DE29824890U1

DE29824890U1 - Schutzpanzerung

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Publication number: DE29824890U1
Application number: DE29824890U
Authority: DE
Original assignee: IABG Industrieanlagen Betriebs GmbH
Current assignee: IABG Industrieanlagen Betriebs GmbH
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2008-12-09

Description

Meissner, Bolte &' Partner

Anwaltssozietät GbR Postfach 860624 81633 München

Industrieanlagen- 03. Januar 2003

Betriebsgesellschaft mbH M/IAB-064-DE/I/G

Einsteinstr. 20 MB/BO/Lz/eh 85521 Ottobrunn

Schutzpanzerung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schutzpanzerung nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.

Insbesondere dreht es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine ballistisehe Leichtgewicht-Schutzpanzerung.

Aus der DE 34 26 457 C2 sind geschoßfeste Plattenmaterialien als geschoßkommendes Flächengebilde mit einem textlien Laminat für schußsichere Westen, Schilde, Panzerplatten und dergleichen zur Aufhaltung von Geschossen oder dergleichen mit hoher Energie bekannt. Um bei einem möglichst geringen Gewicht eine Vielzahl von nahe beeinanderliegenden Schüssen, insbesondere von Hartkerngeschossen mit hoher Geschwindigkeit und damit hoher Auftreffenergie unwirksam zu machen, wird in der Druckschrift vorgeschlagen, ein erstes Bindemittel zwischen einer metallischen oder keramisehen Frontschicht und einem darunterliegenden Aramid-Laminat einzusetzen, dessen Haftfähigkeit um wenigstens 50% über der Haftfähigkeit eines zweiten Bindemittels liegt, welches zwischen den Lagen des Laminates eingesetzt wird. Dabei soll die Haftfähigkeit des ersten Bindemittels mindestens 60 l\l/5cm betragen. Das Bindemittel mit der höheren Haftfähigkeit soll beim Einsatz von Keramikkacheln bewirken, daß die zerstörten Kacheln mit ihrer Restmasse auch weiterhin mit der obersten Aramid-Gewebelage verbunden bleibt. Die umliegenden Kacheln sollen sich im wesentlichen nicht verschieben können. Infolge der hohen Haftfähigkeit fängt also dieses Bindemittel die bei der Zerstörung der Kacheln auftretenden Kräfte auf und

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gibt diese insgesamt an die Verbundstruktur des Aramid-Schutzpaketes weiter. Aus diesem Grund wird in der Druckschrift auch vorgeschlagen, zwischen den Kacheln in den Spalten ebenfalls das Bindemittel mit hoher Haftfähigkeit einzusetzen, um dadurch einerseits die Reibung zwischen den Kanten der Kacheln zu vermindern und andererseits die elastische Übertragung der Kräfte ohne Kacheldruck auf das gesamte Kachelpaket zu fördern. Die bekannte Panzerung ist recht aufwendig in der Herstellung und weist trotz eines hohen Flächengewichtes nur eine unzureichende Schutzwirkung auf.

Aus der DE 29 43 680 Al ist ein plattenförmiges Panzerelement bekannt, welches eine Platte aus einem geschoßbrechenden Hartstoff aufweist, auf deren Rückseite ein geschoßhemmender Stützstoff angeordnet ist. Als geschoßhemmender Stützstoff werden spezielle Aramidfasergewebe vorgeschlagen, die mehrere lose geschmiedete Lagen bilden und nur schwach miteinander verbunden sind. Dieses Stützgewebe hat die Aufgabe, den durch einen Beschüß zerstörten bzw. verformten Hartstoff im Gesamtaufbau zusammenzuhalten. Auch hier ist die Schutzwirkung trotz hohen Flächengewichtes nicht hinreichend.

