DE4042341C2 - Verbundpanzerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundpanzerung zum Schutz ge­ gen kleinkalibrige Geschosse und insbesondere gegen hochen­ ergetische Splitter und ist auch als Sicherheitsummantelung für Situationen geeignet, in denen Fragmente oder Splitter mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen werden können, bei­ spielsweise im Betrieb von Flugzeugtriebwerken.

Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke "V₅₀-Schutz­ grenzwert" und "Gütefaktor" sind wie folgt definiert:

V₅₀-Schutzgrenzwert (m/s) bezieht sich auf einen Angriff mit einem bestimmten Geschoßtyp und bezeichnet die Auf­ treffgeschwindigkeit, die eine 50% Chance der Panzerungs­ zerstörung (durch irgendeine Ausfallart) bietet.

Der Gütefaktor ermöglicht eine Normierung von V₅₀-Resulta­ ten, die den Vergleich von Panzerungen mit unterschiedli­ chen Flächendichten erlaubt (es ist zu beachten, daß ein realistischer Vergleich von verschiedenen Panzerungen nur unter Anwendung des Gütefaktors vorgenommen werden kann, und zwar unter der Voraussetzung, daß die Flächendichten gleiche Größenordnung haben).

Bei einem Angriff mit panzerbrechenden Geschossen oder Splittern etwa von Splitterbomben unterliegt eine Panzerung mit relativ geringem Gewicht einer Anzahl von verschiedenen Ausfallarten, und zwar:

• a) Pfropfenbildung - bei welcher ein lokaler Scherbruch durch die Gesamtdicke erfolgt, der in einem Materialpfrop­ fen resultiert, dessen Durchmesser von gleicher Größenord­ nung wie derjenige des aus der Panzerung entfernten Ge­ schosses ist. Der Pfropfen selbst kann dabei mit einer Restwucht ausgestoßen werden und stellt ein gefährliches sekundäres Geschoß dar. Pfropfenbildung ist ein Mechanismus mit geringer Energieabsorption, weil nur eine geringfügige plastische Verformung der Panzerung stattfindet, und aus diesem Grund ist die Vermeidung dieser Ausfallart sehr er­ wünscht.
• b) Scheiben- oder Schülpenbildung - dabei wird eine von der rückwärtigen Oberfläche der Panzerung abgesplitterte Materialscheibe ausgestoßen. Dies ist ebenfalls ein Aus­ fallmechanismus mit niedriger Energieabsorption und nach Möglichkeit ebenfalls zu vermeiden, da er die Ausnützung des vollen Panzerungspotentials nicht erlaubt.
• c) Segmentbildung - dabei werden radiale Risse gebildet, die Panzerungssegmente definieren, die sich vom auftreffen­ den Geschoß bei dessen Eintritt in die Panzerung nach rück­ wärts biegen. Da hierbei eine erhebliche plastische Verfor­ mung und Ermüdungsbrüche auftreten, handelt es sich um ei­ nen Ausfallmechanismus mit höherer Energieabsorption als Pfropfen- oder Scheibenbildung.

Aus der US-A-4 131 053 ist eine mehrlagige Panzerungsplatte bekannt, die aus einer äußeren harten Keramiklage, einer mittleren duktileren Lage aus z. B. Beryllium und einer in­ neren dritten Lage aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht. Alle Lagen sind durch geeignete Kleber dauerhaft miteinander verbunden.

In der EP-A-237 095 ist eine komplexe Verbundpanzerplatte beschrieben, die zwischen einer äußeren mit faserverstärk­ tem Kunststoff beschichteten Keramiklage und einem inneren Laminat aus faserverstärkten Kunststoffschichten ein Lami­ nat aus dünnen Blechen und faserverstärkten Kunststoff­ schichten sowie darunter eine Tragplatte in Wabenstruktur aufweist.

Eine in der EP-A-251 395 beschriebene Verbundpanzerplatte hat an ihrer äußeren Auftreffseite eine harte Keramiklage, an ihrer Innenseite ein Laminat aus mehreren faserverstärk­ ten Kunststoffschichten und zwischen beiden eine mittlere Lage aus mehreren miteinander verklebten Blechen.

