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Die
Erfindung betrifft allgemein Panzerungen, insbesondere Panzerungen
gegen hochdynamische Impulsbelastungen auf Basis von Glaskeramik-Materialien.
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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.
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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
(Al
2O
3), Siliziumcarbid
(SiC), Borcarbid (B
4C) und Titanborid (TiB
2) enthält. Diese Materialien sind zwar
relativ leicht, allerdings aufgrund der aufwändigen Herstellung
auch sehr teuer. Eine Panzerweste mit Laminataufbau aus Keramikplatten,
vorzugsweise aus Borcarbid und glasfaserverstärktem Kunststoff
wird beispielsweise in der
US
3,559,210 A beschrieben.
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Panzerungen
aus keramischem Komposit-Material sind außerdem aus der
US 5,763,813 A bekannt.
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Bei
den vielfach verwendeten keramischen Materialien für antiballistische
Panzerungen, beziehungsweise Panzerungen gegen hochdynamische Impulsbelastungen
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.
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Die
EP 0 390 773 B1 beschreibt
verschiedene Glaskeramik-Materialien für Panzerungen, die eine
gegenüber Aluminiumoxid-Keramiken geringere Dichte bei
verbesserter Beschußfestigkeit haben sollen. Durch die
Temperaturführung bei der Keramisierung soll zur Erhöhung
der Festigkeit das Material auf eine hohe Schallgeschwindigkeit
optimiert werden. Auch in der
GB 2 284 655 A wird ein glaskeramisches Panzermaterial
offenbart. Zur Erhöhung der Festigkeit wird eine sehr hohe
Keimdichte bei der Keramisierung angestrebt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Panzerung gegen hochdynamische
Impulsbelastungen, beispielsweise gegen Beschuss bereitzustellen,
welche leichtgewichtig ist und ein gegenüber bekannten
keramischen Materialien verbessertes, dichteres, besonders auf hochdynamische Impulsbelastungen
optimiertes 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.
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Die
Erfindung sieht demgemäß eine vorzugsweise plattenförmige
Panzerung oder Bewehrung gegen hochdynamische Impulsbelastungen
vor, welche ein Glaskeramik-Material umfasst, das eine zumindest
bimodale Kristallitgrössenverteilung mit wenigstens zwei
Fraktionen von Kristalliten aufweist, wobei der bimodalen Kristallitverteilung
eine Häufigkeitsverteilung der linearen Maximalabmessung
der enthaltenen Kristallite zugrundeliegt, die zumindest zwei Maxima
bei verschiedenen linearen Maximalabmessungen entsprechend den Fraktionen
der Kristallite aufweist. Die lineare Maximalabmessung ist dabei
im Sinne der Erfindung jeweils die längste Abmessung eines
Kristallits.
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Übliche
Glaskeramiken weisen im allgemeinen im Gegensatz zur Erfindung eine
kontinuierliche Größenverteilung ohne mehrere
Maxima, beziehungsweise ohne ein Minimum zwischen zwei auf der Größenskala
benachbarten Maximas auf.
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Es
zeigt sich, daß das erfindungsgemäße Gefüge
besonders wirkungsvoll gegen hochdynamische Belastungen, wie etwa
gegen Beschuß ist. Durch die erfindungsgemäße
Größenverteilung der Kristallite mit zwei Fraktionen
unterschiedlicher Korn-, beziehungsweise Kristallitgrössen
lassen sich insgesamt höhere Packungsdichten der Kristallite
erzielt, denn die kleinen Kristallite finden Platz in den Zwickeln
der Größeren. Dadurch ergibt sich der Effekt,
daß eine Rissumlenkung und/oder eine Teilung eines Risses
wahrscheinlicher wird und demgemäß häufiger
entlang des Pfades der durch einen Aufschlag verursachten Schockwelle
auftritt. Durch die so verursachte verbesserte Energiedissipation
kann die Rissfortpflanzung schneller im Material gestoppt werden.
Wenn die Elementarmechanismen der Rissumlenkung und -teilung pro
Volumeneinheit häufiger ablaufen, kann im mechanischen
Belastungs- und Schädigungsfall mehr Energie pro Volumen
dissipiert werden. Umgekehrt sind damit auch kleinere Volumina des
Glaskeramik-Panzermaterials notwendig, um gegebene Energien aufzuzehren.
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Die
Fraktionen können erfindungsgemäß sowohl
aus dem gleichen kristallinen Material sein, als auch aus unterschiedlichen
Kristallarten – chemisch und/oder strukturell – aufgebaut
sein.
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Bevorzugt
liegt ein erstes Maximum der Häufigkeitsverteilung bei
einer ersten linearen Maximalabmessung und ein weiteres, zum ersten
Maximum direkt benachbartes Maximum, also das Maximum der nächst
größeren Fraktion, bei einer zweiten linearen
Maximalabmessung, die um zumindest einen Faktor 1,75 größer
ist als das erste Maximum. Insbesondere kann dabei das Maximum der
linearen Maximalabmessung der zweiten Fraktion 4 bis 200 mal größer
als das Maximum der linearen Maximalabmessung einer ersten Fraktion
sein.
