DE102009060923A1 - Ballistisches Schutzelement - Google Patents

Abstract

, die flexibel für verschiedene Anwendungen und auch mobil einsetzbar sind. Ein erfindungsgemäßes Ballistisches Schutzelement ist mit miteinander verbundenen plattenförmigen keramischen Elementen gebildet. Dabei sind plattenförmige keramische Elemente mit einem Klebstoff in mindestens zwei Lagen miteinander verbunden. Dadurch bilden jeweils eine Lage der plattenförmigen keramischen Elemente eine äußere und eine innere Oberfläche des Schutzelements.

Description

• Die Erfindung betrifft ballistische Schutzelemente, die flexibel für verschiedene Anwendungen und auch mobil einsetzbar sind. Dabei kann es sich um einen Schutz für Personen aber auch für Gebäude oder Fahrzeuge handeln.
• Aus DE 28 39 151 A1 ist ein beschussfestes, zusammengesetztes Material bekannt, das zu Platten, hohlen Körpern oder Profilen geformt werden kann. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine mittels Polyesterharz gebundene Gewebe- oder Faserstruktur. Da die Festigkeit und die erreichbare Schutzwirkung damit aber begrenzt sind, wird darin vorgeschlagen eine äußere Metallschicht oder Metallplatte vorzusehen. Dadurch erhöht sich aber die Masse des Schutzelementes, so dass insbesondere Anwendungen für den Personenschutz nur eingeschränkt möglich sind.
• Es sind aber auch Schutzsysteme bekannt, bei denen keramische Platten im Verbund mit anderen Materialien, insbesondere Faserverbunden genutzt werden sollen. Die Außenseiten sind dann mit einem Gewebe versehen. Zwischen den Geweben ist dann ein keramisches Element angeordnet. Mit einem an der Vorderseite befestigten Gewebe soll insbesondere ein Splitterschutz erreicht werden. Dabei ist es problematisch ausreichende Sicherheiten zu erreichen, da die eingesetzten keramischen Elemente in Folge ihrer Sprödheit und hohen Rissausbreitungsgeschwindigkeit nicht ausreichend und nur einen Teil der Energie eines Projektils aufnehmen können. Um diesen Nachteil insbesondere für den Fall von Mehrfachtreffern zu vermeiden sind Systeme entwickelt worden, bei denen eine Vielzahl keramischer Elemente an ihren äußeren Rändern miteinander verbunden worden sind und daher ähnlich wie ein Mosaik großflächig zusammengesetzt worden sind. Hier sind aber die Nahtstellen zwischen einzelnen keramischen Elementen kritisch, da dort eine sehr geringe Festigkeit gegen Durchschüsse gegeben und damit verminderte Sicherheit erreicht ist.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den ballistischen Schutz zu verbessern und flexibel nutz- und gestaltbare Schutzelemente zur Verfügung stellen zu können.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Schutzelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreichbar.
• Das erfindungsgemäße Schutzelement ist mit miteinander verbundenen plattenförmigen keramischen Elementen gebildet. Diese sind aber nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt an den äußeren Rändern miteinander verbunden, sondern plattenförmige keramische Elemente sind mit einem Klebstoff in mindestens zwei Lagen miteinander verbunden. Dadurch werden mit jeweils einer Lage der plattenförmigen keramischen Elemente eine äußere und eine innere Oberfläche des Schutzelements gebildet. Dabei kann man unter innerer Oberfläche den Bereich zwischen jeweils zwei benachbarten plattenförmigen keramischen Elementen in unterschiedlichen Lagen verstehen.
• Bei der Erfindung sollten möglichst flache plattenförmige Elemente eingesetzt werden. Die Dicke der plattenförmigen keramischen Elemente sollte in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 50 mm gehalten sein. Ein erfindungsgemäßes Schutzelement kann so eine Gesamtdicke von der äußeren bis zur inneren Oberfläche, mit allen durch Kleben verbundenen Lagen, im Bereich 0,4 mm bis 500 mm aufweisen.
• Als Werkstoff für die plattenförmigen keramischen Elemente können bevorzugt Al₂O₃, SiC, CSiC, Zirkonoxid, Titanborid, Si₃N₄ und/oder Borcarbid eingesetzt werden.