Um bei den bekannten Verbundpanzerungen mit dualer Verform­ barkeit einen Verzug unter Lasteinwirkung zu verhindern, nimmt die rückwärtige Schicht aus verformbarem weicherem Metall normalerweise 50 Vol.-% oder mehr der Panzerung ein, was zu einer Verringerung des Gütefaktors der Panzerung führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbundpanzerung mit er­ höhtem Eindringwiderstand gegen Geschosse und Splitter zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebe­ nen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Verbundpanzerung mit mehreren durch Zwischenlagen voneinan­ der getrennten Blechen an der Auftreffseite sowohl die Dic­ ke als auch die Elastizität der Zwischenlagen eine starke Auswirkung auf den Gütefaktor der Panzerung haben. Durch Wahl einer in einem speziellen Bereich liegenden Zwischen­ lagendicke und durch Wahl eines Zwischenlagenmaterials mit ausreichend niedrigem Youngschen Elastizitätsmodul kann ei­ ne Optimierung des Gütefaktors der Panzerung erreicht wer­ den.

Durch die Dicke und den niedrigen Youngschen Elastizitäts­ modul der Zwischenlagen im ersten Teil der Panzerung wird die Energieabsorptionsfähigkeit der ersten Bleche maximal genutzt, indem ein hohes Maß an unabhängiger Verformung er­ möglicht wird. Eine Rißfortpflanzung senkrecht zu den er­ sten Blechen (die schließlich zur Pfropfenbildung führen würde) kann auf die ersten Bleche beschränkt werden, so daß der zweite Teil der Panzerung Restenergien absorbieren und außerdem das Auftreten von Scheibenbildung verhindern kann. Eine Auflösung der Panzerungslagen trägt ebenfalls zur Energieabsorption bei, indem durch plastische Verformung die Fläche verbreitert wird, über die Energie absorbiert wird.

Bevorzugt haben die Lagen des ersten Teils unter Kompressi­ on einen Youngschen Elastizitätsmodul von weniger als 3,5 GPa, senkrecht zu den Lagen gemessen.

Da typische polymere Verstärkungsfasern den Youngschen Ela­ stizitätsmodul einer typischen Kunststoffmatrix erhöhen, sind die Zwischenlagen des ersten Teils bevorzugt frei von Fasern.

Der zweite Teil der Panzerung kann ein einziges Blech aus duktilem Metall sein oder vorzugsweise wenigstens zwei duk­ tile Bleche umfassen, die miteinander und mit dem ersten Teil der Panzerung durch einen durch Aramidfasern verstärk­ ten Klebstoff verbunden sind. Der Einbau von Fasern in den zweiten Teil der Panzerung erhöht dessen Energieabsorpti­ onsfähigkeit ganz bedeutend. Die Duktilität der Bleche er­ laubt ein Strecken der Fasern, die bevorzugt ein Gewebe bilden, und damit eine Energieabsorption durch Reibung zwi­ schen den einzelnen Fäden. Außerdem resultiert die Verwen­ dung von zwei oder mehr duktilen Blechen und faserverstärk­ ten Klebstofflagen in einer unerwarteten Steigerung des Gü­ tefaktors der Panzerung gegenüber der Verwendung nur eines duktilen Blechs und einer Lage von faserverstärktem Kleb­ stoff.

Der selektive Einbau von Fasern in den zweiten Teil der Panzerung kann auch die Zugaufnahmefähigkeit des zweiten Teils auf die Größenordnung des ersten Teils anheben. Dies ermöglicht die Herstellung eines strukturell ausgeglichenen Konstruktionsmaterials, das sich unter Belastung nur ge­ ringfügig verzieht. Ein weiterer Vorteil dieses Merkmals besteht darin, daß ein größerer erster Teil der Panzerung aus Blechen mit höherer Festigkeit (niedrigere Duktilität) bestehen kann, was einen entsprechend erhöhten Gütefaktor der Panzerung ergibt. Der erste Teil nimmt bevorzugt wenig­ stens 75 Vol.-% der Panzerung ein. Um eine Scheibenbildung zu verhindern, verwenden bekannte Panzerungssysteme mit ab­ gestufter Duktilität im allgemeinen relativ dicke duktile Innenlagen, die normalerweise 50 Vol.-% oder mehr der Pan­ zerung einnehmen. Das führt zu einer entsprechenden Verrin­ gerung des Gütefaktors der Panzerung, weil der Eindringwi­ derstand der Panzerung nicht maximiert ist.

Um kleineren auftreffenden Splittern standzuhalten, beträgt die Dicke t jedes ersten Blechs bevorzugt weniger als 2 mm. Die Dicke t kann jedoch bis zu 6 mm betragen, um größeren Splittern zu widerstehen. Die Bleche bestehen bevorzugt je­ weils unabhängig aus Aluminium, Titan oder Magnesium oder deren Legierungen. Der erste Teil der Panzerung umfaßt be­ vorzugt vier bis zehn erste Bleche.