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Ein
besonders festes Gefüge wird weiterhin erreicht, wenn die
Fraktion mit den kleinsten Kristalliten ein Maximum in der Häufigkeitsverteilung
der linearen Maximalabmessung im Bereich von 0,5 bis 5 Nanometern
aufweist. Die außerordentlich kleinen Kristallite können
damit sehr gut vorhandene Zwickel zwischen den größeren
Kristalliten der zumindest einen weiteren Fraktion ausfüllen.
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Weiterhin
ist es günstig, wenn eine Fraktion von Kristalliten, insbesondere
die Fraktion mit den zweitkleinsten Kristalliten, im Falle einer
bimodalen Verteilung also die Fraktion mit den größeren
Kristalliten ein Maximum in der Häufigkeitsverteilung der
linearen Maximalabmessung im Bereich von 20 bis 150 Nanometern,
vorzugsweise bis 100 Nanometern aufweist.
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Eine
weitere Festigkeitssteigerung wird durch größere
Kristallite erzielt, die gegenüber einer Fraktion kleinerer
Kristallite eine gestrecktere Form aufweisen. Die größeren
Kristallite können dabei sowohl nadelförmig, beziehungsweise
länglich, als auch abgeflacht sein. Da auch die kleinen
Kristallite im allgemeinen keine ganz runde Form aufweisen, kann
mit anderen Worten diese Weiterbildung der Erfindung dahingehend
charakterisiert werden, daß eine zweite Fraktion mit größeren
Kristalliten gegenüber einer ersten Fraktion mit kleineren
Kristalliten nadelförmigere und/oder abgeflachtere Kristallite aufweist.
Allgemein können die Kristallite einer zweiten Fraktion
größerer Kristallite insbesondere ein im Mittel
grösseres Aspektverhältnis aufweisen als die Kristallite
einer ersten Fraktion mit Kristalliten kleinerer Abmessungen. Durch
die nadel- oder scheibenförmigen größeren
Kristallite wird eine Verzahnung des Glaskeramik-Gefüges
auf mikroskopischer Ebene erzielt.
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Vorzugsweise
können die Kristallite einer Fraktion mit gegenüber
einer weiteren Fraktion im Mittel kleineren Kristalliten ein Maximum
in der Häufigkeitsverteilung des Aspektverhältnisses
aufweisen, welches im Bereich von 1:1 bis 3:1, vorzugsweise im Bereich
von 1:1 bis 2:1 liegt.
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Für
die Widerstandsfähigkeit gegenüber hochdynamischen
Impulsbelastungen ist es weiterhin günstig, wenn die Kristallite
einer Fraktion größerer Kristallite ein Maximum
in der Häufigkeitsverteilung des Aspektverhältnisses
aufweisen, welches im Bereich von 1,5:1 bis 20:1 liegt. Insbesondere
ist es dabei von Vorteil, wenn dieses Maximum bei einem größeren
Aspektverhältnis als das Maximum der Häufigkeitsverteilung
des Aspektverhältnisses einer weiteren Fraktion kleinerer
Kristallite, besonders bevorzugt bei einem Aspektverhältnis
größer als 3:1 liegt.
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Außer
einer bimodalen Kristallitgrössen-Verteilung kann das erfindungsgemäße
Glaskeramik-Material auch eine trimodale oder multimodale Kristallitverteilung
mit drei und mehr Fraktionen von unterschiedlich großen
Kristalliten aufweisen. Auch in diesem Fall können zwei
oder mehr der vorhandenen Fraktionen sowohl aus dem gleichen Material, als
auch hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und/oder Struktur unterschiedliche
Materialien enthalten.
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Im
Falle einer trimodalen Kristallitgrössenverteilung ist
es bevorzugt, wenn die erste Fraktion der trimodalen Kristallitverteilung
ein Maximum der Häufigkeitsverteilung der linearen Maximalabmessung
im Bereich von 0,5 bis 5 Nanometern und/oder die zweite Fraktion
der trimodalen Kristallitverteilung ein Maximum der Häufigkeitsverteilung
der linearen Maximalabmessung im Bereich von 10 bis 50 Nanometern
und/oder die dritte Fraktion der trimodalen Kristallitverteilung
ein Maximum der Häufigkeitsverteilung der linearen Maximalabmessung
im Bereich von 100 bis 1000 Nanometern aufweist. Insbesondere ist
es günstig, wenn zumindest eine der folgenden Bedingungen
erfüllt ist:
- – die Kristallite
der dritten Fraktion sind 2 bis 100 mal größer
als die Kristallite der zweiten Fraktion, und/oder
- – die Kristallite der dritten Fraktion sind 20 bis 2000
mal größer als die Kristallite der ersten Fraktion.
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Noch
weiter festigkeitssteigernd kann eine anisotrope Ausrichtung der
Kristallite, hier insbesondere der Kristallite einer Fraktion größerer
Kristallite wirken. So ist in Weiterbildung der Erfindung eine Panzerung
vorgesehen, bei welcher die Kristallite des Glaskeramik-Materials
zumindest einer der Fraktionen, vorzugsweise nicht der Fraktion
mit den kleinsten Abmessungen der Kristallite, bei einer tri- oder
multimodalen Kristallitgrössenverteilung besonders bevorzugt
die Fraktion mit den grössten Kristalliten, ein Aspektverhältnis
von im Mittel größer als 1:1, vorzugsweise zumindest
2:1 aufweisen, und anisotrop entlang der Glaskeramik ausgerichtet
sind. Günstig ist hier insbesondere eine anisotrope Ausrichtung
bezüglich Form der Kristallite, wie etwa der Außenabmessungen
oder der Längsachsen.