• Dabei kann es vorteilhaft sein sowohl innerhalb einer Lage, wie aber auch in einzelnen miteinander verbundenen Lagen jeweils plattenförmige keramische Elemente aus dem gleichen Werkstoff einzusetzen. Dabei kann in den miteinander verbundenen Lagen jedoch jeweils mindestens ein anderer keramischer Werkstoff genutzt werden. So kann eine außen am Schutzelement angeordnete Lage in bestimmten Bereichen aus plattenförmigen keramischen Elementen, die aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen gebildet sind, gebildet sein. In mindestens einer Lage können aber auch plattenförmige keramische Elemente aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen vorhanden sein. Es können dabei Bereiche aus einem keramischen und andere Bereiche aus mindestens einem weiteren anderen keramischen Werkstoff gebildet sein. Dies kann insbesondere an der Beschussseite des Schutzelements der Fall sein.
• Besonders vorteilhaft ist es, auf oder zwischen den Lagen jeweils eine mit Fasern gebildete Verstärkung vorzusehen. Diese Verstärkung kann mit einer, bevorzugt aber mehreren Lagen gebildet sein. Hierfür kann ein Gewebe, Gestrick, Gelege oder ein mehrschichtiger Faserverbund ausgewählt sein. Die Verstärkung kann dabei mit Fasern aus einem Kunststoff, einem Glas, Kohlenstoff, einem Metall gebildet sein. Es können aber auch mindestens zwei dieser Materialien in Kombination in einer Verstärkung verarbeitet sein, was man als „Hybridtextilie” bezeichnen kann. Eine Verstärkung kann auch in Form eines mehrschichtigen Aufbaus mindestens eines dieser Materialien oder auch auf der Basis von Zellulose (z. B. aus Holz, Lignozellulose) gebildet sein. Solche Verstärkungen können auch auf den nach außen weisenden Oberflächen eines erfindungsgemäßen Schutzelementes angebracht werden.
• Es besteht auch die Möglichkeit mindestens eine äußere Oberfläche plattenförmiger Elemente mit einer Beschichtung zu versehen. Dies kann beispielsweise eine Metallisierung oder eine mit Nano-Partikeln gebildete Schicht sein. Dadurch kann eine höhere Festigkeit und/oder Härte an der Oberfläche eines Schutzelements erreicht werden.
• Allein oder zusätzlich kann auch eine Oberflächenkontur an plattenförmigen keramischen Elementen ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die nach außen weisende Lage des Schutzelements. Als Konturelemente können Vertiefungen (Durchbrechungen, Sacklöcher, Einkerbungen) und/oder Erhebungen ausgebildet sein. Die nach außen weisende Oberfläche der plattenförmigen keramischen Elemente kann aber auch zumindest bereichsweise konvex gewölbt sein. Dadurch kann die Richtung beim Aufprall eines Projektils durch eine entsprechende Ablenkung verändert und ggf. auch die erreichbare Energieaufnahme erhöht werden.
• Für eine Verbesserung der Schutzwirkung und ggf. auch eine Verformbarkeit während der Nutzung, kann das Schutzelement so ausgebildet sein, dass zumindest an der äußeren Oberfläche des Schutzelements sich an den äußeren Rändern überlappende plattenförmige keramische Elemente vorhanden sind. Dadurch können nicht oder schlechter geschützte Fehlstellen vermieden werden. Ein so ausgebildetes Schutzelement kann aber auch, wie ein aus der Tierwelt bekannter Schuppenpanzer wirken. Dabei sind dann für eine Beweglichkeit des Schutzelements während der Nutzung zumindest die überlappenden Bereiche von plattenförmigen keramischen Elementen nicht stoffschlüssig mit dem Klebstoff mit anderen plattenförmigen keramischen Elementen oder auch einer mit Fasern gebildeten Verstärkung verbunden.
• Die bei der Erfindung eingesetzten plattenförmigen keramischen Elemente müssen nicht, zumindest nicht vollständig eben und planar ausgebildet sein. Neben Oberflächenkonturen können plattenförmige keramische Elemente zumindest in einem Überlappungsbereich mit anderen plattenförmigen keramischen Elementen eine reduzierte Dicke aufweisen.
• Die einzelnen plattenförmigen keramischen Elemente an einem oder verschiedenen Schutzelement(en) können unterschiedlich große Flächen aufweisen. Sie können auch unterschiedliche geometrische Gestalten aufweisen, die an die jeweilige Position an einem Schutzelement oder an die Erfordernisse eines Schutzelements angepasst sein kann.
• Günstig ist es, plattenförmige keramische Elemente in benachbarten Lagen versetzt zueinander anzuordnen und dabei eine versetzte Anordnung äußerer Ränder plattenförmiger keramischer Elemente in den Lagen zu erreichen.
• Für die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung können als geeignete Klebstoffe solche auf Basis von Olefinen, Olefin-Terpolymer, Ionomer, Polyurethan, Gummi, Kautschuk, Epoxid-, Phenol- oder andere Harze sowie Silane (Epoxysilane, Polyurethan-silan) oder Kombinationen der genannten Klebstoffe eingesetzt werden. Es können Ein- oder Mehrkomponenten-Klebstoffe eingesetzt werden.