Aus der DE 35 08 848 Al ist ein Panzerelement bekannt, das eine oberste Schicht aus mosaikförmig aneinandergefügten Hartstoffplatten aus Keramik aufweist. Diese oberste Schicht ist mit einem darunter angeordneten Träger verbunden, der eine energieaufnehmende Schicht darstellt und nur so steif ausgebildet ist, daß er gerade den Verbund mit den Hartstoff platten zu tragen vermag. Gleichzeitig kann der Träger als energieaufnehmende Schicht ausgebildet sein, die relativ grobporig ist, um beim Eindringen des Geschosses in die Panzerplatte weniger Material wegdrängen zu müssen. Die geringe Steifigkeit des Trägers wird durch einen weiteren Träger aus Metall oder Kunststoff ergänzt. Ein auf das Panzerelement auftreffendes Geschoß zertrümmert die Hartstoff platten und wird zusammen mit den Hartstoffplatten durch die erste und zweite Trägerschicht abgebremst, wobei sich diese beiden Trägerschichten verformen. Eine schlagzähe Umhüllung verbindet die Hartstoffplatten zusammen mit den Trägerschichten und soll einen allseiti-

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gen Splitterschutz bieten. Der Aufbau dieser Schutzpanzerung ist relativ aufwendig, die Schutzwirkung trotz hohen Flächengewichtes ist nicht hinreichend.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzpanzerung aufzuzeigen, die mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist und trotz geringen Flächengewichtes eine hinreichende Schutzwirkung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Schutzpanzerung nach Anspruch 1 gelöst.

Der hier verwendete Werkstoff ist beispielsweise aus der DE 42 07 009 bekannt. Ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes bzw. derartige Werkstoffe sind insbesondere auch in der DE 193 50 468 beschrieben, auf deren Gesamtoffenbarung hier besonders Bezug genommen wird. Das Material wird auch als C/SiC-Werkstoff bezeichnet.

Ein ganz wichtiges Merkmal der C/SiC-Panzerung ist deren Bruch-/Rißzähigkeit, die bei gleicher Härte im Vergleich zu bisher verwendeten monolithischen Hartstoffkeramiken, wie z. B. Aluminiumoxid, Borkabid, Siliziumkarbid oder Siliziumnitrit erheblich höher ist. Durch diese höhere Rißzähigkeit kommt es beim Auftreffen eines Geschosses nicht mehr zur kompletten Zerstrümmerung der keramischen Hartstoffschicht. Durch diese geringere Zerstörung der C/SiC-Panzerung wiederum kann eine wesentlich bessere Schutzwirkung erzielt werden, als dies bei pulvermetallurgisch hergestellten monolithischen Keramiken der Fall ist. Bei gleicher Schutzwirkung zeigt die C/SiC-Panzerung, die vorzugsweise eine Dichte im Bereich von 2-2,7 g/cm³ (je nach Faser-/Matrixgehalt) aufweist, ein wesentlich geringeres Flächengewicht als eine konventionelle Stahl- oder Keramikpanzerung. Dieses Flächengewicht liegt unter 30 kg/m².

Die C/SiC-Panzerung ist gas- und flüssigkeitsdicht und weist keinerlei Porosität auf. Sie besitzt weiterhin im Vergleich zu konventionellen Panzerungen eine ausgezeichnete Korrosions- und Witterungsbeständigkeit. Die Panzerung

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eignet sich besonders als Schutz gegen kleinkalibrige Munition wie Pistolen- und Gewehrmunition. Bei einer Geschoßstopwirkung für eine Kaliber von 7,62 mmAP liegt das spezifische Flächengewicht unter 30 kg/m². Ein Splitterschutz ist außerdem gegeben. Damit eignet sich diese Panzerung sowohl zum zivilen Schutz von Personen, Kraftwagen usw. als auch für den Militärbereich (Panzer, Hubschrauber usw.). Die C/SiC-Deckschicht ist vorteilhaft für den Gebrauch für Panzerung in aggressiven Medien sowie zur Tarnung der mit der Panzerung versehenen Geräte einzusetzen. Durch eine geeignete Beschichtung bzw. Compoundierung der äußeren C/SiC-Schicht kann ein zusätzlicher Effekt zum Schutz bei Infrarot- und Radaraufklärung erreicht werden.

Vorzugsweise weist der Formkörper aus C/SiC-Material an seiner äußeren, geschoßkommenden Seite eine höhere Härte, und an seiner inneren, der Backing-Struktur zugewandten Seite eine niedrigere Härte bei erhöhter Verformbarkeit und/oder Bruchzähigkeit auf, was die Schutzwirkung erheblich verstärkt. Hierbei wird insbesondere der Formkörper so ausgebildet, daß er eine, seiner Härte und Bruchzähigkeit angepaßte und mit ihr von seiner äußeren zu seiner inneren Seite hin variierende Fasermenge bzw. Faserver-Stärkung aufweist. Dies bedeutet, daß die für die Panzerung relevanten Eigenschaften wie Härte, Schallgeschwindigkeit und Dichte durch Variationen im Faser-/Matrixgehalt bzw. die Faserverstärkung und die Menge an reagiertem SiC im Kohlenstoffasergerüst auf die jeweilige Bedrohung einstellbar sind. Die Härte kann man z. B. zwischen 1000-2400 N/m² und die Schallgeschwindigkeit zwischen 8000-11000 m/s durch die Art der Faserverstärkung bzw. durch die Menge der eingebrachten Fasern in den Kohlenstoff-Formkörper sowie die Infiltrationsparameter bei der Silizierung einstellen.