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Besonders
festigkeitssteigernd ist es dabei, wenn das Glaskeramik-Material
eine der Impulsbelastung exponierte Seite aufweist, vorzugsweise
plattenförmig ist, wobei die Winkelverteilung der Längsachsen
der Kristallite der Fraktion mit einem Aspektverhältnis
grösser als 1:1 ein Maximum aufweist, welches parallel
zur exponierten Seite oder einer Seite des plattenförmigen
Glaskeramik-Materials liegt. Bei im Mittel eher nadelförmigen
oder abgeflachten Kristalliten sind diese demgemäß im
Mittel mit ihrer längsten Seite eher parallel zur exponierten
Seite ausgerichtet. Als exponierte Seite wird hier die Seite des
Materials verstanden, auf welche die hochdynamische Impulsbelastung,
wie etwa durch Beschuß einwirkt. Wird beispielsweise ein
plattenförmiges Glaskeramik-Material in einer schußsicheren
Weste verwendet, so stellt die exponierte Seite die nach außen,
vom Körper weg weisende Seite des Materials dar. Eine solche
Vorzugsorientierung kann beispielsweise durch Walzen des Grünglases
vor der Keramisierung erhalten werden. Die Ausrichtung der Kristallite
parallel zur Oberfläche bewirkt, daß die sich
aufbauenden Kräfte schnell in Richtung parallel zur Oberfläche
umgelenkt und so über einen größeren Bereich
verteilt werden.
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Weiterhin
wird ein hoher Volumenanteil von Kristalliten in der Glaskeramik,
beziehungsweise ein geringer Volumenanteil der Restglas-Phase angestrebt.
Gerade durch die Kristallite werden für die Geschoßzerstörung
und Energiedissipation wesentliche Elementarmechanismen, wie Rißumlenkung
und Rißverzweigung bewirkt. So ist in vorteilhafter Weiterbildung
der Erfindung ein Glaskeramik-Material vorgesehen, welches einen
Anteil von Kristalliten im Bereich von 50 bis 99 Volumenprozent,
vorzugsweise zumindest 80 Volumenprozent aufweist.
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Für
ein dichtes und fest verzahntes Gefüge ist es außerdem
besonders von Vorteil, wenn der Volumenanteil der Kristallite der
kleinsten Fraktion kleiner als der Volumenanteil zumindest einen
weiteren Fraktion größerer Kristallite ist. Dabei
ist es im Speziellen besonders günstig, wenn der Volumenanteil
der Kristallite der kleinsten Fraktion höchstens 25% des Volumenanteils
der zumindest einen weiteren Fraktion größerer
Kristallite beträgt. Dies bedeutet jedoch nicht, daß die
kleinen oder kleinsten Kristallite bezogen auf die Gesamtzahl der
Kristallite ebenfalls einen geringeren Anteil haben müssen.
Im Gegenteil ist es bezogen auf die Häufigkeit der Kristallite
der einzelnen Fraktionen vielmehr günstig, wenn alternativ oder
insbesondere die Fraktion der kleinsten Kristallite den größten
Anteil an der Gesamtzahl der Kristallite pro Volumeneinheit aufweist.
Vorzugsweise weist die Fraktion der kleinen oder kleinsten Kristallite
sogar einen Anteil von zumindest 75% an der Gesamtzahl der Kristallite
pro Volumeneinheit auf. Eine besonders beschussfeste erfindungsgemäße
Glaskeramik kann daher auch so charakterisiert werden, daß einer
großen Anzahl sehr kleiner Kristallite eine geringere Anzahl
deutlich größerer Kristallite gegenübersteht,
die den überwiegenden Teil des Volumens, zumindest des
kristallisierten Volumens ausmachen.
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Ein
besonders bevorzugtes Material für die Panzerung ist Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik (LAS-Glaskeramik).
Mit dieser Glaskeramik können in einfacher Weise zumindest
bimodale Kristallitverteilungen durch eine geeignete Temperaturführung bei
der Keramisierung erzeugt werden. Insbesondere sind Zusammensetzungen
mit den folgenden Bestandteilen geeignet:
SiO2:
50–75 Gewichtsprozent,
Al2O3: 17–30 Gewichtsprozent,
Li2O: 1–8 Gewichtsprozent,
B2O3: 0–5
Gewichtsprozent,
P2O5:
3–15 Gewichtsprozent.