• Bei der Erfindung können auch Folien eines Klebstoffs eingesetzt werden. In diesem Fall bietet sich bei der Herstellung der Verbindung das Formpressen besonders an. Dabei können die Lagen, mindestens eine mit Fasern gebildete Verstärkung und Klebstofffolie in ein beheizbares Presswerkzeug eingelegt und das Schutzelement so hergestellt werden.
• Es besteht die Möglichkeit plattenförmige keramische Elemente mit unterschiedlichen Klebstoffen stoffschlüssig zu verbinden. Dies kann bei verschiedenen Lagen der Fall sein. Es kann aber auch eine Vorderseite mit einem Klebstoff und die Rückseite der plattenförmigen keramischen Elemente einer Lage mit einem anderen Klebstoff versehen sein.
• Beim Einsatz thermoplastischer Klebstoffe können plattenförmige keramische Elemente nach einer ausreichenden Erwärmung wieder vom Schutzelement abgenommen werden. Dies kann nach einer aufgetretenen Beschädigung für eine Weiternutzung durch Austausch eines neuen plattenförmigen keramischen Elements oder auch zur Überprüfung der Eindringtiefe eines eingeschlagenen Projektils erfolgen.
• Die plattenförmigen keramischen Elemente können definiert und reproduzierbar zur Verfügung gestellt werden, so dass gleiche Abmessungen und Eigenschaften eingehalten werden können. Die stoffschlüssige Verbindung kann in definierter Anordnung hergestellt werden.
• Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.
• Dabei zeigen:
• 1 in schematischer Form einen Aufbau eines ballistischen Schutzelements nach einem Beispiel 1 und
• 2 in schematischer Form und in zwei Ansichten einen Aufbau eines ballistischen Schutzelements nach einem Beispiel 2.
• Beispiel 1
• Ein erstes schematisch mit 1 verdeutlichtes Beispiel wurde mit plattenförmigen keramischen Elementen, deren Abmessungen 150 mm·100 mm·2,5 mm betrugen, hergestellt. Dabei wurden für zwei Lagen plattenförmige Elemente aus porenfrei gesintertem Al₂O₃ sowie für eine Lage plattenförmige keramische Elemente aus heissgepresstem B₄C eingesetzt. Diese drei Lagen an plattenförmigen keramischen Elementen wurden mittels einer Klebstofffolie miteinander verbunden. Die aus B₄C gebildeten plattenförmigen keramischen Elemente waren in der Lage, die die Beschussseite bildet, angeordnet. Auf der in Richtung eines Beschusses weisenden Oberfläche dieser Lage wurden als Splitterschutz zwei Lagen eines Gewebes aus hochfestem Glas aufgeklebt.
• An der Rückseite des Schutzelementes wurden 24 Lagen eines Aramidgewebes als „backing” aufgeklebt.
• Beispiel 2
• Bei diesem mit den beiden in 2 verdeutlichten Darstellungen gezeigten Beispiel wurden plattenförmige keramische Elemente mit hexagonaler Randkontur eingesetzt. Sie hatten eine SW von 38 mm und eine Dicke von 3,1 mm. Der Abstand gegenüberliegender parallel zueinander ausgerichteter Seiten betrug also 38 mm. Es wurden plattenförmige keramische Elemente aus Al₂O₃ und SiC eingesetzt. Dabei wurden die hexagonalen plattenförmigen keramischen Elemente in einem Versatz von jeweils einer halben Schlüsselweite SW so miteinander in Lagen verklebt, dass keine durchgehenden Fugen durch ein ballistisches Schutzelement in Beschussrichtung vorhanden waren. Es wurden vier solcher mit plattenförmigen keramischen Elementen gebildeten Lagen miteinander verklebt. In einem zentralen Mittenbereich wurden ausgehend von der Beschussrichtung zwei Lagen aus plattenförmigem SiC und daran anschließend zwei Lagen aus Al₂O₃ miteinander verklebt.
• Der periphere um den zentralen Mittenbereich angeordnete Bereich war mit vier Lagen aus Al₂O₃ gebildet. Zwischen den mit den plattenförmigen keramischen Elementen gebildeten Lagen war jeweils eine Lage eines hochfesten Aramidgewebes verklebt. Als Splitterschutz an der Beschussseite waren, wie beim Beispiel 1, wieder zwei Lagen eines hochfesten Glasgewebes aufgeklebt.
• Auf die Rückseite, also die im Inneren des Schutzelements als letzte Lage aus Al₂O₃ angeordnete, wurde eine dünne Folie aus Titan mit einer Dicke von 0,3 mm aufgebracht, auf der wiederum sechzehn Lagen Aramaidgewebe, als „backing” aufgeklebt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 2839151 A1 [0002]