Die Faserverstärkung im zweiten Teil ist bevorzugt durch zwei orthogonal miteinander verwebte Faseranordnungen ge­ bildet. Bei dieser Verstärkungskonfiguration ist die Gefahr der Rißbildung und -fortpflanzung innerhalb der Klebstoff­ lagen minimiert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Diagramm die Änderung des Gütefaktors mit der Zwischenlagendicke bei einer erfindungsgemäßen Verbundpanzerung;

Fig. 2 eine Verbundpanzerung im Querschnitt; und

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt der Verbundpanze­ rung nach Auftreffen eines stumpfen Hochgeschwin­ digkeits-Splittersimulationsgeschosses.

Die in Fig. 2 gezeigte Panzerplatte wird wie folgt herge­ stellt:

• a) Sechs erste Bleche 1 aus Aluminiumlegierung 7075 T6 (Dicke 1,02 mm) und zwei zweite Bleche 2 der duktileren Aluminiumlegierung 5083 (Dicke 1,0 mm) werden entfettet und bei Raumtemperatur für 1 h in einem Natriumcarbonatbad (Na₂CO₃ 80 g/l in entsalztem Wasser) vorbehandelt;
• b) die Bleche 1 und 2 werden für 10 min mit Leitungswas­ ser abgespült;
• c) die Bleche 1 und 2 werden für 4 h in eine mit Kupfer­ ionen konditionierte Ätzlösung, H₂SO₄ (Sg 1,84, 150 ml/l), Na₂Cr₂O₇.2H₂O (75 g/l), CuSO₄.5H₂O (4 g/l), mit entsalztem Wasser auf 1 l aufgefüllt, getaucht;
• d) dann mit Leitungswasser abgespült;
• e) dann mit Warmluft getrocknet;
• f) das Verkleben erfolgt innerhalb von 6 h nach den Vor­ behandlungsschritten (a)-(e);
• g) Stücke eines in Leinwandbindung gewebten Kevlar(Wz)- Gewebes 4, die vorher entschlichtet wurden, werden auf die gewünschte Größe zugeschnitten;
• h) gleiche Mengen von Klebstoff werden auf die Verbin­ dungsflächen jedes Blechs gestrichen (hochschlagfestes, zwei Teile Epoxid enthaltendes Hysol-Dexter(Wz) 9309.3(NA));
• i) eine Einzellage des Kevlargewebes wird zwischen und auf die beiden zweiten Bleche 2 aus Aluminiumlegierung 5083 gelegt;
• j) die ersten Bleche 1 werden dann zusammengefügt, wie Fig. 2 zeigt. Sämtliche Verbindungen sind mit dickenregeln­ den Abstandshaltern 5 versehen.

Die Dicke t₁ (0,51 mm) jeder Zwischenlage 8 zwischen den ersten Blechen 1 beträgt 50% der Dicke t₂ der zweiten Ble­ che.

Die Dicke t₃ der Klebstofflage, die die zweiten Bleche von­ einander und vom Rest der Panzerung trennt, beträgt 0,5 mm, diese Dicke genügt für die vorher beschriebene Faserbele­ gung.

• a) Die Panzerplatte wird dann in einer Presse mit einem Druck von 21092 kg/m² (30 psi) gepreßt und für eine Stunde bei 60°C gehalten, um die Fließfähigkeit des Klebstoffs zu fördern und das Gewebe gründlich zu tränken.