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Weiterhin
können in LAS-Glaskeramiken durch geeignete Temperaturführung
Kristalle mit Keatit-Struktur erzeugt werden. Diese liegen dann
im allgemeinen als Keatit-Mischkristalle vor. Auch bei anderen Glaskeramik-Materialien
ist die Bildung von Keatit möglich. Dieser Kristalltyp
ist unter anderem deshalb sehr vorteilhaft, da sich gezeigt hat,
daß sich gerade Keatit-Kristalle in einer Glaskeramik mit
gut begrenzten Kornbändern, beziehungsweise mit definierter
Größe erzeugen lassen. Demgemäß können Keatit-haltige
Glaskeramiken besonders einfach mit einer zumindest bimodalen Kristallitverteilung
hergestellt werden. Vorzugsweise werden dabei Glaskeramiken mit
hohem Keatit-Anteil, insbesondere mit einem Volumenanteil von zumindest
70, vorzugsweise zumindest 80 Prozent eingesetzt. Keatit-haltige
Glaskeramiken werden ansonsten gegenüber solchen, die überwiegend
Hochquarz-Mischkristalle enthalten, seltener eingesetzt, da Keatit-Mischkristalle
einen etwas höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen,
so daß die Thermoschockbeständigkeit geringer
ist und daher bei Temperaturwechseln leichter reißt. Für
die Zwecke der Erfindung ist eine solche Glaskeramik jedoch gerade
besonders gut geeignet. Ein Reißen der Glaskeramik ist
ohnehin kaum zu vermeiden und wird hier sogar gerade gewünscht,
um eine Energiedissipation bei Einwirkung einer hochdynamischen
Impulsbelastung zu erreichen.
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Die
Panzerung umfasst weiterhin außer dem Glaskeramik-Material
vorzugsweise noch zumindest ein weiteres, vorzugsweise schockabsorbierendes Element,
wie etwa ein weiteres Verbundelement. Das weitere Element wirkt
insbesondere auf andere Weise schützend. Während
die Glaskeramik insbesondere geschosszerstörend wirkt,
kann das weitere Element dazu dienen, die Geschossenergie zu absorbieren
und/oder die Ausbreitung von Splittern des Geschosses und/oder des
Glaskeramik-Materials zu verhindern. Geeignete Materialien sind
beispielsweise hochfeste Gewebe, wie Aramidfaser- und/oder Polyethylen-Gewebe,
oder eine Kunststoffplatte, vorzugsweise eine Polycarbonat-Platte
oder Polyethylen-Platte. In Bezug auf Polyethylen ist insbesondere an
ultrahochdichtes Polyethylen gedacht.
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Die
Panzerung kann in Weiterbildung der Erfindung auch ein Komposit-Material
mit zumindest zwei Phasen umfassen, wobei die erste Phase eine Matrix
für die zweite Phase bildet, und wobei die erste Phase
eine erfindungsgemäße Glaskeramik mit zumindest
bimodaler Kristallitverteilung 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 glaskeramikbildendem Material vermischt
und das Gemisch erhitzt wird, so daß sich aus dem 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. Ist nach der Formung eine Glasphase
vorhanden, kann diese dann durch Temperaturbehandlung in eine erfindungsgemäße
Gaskeramik überführt werden.
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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 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 Glaskeramik-Materialien die Dichte des Materials
dennoch auf unter 3,5 g/cm3, auch bei Komposit-Materialien,
dabei auch selbst bei Verwendung von Stahlpartikeln oder Stahlfasern
in der 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.
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Durch
das dichtere Gefüge wird insbesondere eine bessere Verbindung
der beiden Phasen, beziehungsweise der Fasern/Partikel mit der Glaskeramik-Matrix
erreicht. Damit wird eine hohe Bruchzähigkeit gegen hochdynamische
mechanische Beanspruchungen, wie sie beim Auftreffen eines Geschosses
auftritt, erreicht. Gemeinsames Merkmal der nachfolgend beschriebenen
Weiterbildungen der Erfindung, bei welcher eine erfindungsgemäße
Glaskeramik als Matrix eines Komposit-Materials eingesetzt wird,
ist unter anderem, daß das Panzermaterial aus seinen Einzelbestandteilen
additiv aufgebaut wird.
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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 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.
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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.
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Als
weitere Phase des Komposits, die mit dem 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.
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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 Glaskeramik-Matrix mit geringem linearen
Temperaturausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise kleiner 10·10–6/K günstig.
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Durch
geeignete Einstellung der Mehrphasigkeit wird zusätzlich
zu den besondere Eigenschaften der Glaskeramik mit zumindest bimodaler
Kristallitverteilung eine noch weiter erhöhte Bruchzähigkeit und
damit letztlich Beschußfestigkeit, beziehungsweise ein
erhöhter Widerstand gegen hochdynamische mechanische Beanspruchungen
erzielt. Werden Metallpartikel und/oder Metallfasern eingebettet, wird
dies erreicht durch die Abwechslung von duktilen und spröden
Komponenten. Bei faserverstärkten erfindungsgemäßen
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Unter
anderem sind MAS-Glaskeramiken (Magnesium-Aluminium-Silikat-Glaskeramiken)
geeignet. Für die Glaskeramikmatrix geeignete Stoffsysteme
sind außer den vorgenannten MgO- Al2O3-SiO2-Glaskeramiken
(MAS-Glaskeramiken) auch CaO-Al2O3-SiO2-Glaskeramiken,
oder MgO-CaO-BaO-Al2O3-SiO2-Glaskeramiken.