Die Backing-Struktur wird vorzugsweise ausgewählt aus Aramid-Formkörpern, GFK-Formkörpern, Polyethylenfaser-Formkörpern, CFK-Formkörpern oder Metall-Formkörpern ausgewählt.

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Die Aufbringung der Formkörper auf die Backing-Struktur erfolgt vorzugsweise mittels eines Bindemittels, besonders bevorzugterweise mittels Polyurethan.

Der C/SiC-Formkörper wird vorzugsweise so ausgebildet, daß er eine von außen nach innen abnehmende Härte und zunehmende Verformbarkeit bzw. Bruchzähigkeit aufweist. Dies kann so geschehen, daß der Formkörper aus mindestens zwei aufeinanderliegenden, vorzugsweise aufeinandergeklebten Formkörpern unterschiedlicher Härte und Bruchzähigkeit besteht. Alternativ, gegebenenfalls aber auch zusätzlich (also bei jedem der aufeinanderliegenden Formkörpern) kann eine von seiner äußeren zu seiner inneren Seite im wesentlichen kontinuierlich variierende Härte bzw. Bruchzähigkeit vorgesehen werden, indem man die Fasermenge und/oder Faserverstärkung zur Herstellung eines Gradienten-C/SiC-Verbundwerkstoffs variiert.

Der Formkörper weist einen derart gestalteten Außenumriß, vorzugsweise einen rechteckigen oder sechseckigen Außenumriß auf, daß weitere Formkörper im wesentlichen lückenlos aneinander ansetzbar sind, um eine im wesentlichen durchgehende Panzerung der Außenschicht herzustellen, die sich gut in jeder Form einer Auflageschicht bzw. einer Trägerkonstruktion anpassen kann. Weiterhin weisen die Formkörper vorzugsweise derart geformte, insbesondere abgeschrägte oder konkave oder konvexe Außenkonturen auf, daß entsprechend geformte weitere Formkörper aneinander an den Rändern überlappend ansetzbar sind, um die Durchgängigkeit der Außenschicht zu verbessern. Die aneinander angesetzten Formkörpr werden vorzugsweise an ihren Rändern miteinander verklebt.

Das Fasermaterial wird vorzugsweise vor dem Infiltrieren mit Silizium in die Gestalt des fertigen Formkörpers gebracht. Dadurch können auch kompliziertere Formen mit allen notwendigen Ausnehmungen, beliebigen Wandstärken, Wandstärkenvariationen und Größen hergestellt werden. Die Herstellung im Grünzustand verlangt keine hohen Werkzeugkosten und ist wenig aufwendig.

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Zur Herstellung der Schutzpanzerung bearbeitet man Kohlenstoff-Formkörper, insbesondere Platten mit Kohlenstoffaserverstärkung, insbesondere Kurzfaser- und/oder Filzverstärkung und/oder Gewebeverstärkung so, daß sie die gewünschten Maße und Formen aufweisen. 5

Diese Bearbeitung kann mittels konventioneller, spanabhebender Bearbeitungstechniken, insbesondere durch Drehen, Fräsen oder Sägen geschehen. Diese Halbzeuge aus kohlenfaserverstärktem Kohlenstoff (C/C) werden in einem Ofen unter Sauerstoffausschluß, insbesondere in einem Vakuum auf Temperaturen über 1405⁰C aufgeheizt und mit Silizium infiltriert. Bei einem weiteren Aufheizen reagiert der Kohlenstoff aus den Formkörpern mit dem infiltrierten Silizium zumindest teilweise zu Siliziumkarbid, so daß (nach dem Abkühlen) die Formkörper nunmehr aus kohlenstoffaserverstärktem Siliziumkarbid bestehen. Diese Formkörper bilden ballistische Schutzplatten, die mittels eines Bindemittels, vorzugsweise mittels Polyurethan auf Aramidplatten und/oder GFK-Platten und/oder Polyethylenfaser-Formkörpern und/oder CFK-Platten und/oder Metall-Platten, welche als Backing-Struktur dienen, aufgeklebt werden.

