DE102007025894B4

DE102007025894B4 - Glaskeramik-Panzermaterial

Info

Publication number: DE102007025894B4
Application number: DE200710025894
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Liebald; Wolfram Prof. Dr. Beier; Jochen Dr. Alkemper; Thilo Dr. Zachau
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2027-06-02
Also published as: DE102007025894A1

Abstract

Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen, umfassend ein Glaskeramik-Material, welches eine zumindest bimodale Kristallitgrössenverteilung mit wenigstens zwei Fraktionen von Kristalliten aufweist, wobei der bimodalen Kristallitverteilung eine Häufigkeitsverteilung der linearen Maximalabmessung der enthaltenen Kristallite zugrundeliegt, welche zumindest zwei Maxima bei verschiedenen linearen Maximalabmessungen entsprechend den Fraktionen der Kristallite aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Panzerungen, insbesondere Panzerungen gegen hochdynamische Impulsbelastungen auf Basis von Glaskeramik-Materialien.
Panzerungen sind im allgemeinen als Schichtverbund mit einem harten Material und einem Träger oder Backing aufgebaut. Als Träger kommen beispielsweise Aramidfaser-Gewebe, Stahlnetze oder auch Stahlplatten zum Einsatz. Solche Panzerungen dienen beispielsweise dem Personenschutz, etwa für eine kugelsichere Weste oder zum Schutz von Objekten, wie Fahrzeugen und Fluggeräten. In allen diesen Einsatzgebieten ist es wesentlich, daß die Panzerungen bei hoher Festigkeit nicht zu schwer werden.
Aus der US 4 473 653 A ist eine Panzerung mit einer Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik und deren Herstellung bekannt. Es ist weiterhin bekannt, Fluggeräte, wie etwa Hubschrauber durch Borcarbid-haltige Panzerungen zu schützen. Im allgemeinen wird dazu eine Keramik eingesetzt, die Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumcarbid (SiC), Borcarbid (B₄C) und Titanborid (TiB₂) enthält. Diese Materialien sind zwar relativ leicht, allerdings aufgrund der aufwändigen Herstellung auch sehr teuer. Eine Panzerweste mit Laminataufbau aus Keramikplatten, vorzugsweise aus Borcarbid und glasfaserverstärktem Kunststoff wird beispielsweise in der US 3 559 210 A beschrieben. Panzerungen aus keramischem Komposit-Material sind außerdem aus der US 5 763 813 A bekannt.
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.
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.
Die DE 10 2004 004 259 B3 beschreibt eine transparente polykristalline Sinterkeramik kubischer Kristallstruktur als Schutz oder Panzerung. Die besondere Härte des Materials wird durch die kubische Kristallstruktur in Verbindung mit einem feinkörnigen Gefüge erreicht. Die Härte des Materials ist höher als die eines transparenten Spinells mit bimodaler Korngrössenverteilung 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.
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.
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.
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.
Die Fraktionen können erfindungsgemäß sowohl aus dem gleichen kristallinen Material sein, als auch aus unterschiedlichen Kristallarten – chemisch und/oder strukturell – aufgebaut sein.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In jedem Fall kann aus dem Gemisch zunächst ein Vorkörper durch kaltisostatisches Pressen hergestellt und dieser anschließend durch Erwärmen, beispielsweise heißisotatisch oder unter uniaxialem Heißpressen, oder auch drucklos versintert werden. Beim kaltisostatischen Pressen werden in der Presse vorzugsweise Drücke von zumindest 500 Atmosphären, vorzugsweise zumindest 2000 Atmosphären auf das Gemisch ausgeübt, um bereits vor der Versinterung ein möglichst dichtes Gefüge zu erhalten.
Als weitere Phase des Komposits, die mit dem glaskeramikbildenden Material zur Herstellung der Panzerung vermischt werden, kommen insbesondere folgende Materialien in Betracht:
Carbonfasern, Hartstofffasern, wie Fasern aus SiC (Siliziumcarbid), Si₃N₄ (Siliziumnitrid), Al₂O₃ (Aluminiumoxid), ZrO₂ (Zirkoniumoxid), Bornitrid, und/oder Mullit als Hauptkomponenten, ggf. mit Zusätzen von Si, Ti, Zr, Al, O, C, N, z. B. Fasern des Sialon-Typs (Si, Al, O, N), Glasfasern, Metallfasern, wie insbesondere Stahlfasern, Metallpartikel, Hartstoffpartikel, wie insbesondere Partikel aus den vorgenannten Materialien von Hartstofffasern. Die vorgenannten Materialien können besonders vorteilhaft auch miteinander kombiniert werden.
Carbonfasern und Siliziumcarbid-Fasern oder -Partikel weisen vergleichsweise geringe Temperaturausdehnungskoeffizienten auf. Um innere Spannungen im Material zwischen den Fasern und/oder Partikeln und der umgebenden Matrix zu verringern, ist gerade bei solchen Materialien der zweiten Phase die Verwendung einer Glaskeramik-Matrix mit geringem linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise kleiner 10·10^–6/K günstig.
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.
Besonders geeignet als Partikel sind Metallspäne, vorzugsweise mit Abmessungen bis 1 cm Länge. Diese Metallspäne können durch Verformung große Mengen an Bewegungsenergie absorbieren. Bei Fasern als Bestandteil der zweiten Phase werden demgegenüber anstelle von Drähten kleinere Abmessungen bevorzugt. Insbesondere können Fasern mit Durchmessern kleiner 0,2 Millimetern eingesetzt werden. Die dünnen Fasern können so in größerer Anzahl beigemischt werden. Dies ist günstig, um eine Verteilung der Kräfte in eine große Zahl unterschiedlicher Richtungen zu bewirken.
Bei den Fasern kann es sich um Kurz-, Lang-, und Endlosfasern handeln. Die Fasern können geordnet oder ungeordnet eingebettet sein. Für geordnete Faseranordnungen mit nichtmetallischen Fasern, wie beispielsweise Gewebe, Gewirke oder Vliese aus nichtmetallischen Fasern gibt es wiederum verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise können "Crossply"-Gewebe (0°/90°-Gewebe) oder Gewebe mit Faserwinkeln von 0°/45°/90°/135° eingesetzt werden.
Glaskeramiken zeichnen sich allgemein durch hohe Basiswerte des Elastizitätsmoduls aus und sind daher sehr gut für eine Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen geeignet. Es zeigt sich allerdings, daß Glaskeramiken in kristallisierter Form im allgemeinen nur schwer oder gar nicht mehr versintert werden können, insbesondere wenn der erfindungsgemäße Schmelzsinterprozess eingesetzt wird, bei welchem das glaskeramikbildende Material zumindest zeitweise flüssig sein soll.
Dies läßt sich in Weiterbildung der Erfindung aber dadurch lösen, daß Pulver eines Ausgangsglases für Glaskeramik als glaskeramik-bildendes Material verwendet wird und eine Keramisierung des Ausgangsglases während der Erhitzung des Gemischs erfolgt. Dabei erfolgt demgemäß bei der Erhitzung des Gemischs zunächst eine Bildung des Ausgangsglases, welches auch als Grünglas bezeichnet wird. Dieses Grünglas kann dann in die Zwickel zwischen die Partikel und/oder Fasern der zweiten Phase fließen, bevor eine vollständige Keramisierung erfolgt. Vorzugsweise wird die Temperaturführung bei der Herstellung des Kompositmaterials so ausgestaltet, daß zumindest eine Teilkeramisierung des Grünglases während des Erhitzens des Gemisches, beispielsweise unter isostatischem oder uniaxialem Pressen stattfindet.
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.
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...8Al1_8...20Si_3...4O_40...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.
Glaskeramiken, wie beispielsweise Cordierit-Glaskeramiken, die Cordierit-Kristalle im Zusammensetzungsbereich Mg_1...2Al_2...4Si_3...5O_10...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.
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.
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.