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Eine
weitere, für die Erfindung besonders geeignete Glaskeramik-Klasse
stellen Mg-Zn-Al-haltige Glaskeramiken dar, die eine Spinellphase,
vorzugsweise (Mg, Zn)Al2O4-basierte
Spinelle oder darüber hinaus eine Sapphirinphase, vorzugsweise
(Mg, Zn)7...8Al18...20Si3...4O40...46 enthalten.
Diese Kristallite zeichnen sich durch einen hohen Elastizitätsmodul aus.
Diese Glaskeramiken erweisen sich aufgrund der Kristallite mit Spinell-
bzw. Sapphirinstruktur überraschend in Verbindung mit den
eingelagerten Partikeln und/oder Fasern als besonders stabil gegenüber
hochdynamischen Impulsbelastungen.
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Glaskeramiken,
wie beispielsweise Cordierit-Glaskeramiken, die Cordierit-Kristalle
im Zusammensetzungsbereich Mg1...2Al2...5Si3...5O10...18 enthalten, und 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.
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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.
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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 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.
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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.
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Ein
bevorzugter Volumenanteil der zweiten Phase, also der Volumenanteil
der in der Glaskeramik-Matrix eingelagerten Fasern und/oder Partikel liegt
im Bereich von 10 bis 70 Volumen-Prozent.
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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.
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Weiterhin
können auch mehrere unterschiedliche erfindungsgemäße
Komposit-Materialien mit einer 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.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens durch
Schmelzsintern eines Gemisches mit einem glaskeramikbildenden Material
und Fasern und/oder Partikeln lassen sich nahezu beliebige Formen
des Komposit-Materials herstellen.
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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 die Glaskeramik-Matrix
mit zumindest bimodaler Kristallitverteilung 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.
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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.
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Es
zeigen:
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1 eine
Glaskeramik-Platte mit einer Glaskeramik, deren Kristallite eine
zumindest bimodale Größenverteilung aufweisen,
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2 eine
bimodale Kristallitgrössenverteilung, bezogen auf die Häufigkeit
pro Volumeneinheit,
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3 die
bimodale Kristallitgrössenverteilung aus 2,
bezogen auf den Volumenanteil,
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4 die
Winkelverteilung der Längsachsen einer Fraktion von Kristalliten
der Glaskeramik,
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5 ein
Beispiel einer Panzerung mit einer Glaskeramik mit trimodaler Kristallitgrössenverteilung,
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6 eine
trimodale Kristallitgrössenverteilung,
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7 bis 9 Herstellungsschritte
für ein Komposit-Material einer Panzerung, welches ein
erfindungsgemäßes Glaskeramik-Material als Matrix für
eingelagerte Partikeln und/oder Fasern umfasst,
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10 eine
Panzerung mit variierender Verteilung des Kompositmaterials,
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11 eine
mit einem Gewebe verstärktes Kompositmaterial,
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12 ein
Verbund mit zwei Kompositmaterialien,
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13 ein
Beispiel einer Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen
in Form einer kugelsicheren Weste.
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch eine Glaskeramik-Platte 2 mit
Seiten 21, 22 als Bestandteil einer erfindungsgemäßen
Panzerung 1. Eine der Seiten 21, 22 bildet
je nach Einbau oder Verwendung dabei die der hochdynamischen Impulsbelastung
exponierte Seite.
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Wie
bei üblichen Glaskeramiken umfasst auch das Glaskeramik-Material
der erfindungsgemäßen Platte 2 eine Restglasphase 3,
in welche Kristallite eingebettet sind. Bei der erfindungsgemäßen Glaskeramik-Platte 2,
wie sie 1 zeigt, weisen die in der Restglasphase 3 eingebetteten
Kristallite eine bimodale Kristallitgrössenverteilung mit
zwei Fraktionen unterschiedlich grosser Kristallite auf. Die Kristallite 5 der
ersten Fraktion sind dabei deutlich kleiner als die Kristallite 7 der
zweiten Fraktion. Dies gilt sowohl für das Volumen, als
auch insbesondere für die jeweiligen linearem Maximalabmessungen
der Kristallite 5, 7. Auf diese Weise können
die Kristallite 5 der ersten Fraktion Zwickel zwischen
den Kristallite 7 der zweiten Fraktion ausfüllen
und die Kristallite 7 miteinander verkitten. Damit wird
ein sehr dichtes Gefüge geschaffen. Die Kristallite 5, 7 machen
zusammen 50 bis 99 Volumenprozent, vorzugsweise zumindest 80 Volumenprozent
des Gesamtvolumens der Glaskeramik aus.
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Durch
die größeren Kristallite 7 werden außerdem
die bei einer hochdynamischen Impulsbelastung, wie etwa durch Auftreffen
eines Geschosses auf eine der Seiten 21, 22 auftreffenden
Kräfte schnell verteilt. Entstehende Risse werden an den größeren
Kristalliten schnell umgelenkt und aufgespalten, wobei diese beiden
Prozesse zudem stark energieaufzehrend wirken.
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Die
Glaskeramik-Platte 2 ist vorzugsweise eine Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik.
Insbesondere kann diese Glaskeramik folgende Komponenten enthalten:
SiO2: 50–75 Gewichtsprozent,
Al2O3: 17–30
Gewichtsprozent,
Li2O: 1–8
Gewichtsprozent,
B2O3:
0–5 Gewichtsprozent,
P2O5: 3–15 Gewichtsprozent.
