung sind eine Auswechslung
der Schutzplatten und eine Wiederverwendung der Sicherungseinrichtung
möglich.