Trifft ein Geschoss auf die Panzerung auf, so wird dessen kinetische Energie abgebaut, während es in das Panzermaterial eindringt. Die Wirkung der Panzerung kann daher verbessert werden, indem sich auch deren Gefüge in Richtung entlang der Auftreffrichtung des Geschosses, also im allgemeinen in Richtung senkrecht zur exponierten Seite der Panzerung ändert. Insbesondere können sich vorteilhaft die Dichte, Zusammensetzung oder Größe der Faser und/oder Partikel entlang dieser Richtung ändern. Mit einer variierenden Dichte wird dabei insbesondere eine variierende Partikel- und/oder Faserdichte verstanden. So kann die Panzerung plattenförmig ausgebildet sein, wobei die Fasern oder Partikel in senkrecht zu einer Seitenoberfläche der plattenförmigen Panzerung variierender Dichte angeordnet sind.
Ein bevorzugter Volumenanteil der zweiten Phase, also der Volumenanteil der in der Glaskeramik-Matrix eingelagerten Fasern und/oder Partikel liegt im Bereich von 10 bis 70 Volumen-Prozent.
Eine erfindungsgemäße Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen ist besonders geeignet zur Verwendung in einer Personenschutz-Einrichtung, insbesondere für gepanzerte Kleidungsstücke, wie gepanzerte Westen, sowie zur Panzerung von Fahrzeugen und Fluggeräten. Diesen Anwendungen gemeinsam ist, daß ein niedriges Gewicht gewünscht wird. Insbesondere können die leichtgewichtigen, aber sehr teuren Borcarbid-haltigen keramischen Panzerungen durch die Erfindung ersetzt werden.
Weiterhin können auch mehrere unterschiedliche erfindungsgemäße Komposit-Materialien mit einer Glaskeramik-Matrix und vorzugsweise in beiden Materialien verteilten Fasern und/oder Partikeln aufeinander angeordnet werden, um einen besonders wirksamen Verbund zu erzeugen. Beispielsweise können zwei erfindungsgemäße plattenförmige Komposit-Materialien aufeinandergesetzt werden. Dies kann direkt oder mit einem Zwischenmaterial erfolgen.
Mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens durch Schmelzsintern eines Gemisches mit einem glaskeramikbildenden Material und Fasern und/oder Partikeln lassen sich nahezu beliebige Formen des Komposit-Materials herstellen.
Werden metallische Fasern und/oder Partikel als Bestandteil der zweiten Phase verwendet, läßt sich ein besonderer Synergieeffekt erzeugen. Metallische Bestandteile wirken aufgrund ihrer Duktilität nicht nur stark energieabsorbierend, auch kann das Herstellungsverfahren beschleunigt werden. In diesem Falle kann nämlich die Mischung mit dem pulverförmigem Material, welches 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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Teile.
Es zeigen:
1 eine Glaskeramik-Platte mit einer Glaskeramik, deren Kristallite eine zumindest bimodale Größenverteilung aufweisen,
2 eine bimodale Kristallitgrössenverteilung, bezogen auf die Häufigkeit pro Volumeneinheit,
3 die bimodale Kristallitgrössenverteilung aus 2, bezogen auf den Volumenanteil,
4 die Winkelverteilung der Längsachsen einer Fraktion von Kristalliten der Glaskeramik,
5 ein Beispiel einer Panzerung mit einer Glaskeramik mit trimodaler Kristallitgrössenverteilung,
6 eine trimodale Kristallitgrössenverteilung,
7 bis 9 Herstellungsschritte für ein Komposit-Material einer Panzerung, welches ein erfindungsgemäßes Glaskeramik-Material als Matrix für eingelagerte Partikeln und/oder Fasern umfasst,
10 eine Panzerung mit variierender Verteilung des Kompositmaterials,
11 eine mit einem Gewebe verstärktes Kompositmaterial,
12 ein Verbund mit zwei Kompositmaterialien,
13 ein Beispiel einer Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen in Form einer kugelsicheren Weste.
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.
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.
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.
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.
Zusätzlich sind weitere Bestandteile in geringerer Menge, unter anderem Keimbildner, wie Zink- Zinn- und/oder Titanoxid vorhanden.
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.
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.
Die Panzerung 1 kann außerdem 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 T_g 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Insbesondere können die einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele auch in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.