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Zusätzlich
sind weitere Bestandteile in geringerer Menge, unter anderem Keimbildner,
wie Zink- Zinn- und/oder Titanoxid vorhanden.
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Dabei
können die größeren Kristallite insbesondere überwiegend
oder vollständig Keatit-Mischkristalle sein. Keatit-Mischkristalle
können erzeugt werden, indem das Grünglas bei
einer hohen Temperatur keramisiert wird. Geeignet sind dazu insbesondere
Temperaturen über 900°C. Mittels der Auskristallisierung
von Keatit-Mischkristallen ist eine gut definierte Begrenzung der
Kristallitgrössenverteilung der Fraktionen möglich.
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Wie
außerdem anhand von 1 zu erkennen
ist, sind die Kristallite 7 der größeren
Fraktion überwiegend länglich, beziehungsweise
nadelförmig und/oder abgeflacht, beziehungsweise scheibenförmig.
Mit anderen Worten weisen die Kristallite 7 im Mittel ein
Aspektverhältnis größer als 1:1, insbesondere
größer 2:1 auf. Dabei sind die größeren
Kristallite 7 außerdem anisotrop bezüglich
ihrer Außenabmessungen oder Längsachsen entlang
der Glaskeramik-Platte 2 ausgerichtet. Im Speziellen sind
die Kristallite 7 im Mittel mit ihrer längsten
Seite eher parallel zu den Seiten 21, 22 ausgerichtet,
so daß die Winkelverteilung der Kristallite 7 ein
Maximum in Richtung parallel zu den Seiten 21, 22 der
Glaskeramik-Platte 2 aufweist. Die Kristallite 5 sind
demgegenüber eher körnerförmig oder runder
und weisen daher ein Aspektverhältnis nahe 1:1 auf. Vorzugsweise
ist das Aspektverhältnis dieser Kristalle im Mittel nicht
größer als 2:1. Die rundere Form dieser Kristallite,
beziehungsweise deren kleineres Aspektverhältnis erlaubt so
eine gute Ausfüllung der Zwischenräume zwischen
den größeren Kristalliten 7.
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Die
Panzerung 1 kann außer dem Glaskeramik-Material
der Platte 2 auch noch weitere Elemente oder Verbundpartner
aufweisen. 1 zeigt dazu ein weiteres Panzerungselement 10,
welches beispielhaft auf der Seite 22 der Glaskeramik-Platte 2 angeordnet
ist. Dieses weitere Panzerelement kann insbesondere ein weicheres
Material sein, welches durch Deformation Energie aus der hochdynamischen
Impulsbelastung aufnehmen kann. Beispielsweise kann das Panzerelement 10 ein
hochfestes Gewebe, wie etwa ein Aramidfaser- oder UHDPE-GEwebe umfassen.
In einen solchen Fall kann die Glaskeramik-Platte 2 auch
in Taschen eines solchen Gewebes eingesetzt sein. Ist die Glaskeramik transparent,
können auch transparente Verglasungen geschaffen werden.
In diesem Fall eignet sich als weiteres Panzerelement beispielsweise
eine transparente Kunststoffplatte. Gedacht ist hier unter anderem
an hoch transparentes Polycarbonat oder auch Polyethylen.
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Glaskeramikplatten
mit erfindungsgemäßer bimodaler Kristallitverteilung
können beispielsweise durch Walzen, im Falle einer Glaskeramik
durch Walzen einer Grünglasscheibe, die anschließend
keramisiert wird, hergestellt werden. Damit werden scheibenförmige
Körper mit ebenen Flächen erhalten, wie sie in 1 beispielhaft
dargestellt sind. Die Glaskeramik kann aber auch, anders als in 1,
dreidimensional ausgeformt sein. Unter anderem ist dabei allgemein
nicht nur an ebene, sondern auch an gewölbte Glaskeramik-Platten
gedacht. Solche Platten können ebenfalls durch Walzen und
eine anschließende Heißverformung vor oder während
der Keramisierung hergestellt werden.
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Die
Kristallitgrössenverteilung der Glaskeramik wird nachfolgend
genauer anhand der 2 und 3 erläutert. 2 zeigt
die Häufigkeitsverteilung der linearen Maximalabmessungen
der Kristallite pro Volumeneinheit als Funktion der linearen Maximalabmessung.
Wie anhand des Graphen der 2 zu erkennen
ist, weist die Häufigkeitsverteilung zwei Peaks 50, 70 auf.
Der Peak 50 kann dabei der Fraktion der Kristallite 5 und
der Peak 70 der Fraktion der Kristallite 7 zugeordnet
werden. Das Maximum 51 des Peaks 50 liegt bei
einer linearen Maximalabmessung der Kristallite 5 kleiner
5 Nanometern. Die Kristallite 7 sind wesentlich größer.
Das Maximum der Häufigkeitsverteilung der linearen Maximalabmessung
dieser Kristallite liegt bei dem in 2 gezeigten
Beispiel bei etwa 75 Nanometern.