Claims (12)

1. Ballistisches Schutzelement, das mit miteinander verbundenen plattenförmigen keramischen Elementen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass plattenförmige keramische Elemente, die mit einem Klebstoff in mindestens zwei Lagen miteinander verbunden sind, und dadurch jeweils eine Lage der plattenförmigen keramischen Elemente eine äußere und eine innere Oberfläche des Schutzelements bilden.
2. Schutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lagen eine mit Fasern gebildete Verstärkung angeordnet und mit dem Klebstoff mit den plattenförmigen keramischen Elementen verbunden ist.
3. Schutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen keramischen Elemente eine Dicke im Bereich 0,05 mm bis 50 mm aufweisen.
4. Schutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen keramischen Elemente aus Al₂O₃, SiC, CSiC, Zirkonoxid, Titanborid, Si₃N₄ und/oder Borcarbid gebildet sind.
5. Schutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Lagen jeweils plattenförmige keramische Elemente angeordnet sind, die aus einem unterschiedlichen keramischen Werkstoffen gebildet sind.
6. Schutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Fasern gebildete mindestens einlagige Verstärkung ein Gewebe, Gestrick, Gelege oder ein mehrschichtiger Faserverbund ist.
7. Schutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Fasern gebildete Verstärkung aus einem Kunststoff, einem Glas, einem Metall, Kohlenstoff allein oder als Kombination mindestens zwei dieser Materialien oder in Form eines mehrschichtigen Aufbaus aus mindestens einem dieser Materialien gebildet ist.
8. Schutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lagen der textilen Verstärkung mit plattenförmigen keramischen Elementen und/oder untereinander miteinander verklebt sind.
9. Schutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine äußere Oberfläche plattenförmiger Elemente mit einer Beschichtung versehen und/oder daran eine Oberflächenkontur ausgebildet ist.
10. Schutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an der äußeren Oberfläche des Schutzelements sich an den äußeren Rändern überlappende plattenförmige keramische Elemente vorhanden sind.
11. Schutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass plattenförmige, keramische Elemente zumindest in einem Überlappungsbereich mit anderen plattenförmigen keramischen Elementen eine reduzierte Dicke aufweisen.
12. Schutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass plattenförmige keramische Elemente in benachbart zueinander angeordneten Lagen versetzt zueinander angeordnet sind.

Images