Claims

Panzerung gegen hochdynamische Impulsbelastungen, umfassend ein Glaskeramik-Material, welches eine zumindest bimodale Kristallitgrössenverteilung mit wenigstens zwei Fraktionen von Kristalliten aufweist, wobei der bimodalen Kristallitverteilung eine Häufigkeitsverteilung der linearen Maximalabmessung der enthaltenen Kristallite zugrundeliegt, welche zumindest zwei Maxima bei verschiedenen linearen Maximalabmessungen entsprechend den Fraktionen der Kristallite aufweist.
Panzerung gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei ein erstes Maximum bei einer ersten linearen Maximalabmessung und ein weiteres, zum ersten Maximum direkt benachbartes Maximum bei einer zweiten linearen Maximalabmessung liegt, welche um zumindest einen Faktor 1,75 größer ist als das erste Maximum.
Panzerung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der linearen Maximalabmessung der zweiten Fraktion 4 bis 200 mal größer als das Maximum der linearen Maximalabmessung einer ersten Fraktion ist.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktion mit den kleinsten Kristalliten ein Maximum in der Häufigkeitsverteilung der linearen Maximalabmessung im Bereich von 0,5 bis 5 Nanometern aufweist.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fraktion von Kristalliten, insbesondere die Fraktion mit den zweitkleinsten Kristalliten, im Falle einer bimodalen Verteilung die Fraktion mit den größeren Kristalliten ein Maximum in der Häufigkeitsverteilung der linearen Maximalabmessung im Bereich von 20 bis 150 Nanometern aufweist.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine zweite Fraktion mit größeren Kristalliten gegenüber einer ersten Fraktion mit kleineren Kristalliten nadelförmigere und/oder abgeflachtere Kristallite aufweist.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallite einer zweiten Fraktion größerer Kristallite ein im Mittel grösseres Aspektverhältnis aufweisen als die Kristallite einer ersten Fraktion mit Kristalliten kleinerer Abmessungen.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallite einer Fraktion mit gegenüber einer weiteren Fraktion 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.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallite einer Fraktion größerer Kristallite ein Maximum in der Häufigkeitsverteilung des Aspektverhältnisses aufweisen, welches im Bereich von 1,5:1 bis 20:1, vorzugsweise 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.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaskeramik-Material eine trimodale Kristallitverteilung mit drei Fraktionen von unterschiedlich grossen Kristalliten aufweist.
Panzerung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß 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.
Panzerung gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallite der dritten Fraktion 2 bis 100 mal größer als die Kristallite der zweiten Fraktion sind.
Panzerung gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallite der dritten Fraktion 20 bis 2000 mal größer als die Kristallite der ersten Fraktion.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine multimodale Kristallitgrössenverteilung.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallite 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, insbesondere anisotrop ausgerichtet bezüglich ihrer Außenabmessungen.
Panzerung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß 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.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaskeramik-Material einen Anteil von Kristalliten im Bereich von 50 bis 99 Volumenprozent, vorzugsweise zumindest 80 Volumenprozent aufweist.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaskeramik-Material eine Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik umfasst.
Panzerung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramik folgende Komponenten enthält: SiO₂: 50–75 Gewichtsprozent, Al₂O₃: 17–30 Gewichtsprozent, Li₂O: 1–8 Gewichtsprozent, B₂O₃: 0–5 Gewichtsprozent, P₂O₅: 3–15 Gewichtsprozent.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaskeramik-Material Keatit-Mischkristalle enthält.
Panzerung gemäß vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaskeramik-Material Keatit-Mischkristalle zu einem Volumenanteil von zumindest 70, vorzugsweise zumindest 80 Prozent enthält.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Panzerung einen Verbund mit einer Glaskeramik-Platte und einem weiteren Element umfasst.
Panzerung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element ein Gewebe, vorzugsweise ein Aramidfaser- und/oder Polyethylen-Gewebe oder eine Kunststoffplatte, vorzugsweise eine Polycarbonat-Platte oder Polyethylen-Platte umfasst.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil der Kristallite der kleinsten Fraktion kleiner ist als der Volumenanteil zumindest einen weiteren Fraktion größerer Kristallite, vorzugsweise, daß der Volumenanteil der Kristallite der kleinsten Fraktion höchstens 25% des Volumenanteils der zumindest einen weiteren Fraktion größerer Kristallite ist.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktion der kleinsten Kristallite den größten Anteil an der Gesamtzahl der Kristallite pro Volumeneinheit, vorzugsweise einen Anteil von zumindest 75% hat.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein Komposit-Material mit zumindest zwei Phasen, wobei die erste Phase eine Matrix für die zweite Phase bildet, und wobei die erste Phase das Glaskeramik-Material mit zumindest bimodaler Kristallitverteilung bildet, 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.
Panzerung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase zumindest eines der Materialien umfasst: – Carbonfasern, – Glasfasern, – Hartstofffasern, wie Fasern mit SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Bornitrid, und/oder Mullit als Hauptkomponenten, – Stahlfasern, – Metallpartikel, – Hartstoffpartikel, wie Partikel mit SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Bornitrid, und/oder Mullit als Hauptkomponenten.
Panzerung gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern und/oder Partikel in Richtung senkrecht zu einer exponierten Seite der Panzerung eine variierende Dichte und/oder Zusammensetzung und/oder Größe aufweisen.
Panzerung gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Panzerung plattenförmig ausgebildet ist und die Fasern oder Partikel in senkrecht zu einer Seitenoberfläche der plattenförmigen Panzerung variierender Dichte angeordnet sind.
Panzerung gemäß einem der vier vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase eine zumindest teilweise geordnete Anordnung von nichtmetallischen Fasern, insbesondere ein Gewebe, -Gewirke oder -Vlies umfasst.
Panzerung gemäß einem der fünf vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase einen Volumenanteil im Bereich von 10 bis 70 Volumen-Prozent hat.
Panzerung gemäß einem der sechs vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase Partikel in Form von Metallspänen, vorzugsweise mit Abmessungen bis 1 cm Länge umfasst.
Panzerung gemäß einem der sieben vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase Fasern mit Durchmessern kleiner 0,2
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaskeramik-Material eine Mg-Zn-Al-haltige Glaskeramik mit Spinellphase und/oder Sapphirinphase umfasst.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaskeramik-Material eine Dichte von über 99% der theoretischen Dichte eines porenfreien Körpers aufweist.
Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaskeramik-Material eine Dichte unter 3,5 g/cm³ aufweist.
Verwendung einer Panzerung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche in einer Personenschutz-Einrichtung, insbesondere einem gepanzerten Kleidungsstück, oder zur Panzerung von Fahrzeugen oder Fluggeräten.