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Zudem
ist der Peak 50 wesentlich größer als der
Peak 70. Demzufolge sind die kleinen Kristallite 5 wesentlich
häufiger pro Volumeneinheit vorhanden. Allerdings ist umgekehrt
deren Volumenanteil am Gesamtvolumen der Kristallite geringer. Dies
verdeutlicht der in 3. dargestellte Graph. In 3 ist der
Anteil der Kristallite am Gesamtvolumen als Funktion der linearen
Maximalabmessung dargestellt. In dieser Darstellung ist nun der
Peak 50 wesentlich kleiner als der Peak 70. Dies
bedeutet, daß die größeren Kristallite 7 einen
deutlich höheren Anteil am kristallisierten Gesamtvolumen
haben. Das Gefüge mit bimodaler Kristallitgrössenverteilung kann
daher so charakterisiert werden, daß die Fraktion der Kristallite 7 wenige,
aber sehr große Kristallite enthält, welche das überwiegende
Volumen der Kristallite insgesamt bilden.
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Die
anisotrope Ausrichtung der Kristallite 7 wird nochmals
anhand des in 4 gezeigten Diagramms verdeutlicht. 4 zeigt
die Winkelverteilung der Längsachsen der Kristallite 7.
Bei einem Winkel von 0° liegt die Längsachse eines
Kristallits parallel zu einer der Seiten 21, 22 der
Glaskeramik-Platte 2. Bei der in 4 schematisch
dargestellten Winkelverteilung liegen die Kristallite 7 mit
ihren Längsachsen etwa doppelt so häufig parallel
zu den Seiten 21, 22, wie senkrecht dazu.
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Dadurch,
daß eine der Seiten 21, 22 der in 1 gezeigten
Glaskeramik-Platte 2 eine der potentiellen hochdynamischen
Impulsbelastung, beispielsweise einem Beschuß exponierte
Seite der Panzerung 1 bildet, liegen die Kristallite 7 mit
einer höheren Wahrscheinlichkeit mit ihrer Längsachse senkrecht
zu einem auf die Seite 21 oder 22 ausgeübten
Impuls. Durch diese Ausrichtung werden die Kräfte schneller
seitlich entlang der Seiten 21, 22 abgeleitet
und über ein größeres Volumen verteilt.
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5 zeigt
ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen
Panzerung 1 mit einer Glaskeramik-Platte 2. Bei
diesem Beispiel weisen die Kristallite der Glaskeramik eine trimodale
Kristallitgrössenverteilung auf. Zusätzlich zu
den beiden Fraktionen der Kristallite 5, 7, welche
auch das. in 1 dargestellte Beispiel aufweist,
sind weitere Kristallite 9 vorhanden, die wiederum deutlich
grösser als die Kristallite 7 sind. Bei dem in 5 gezeigten
Beispiel weisen auch die Kristallite 9, ebenso wie die
Kristallite 7 eine deutlich anisotrope Form auf.
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In 6 ist
die zugehörige Kristallitgrössenverteilung als
Funktion der linearen Maximalabmessungan dargestellt. Allgemein
wird die Glaskeramik im Falle einer trimodalen Kristallitgrössenverteilung bevorzugt
so hergestellt, daß jeweils ein Maximum in der Verteilung
im Bereich von 0,5 bis 5 Nanometern, im Bereich von 10 bis 50 Nanometern,
sowie im Bereich von 100 bis 1000 Nanometern der Maximalabmessung
der Kristallite vorhanden ist. Bei dem in 6 gezeigten
Beispiel sind drei Peaks 50, 70, 90 vorhanden,
wobei das Maximum 51 des Peaks 50 wie bei der
in 2 gezeigten Verteilung bei unter 5 Nanometern,
das Maximum 71 des Peaks 70 etwas oberhalb von
30 Nanometern und das Maximum 91 des Peaks 90 zwischen
100 und 110 Nanometern liegt. Allgemein wird bevorzugt, wenn die
Kristallite 9 der dritten Fraktion hinsichtlich ihres Volumens
2 bis 100 mal größer als die Kristallite 7 der
zweiten Fraktion und 20 bis 2000 mal größer als
die Kristallite 5 der ersten Fraktion sind.
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Die 7 bis 9 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 eine erfindungsgemäße Glaskeramik
mit zumindest bimodaler Kristallitgrössenverteilung 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 glaskeramikbildendem Material vermischt und
das Gemisch erhitzt wird, so daß sich aus dem glaskeramikbildendem
Material eine fließfähige Massebildet, welche
Zwischenräume zwischen den Fasern und/oder Partikeln ausfüllt,
so daß nach dem Keramisieren und Abkühlen die
Fasern und/oder Partikel in der erstarrten Glaskeramik-Phase mit
zumindest bimodaler Kristallitgrössenverteilung eingebettet
und darin verteilt sind.
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Zunächst
werden, wie in 7 gezeigt, die für
das Gemisch verwendeten Komponenten bereitgestellt. Bei dem gezeigten
Beispiel sind dies Glaspulver mit Glaspartikeln 30, Hartstoff-Partikel 31,
Metallpartikel 32 und Fasern 33. Als Glaspulver
kann ein pulverisiertes Grünglas für die Glaskeramik,
beispielsweise eine Cordierit-Glaskeramik oder eine Hochquarz-Mischkristall
oder Kristallite mit Spinellstruktur bildende Glaskeramik verwendet
werden. Besonders bevorzugt wird jedoch wiederum eine Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik
verwendet. Die Hartstoff-Partikel 8 und Fasern 33 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 32 in Form
von Spänen, vorzugsweise mit Abmessungen bis 1 cm Länge
vorliegen.