Eine Anzahl von verschiedenen Panzerplatten, die grundsätz­ lich in der oben beschriebenen Weise aufgebaut waren und jeweils verschiedene Zwischenlagendicken t₁ hatten, wurde zum Erhalt des Gütefaktors der Panzerung geprüft, indem Hochgeschwindigkeits-Splitter 13 jeweils mit verschiedenen Geschwindigkeiten zum Auftreffen gebracht wurden. Die Er­ gebnisse sind in Fig. 1 gezeigt; dieses Diagramm zeigt die Änderung des Gütefaktors MR (MR - m³/kg s) gegenüber dem Verhältnis von t₁/t₂ (Zwischenlagendicke dividiert durch Dicke des ersten Blechs). Der Gütefaktor ist im Bereich von t₁/t₂ = 0,5 optimiert und im Bereich von 0,4-0,9 nicht signifikant reduziert. Der Gütefaktor fällt ab, wenn das Verhältnis t₁/t₂ unter 0,4 reduziert ist und man sich einer Situation nähert, in der die Zwischenlagen ungenügende Dic­ ke haben, um eine im wesentlichen unabhängige Verformung von ersten Blechen 1 zu erlauben, und infolgedessen tritt ein Ausfall durch Pfropfenbildung mit geringer Energie in Dickenrichtung auf. Wenn eine Panzerung mit dem optimalen Verhältnis von t₁/t₂ gerade noch einem vollständigen Aus­ fall standhalten konnte, trat der Schadensverlauf gemäß Fig. 3 auf. Die ersten Bleche 1 absorbieren eine große Energiemenge durch plastische Verformung bei 9. Dies ist möglich (a) durch die Dicke der Zwischenlagen 8 und (b) we­ gen des niedrigen Youngschen Elastizitätsmoduls der Zwi­ schenlagen 8 (3 GPa). Die zweiten Bleche 2 in Kombination mit dem Aramidgewebe 4 verhindern das Auftreten einer Scheibenbildung und absorbieren ebenfalls Energie aufgrund von plastischer Verformung und Reibung zwischen den Fa­ densträngen.

Durch die Vermeidung einer Pfropfenbildung durch die Dicke der Panzerung tritt eine stärkere Auflösung der Panzerplat­ te durch die Bildung von Rissen 10 auf. Dies hat den vor­ teilhaften Effekt einer Vergrößerung der Panzerungsfläche, die zur Absorption der Energie eines Geschosses wirksam ist.

Die resultierenden Gütefaktoren sind gegenüber dem Gütefak­ tor einer monolithischen Aluminiumpanzerung vergleichbarer Flächendichte, deren Gütefaktor am Punkt A in Fig. 1 ge­ zeigt ist, sämtlich besser.

Damit die Panzerplatte ein einsatzfähiges selbständiges ausgeglichenes Konstruktionselement bildet, sind der erste Teil 11 der Panzerung und der zweite Teil 12 so ausgelegt, daß sie in gleicher Weise auf einwirkende Belastungen an­ sprechen, wodurch die Verzugstendenz der Panzerung mini­ miert ist.

Claims (10)

1. Verbundpanzerung, bestehend aus

• 1. einem ersten an der einem Angriff ausgesetzten Seite der Panzerung liegenden Teil (11), der ein Laminat aus ersten Blechen (1) mit jeweils einer mittleren Dicke (t) und aus diese adhäsiv miteinander verbin­ denden Zwischenlagen (8) ist, wobei die Zwischenlagen eine Dicke zwischen 0,4 und 0,9 t und unter Kompres­ sion einen Youngschen E-Modul unter 4 GPa senkrecht zu den Lagen haben, und
• 2. einem zweiten Teil (12), der wenigstens ein zweites Blech (2) enthält, dessen Metall duktiler als das Me­ tall des ersten Blechs (1) ist.

2. Verbundpanzerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zwischenlagen (8) des ersten Teils (11) unter Kompression einen Youngschen Elastizitätsmodul unter 3,5 GPa senkrecht zu den Zwischenlagen (11) ha­ ben.

3. Verbundpanzerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zwischenlagen (8) des ersten Teils (11) aus faserfreiem Harz bestehen.

4. Verbundpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (11) vier bis zehn erste Bleche (1) enthält.

5. Verbundpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausfallformände­ rungspunkt der ersten Bleche (1) kleiner als 14% und derjenige von im zweiten Teil (12) der Panzerung ent­ haltenem Material größer als 14% ist.

6. Verbundpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (12) ein Laminat aus wenigstens zwei zweiten Blechen (2) um­ faßt, die duktiler als die ersten Bleche (1) sind.

7. Verbundpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (1, 2) je­ weils unabhängig aus Aluminium, Titan oder Magnesium oder deren Legierungen ausgewählt sind.

8. Verbundpanzerung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten Bleche (2) miteinander und mit dem ersten Teil (11) der Panzerung durch Kleb­ stoff verbunden sind, von dem wenigstens ein Teil Ver­ stärkungsfasern (4) enthält.

9. Verbundpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (11) wenigstens 75 Vol.-% der Panzerung einnimmt.

10. Verbundpanzerung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (11) und der zweite Teil (12) im wesentlichen die gleichen struktu­ rellen Zugaufnahmefähigkeits-Eigenschaften haben.