Vorzugsweise werden zwei oder mehr derartige C/SiC-Formkörper mit unterschiedlicher Härte bzw. Bruchzähigkeit aufeinandergeklebt, um so einen Verbundkörper zu bilden, da eine in Richtung auf die Backing-Struktur zunehmende Bruchzähigkeit (und abnehmende Härte) aufweist. Alternativ (oder zusätzlich) kann man sowohl die Infiltrieriung mit Silizium als auch die Dichte der Kohlenstoffasern derart mit einem Gradienten einstellen, daß sie diese eine erhöhte Bruchzähigkeit (sinkende Härte) in jedem einzelnen Formkörper ergibt. Hierbei wird die Infiltrierung mit Silizium vorzugsweise durch folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

- Herstellen eines flüssigen oder klebrigen Bindemittels, welches aushärtbar ist und mit Kohlenstoff dotiert wird;

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Beschichten von Partikeln oder Gruppen von Partikeln eines Silizium-Pulvers oder Silizium-Granulats mit dem Bindemittel zur Herstellung von Spendersilizium;

- Formen des Spendersiliziums entsprechend den Oberflächen des aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff bestehenden Grünkörpers zur Herstellung von Spendersilizium-Formkörpern;

Trocknen und Aushärten der Spendersilizium-Formkörper; 10

Auflegen der Spendersilizium-Formkörper auf den Grünkörper;

Aufheizen des Grünkörpers mit aufgelegten Spendersilizium-Formkörpern auf Temperaturen, bei denen Silizium schmilzt und darüber hinaus bis der Kohlenstoff mit dem Silizium unter Bildung von Siliziumkarbid reagiert;

Infiltrieren des Grünkörpers mit Spendersilizium, das aus den Spendersilizium-Formkörpern nach unten auf den Grünkörper fließt.

Die Menge des Spendersiliziums kann hierbei so eingestellt werden, daß sie zu einer vollständigen Silizierung des Grünkörpers nicht ausreicht. Der Silizierungsvorgang verläuft dann zwangsläufig inhomogen. Es ist auch möglich, die Infiltrierung des Grünkörpers mit Spendersilizium derart vorzunehmen, daß man den Grünkörper in ein Bett (Bad) aus Spendersilizium legt, so daß das geschmolzene Silizium aufgrund der Dochtwirkung des Grünkörpers in diesem nach oben steigt. Auch dadurch kann in relativ einfacher Weise ein vorbestimmter Gradient hinsichtlich der Durchdringung mit Silizium und der darauffolgenden Reaktion des Kohlenstoffes mit Silizium eingestellt werden, so daß die gewünschte Zunahme der Bruchzähigkeit (Abnahme der Härte) von einer Fläche des Formkörpers zur anderen sichergestellt wird.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Abbildungen näher beschrieben.

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- 8 Hierbei
zeigen:

Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einem

Teilschnitt;
5

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einer Darstellung

ähnlich der nach Fig. 1 zur Erläuterung verschiedener Möglichkeiten der Formgebung der Ränder und

Fig. 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform zur Erläuterungen eines

mehrschichtigen oder inhomogenen Aufbaus.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende

Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
15

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Schutzpanzerung umfaßt nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte C/SiC-Formkörper 10, die mittels eines Klebefilms 13 auf einer Backing-Struktur 20 aufgeklebt sind.

Die Ränder 14 aneinandergrenzender Formkörper 10 sind über Klebefilme zusammengehalten. Auf der Oberfläche (auf der geschoßkommenden Seite) ist ein elastischer Klebefilm 11 vorgesehen.

In Fig. 2 sind verschiedene Formen von Rändern 14, 15, oder 16 aufgezeigt, die entweder zur Bildung planer Strukturen (14, 16) oder zur Bildung gewölbter Strukturen (15) dienen. Es sind hier vielerlei Strukturen dieser Art denkbar, wobei die erfindungsgemäße Schutzpanzerung sich zur Herstellung solcher Strukturen besonders eignet, da die Grünkörper lediglich aus Kohlenstoff bestehen und darum sehr leicht mit konventionellen Werkzeugen (insbesondere spanabhebend) formbar sind. Es ist auch möglich, keine planen Formkörper 10 (wie in den Abbildungen gezeigt) herzustellen, sondern auch beliebig gekrümmte durch eine entsprechende Herstellung der kohlenstoffaserverstärkten Rohlinge.