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Die
in 7 dargestellten Komponenten werden, wie in 8 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 Tg des Glases hinaus erwärmt, so
daß das Glas fließfähig wird und die
verbleibenden Lücken zwischen den Partikeln 31, 32 und
Fasern 33 ausfüllt. Die Erwärmung kann
dabei so durchgeführt werden, daß außerdem
eine Keramisierung des Glases auftritt. Alternativ kann die Keramisierung
auch in einem späteren zusätzlichen Erwärmungsschritt
erfolgen.
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Die
Beimischung der Metallpartikel 32 ermöglicht dabei
für die Aufheizung eine induktive Beheizung mittels einer
die Pressform umgebende Induktionsspule 19. Das elektromagnetische
Wechselfeld erwärmt die Metallpartikel 32 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.
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Das
resultierende plattenförmige Kompositmaterial 18 einer
Panzerung 1 ist in 9 dargestellt. Durch
das Fließen des Glases und dessen Keramisierung wird eine
Glaskeramikmatrix 20 erhalten, in welcher die Partikel 31, 32, 33 eingebettet
und verteilt sind, wobei die Kristallite der Glaskeramik wiederum eine
bi-, tri- oder multimodale Grössenverteilung aufweisen,
wie sie beispielhaft anhand der 2 bis 4 und 6 erläutert
wurde.
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Die
Glaskeramik-Matrix 20 mit zumindest bimodaler Kristallitgrössenverteilung
ist sehr hart, allerdings auch spröde. Die Härte
des Materials wird noch durch die eingelagerten Hartstoff-Partikel
lokal erhöht. Diese Partikel wirken zusätzlich
zerstörend auf ein auftreffendes Geschoss. Zusätzlich
wirken die Metallpartikel 32 aufgrund ihrer Duktilität
energieabsorbierend und verteilen die vom Geschoß auf das Material übertragenen
Kräfte. Die Fasern 33 schließlich erhöhen
die Bruchzähigkeit gegenüber den hochdynamischen
Schlagbelastungen beim Auftreffen des Geschosses.
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In 10 ist
eine Variante des in 9 gezeigten Beispiels dargestellt.
Bei dieser Variante sind die Partikel 31, 32 und
Fasern 33 nicht wie bei dem in 9 gezeigten
Beispiel homogen über das Volumen des plattenförmigen
Komposit-Materials der Panzerung 1 mit Seiten 21, 22 verteilt.
Vielmehr weisen die Fasern 33 und/oder Partikel 31, 32 in
Richtung senkrecht zu einer exponierten Seite der Panzerung 1 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 10 gezeigten Panzerung 1 beispielsweise
die Seite 21 sein. Wie anhand von 10 zu
erkennen ist, nimmt die Dichte der Partikel 31, 32 von
der Seite 21 zur Seite 22 hin ab, während
die Dichte der Fasern 33 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 31 in der harten Glaskeramik-Matrix 20 geschoßzerstörend,
während die duktilen Metallpartikel 32 durch Verformung
energieabsorbierend wirken.
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Zusätzlich
wird die entstehenden Stoßwelle aufgrund der unterschiedlichen
Dichte der Matrix 20 und der Partikel 31, 32 an
den Partikeln gestreut, so daß die Stoßwelle mit verminderter
Intensität auf der Rückseite 22 auftrifft.
Die Fasern 33, 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.
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In 11 ist
noch eine Weiterbildung dargestellt, bei welcher die Fasern 33 in
Gestalt eines Hartstoff-Fasergewebes 88 in die Matrix des
Komposit-Materials 18 eingebettet sind. Dazu kann die Pressform
zur Herstellung des Ausgangskörpers oder des Kompositmaterials
teilweise mit dem pulverisierten glaskeramikbildenden Material 30 gefüllt, das
Gewebe 88 eingelegt und dann die Pressform weiter mit glaskeramikbildenden
Material 30 gefüllt werden. Dem glaskeramikbildenden
Material 30 können wiederum Hartstoffpartikel 31 und/oder
Metallpartikel 32 beigemischt werden.
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12 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 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 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.
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In 13 ist
ein Beispiel einer Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen
mit dem erfindungsgemäßen Glaskeramikmaterial
mit zumindest bimodaler Kristallitgrössenverteilung in
Form einer kugelsicheren Weste 35 dargestellt.
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Das
Textilmaterial 37 der Weste 35 dient als Träger
für Platten 2 des Glaskeramikmaterials, die beispielsweise
zwischen zwei Textillagen eingenäht sein können.
Die nicht von außen sichtbaren, eingenähten Platten
des Glaskeramikmaterials sind in 13 als
gestrichelte Linien dargestellt. Als textiles Trägermaterial
kommt beispielsweise wieder Aramid-Gewebe oder uHDPE-Gewebe (ultrahochdichtes
Polyethylen) in Betracht.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4473653
A [0003]
- - US 3559210 A [0003]
- - US 5763813 A [0004]
- - EP 0390773 B1 [0006]
- - GB 2284655 A [0006]