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Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 dadurch, daß die Formkörper 10 unterteilt sind in einen oberen Formkörper 10 und einen unteren Formkörper 10', die jeweils unterschiedliche Fasergehalte aufweisen. Der obere Formkörper 10 auf der geschoßkommenden Seite weist einen geringeren Fasergehalt und damit eine größere Härte auf, als der untere Formkörper 10", der wiederum eine erhöhte Bruchzähigkeit aufweist. Die Verbindung zwischen den oberen und unteren Formkörpern kann über eine Klebeschicht erfolgen. Es ist auch möglich, die beiden Formkörper 10 und 10^x unter Zwischenlage von Silizium aufeinanderzustapeln und im Vakuumofen nach entsprechendem Aufheizen über die Schmelztemperatur von Silizium miteinander sozusagen zu verschweißen. Schließlich ist es auch möglich (jedoch zeichnerisch kaum darstellbar), die Formkörper so herzustellen, daß sie einen sich graduell mit der Tiefe (in Richtung auf die Backing-Struktur 20) ändernden Fasergehalt mit steigender Bruchzähigkeit und sinkender Härte aufweisen.

Bezugszeichenliste

10	C/SiC-Formkörper
11	Elastischer Klebefilm
12	Klebefilm
13	Klebefilm
14-16	Rand
20	Baking-Struktur

Claims

1. Schutzpanzerung, insbesondere ballistische Leichtgewichtschutzpanzerung umfassend:

- mindestens einen Formkörper (10) aus einem geschoßfesten Material und

- eine Backing-Struktur (20) zum Zusammenhalten der Formkörper (10) und zur Bildung eines Flächengebildes

dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) aus einem Gewebe, Gewirke, Gestricke oder dergleichen Fasermaterial aus Kohlenstoff besteht, das in einem Silizierungsvorgang durch Infiltrieren mit Silizium zu kohlenstoffaserverstärktem Siliziumkarbid umgewandelt ist.

2. Schutzpanzerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) an seiner äußeren, geschoßkommenden Seite eine höhere Härte und an seiner inneren, der Backing-Struktur zugewandten Seite eine niedrigere Härte bei erhöhter Verformbarkeit und/oder Bruchzähigkeit aufweist.

3. Schutzpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper eine, seiner Härte und Bruchzähigkeit angepaßte und mit ihr von seiner äußeren Seite zur inneren Seite hin variierende Fasermenge und/oder Faserverstärkung aufweist.

4. Schutzpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) aus mindestens zwei aufeinanderliegenden, vorzugsweise aufeinandergeklebten Formkörpern (10, 10') unterschiedlicher Härte und Bruchzähigkeit besteht.

5. Schutzpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper eine von seiner äußeren zu seiner inneren Seite im wesentlichen kontinuierlich variierende Härte und Bruchzähigkeit aufweist.

6. Schutzpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Backing-Struktur ausgewählt ist aus Aramid-Formkörpern, GFK- Formkörpern, Polyethylenfaser-Formkörpern, CFK-Formkörper, Metall- Formkörpern.

7. Schutzpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) auf die Backing-Struktur (20) mittels eines Bindemittels (13), vorzugsweise mittels Polyurethan, aufgeklebt ist.

8. Schutzpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) einen derart gestalteten Außenumriß, vorzugsweise einen rechteckigen oder sechseckigen Außenumriß derart aufweist, daß weitere Formkörper (10) im wesentlichen lückenlos ansetzbar sind.

9. Schutzpanzerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) derart geformte, insbesondere abgeschrägte oder konkave oder konvexe Außenkonturen oder Ränder (14, 15, 16) aufweist, daß entsprechend geformte weitere Formkörper (10) einander an den Rändern (14, 15, 16) überlappend ansetzbar sind.

10. Schutzpanzerung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinander angesetzten Formkörper (10) an ihren Rändern (14, 15, 16) miteinander verklebt (Klebefilm 12) sind.

11. Schutzpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial vor dem Infiltrieren mit Silizium in die Gestalt des fertigen Formkörpers gebracht ist.

12. Schutzpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper eine Dichte von 2-2,7 g/cm³ aufweist.