DE102018133084A1

DE102018133084A1 - Bulletproof composite of ceramic elements

Info

Publication number: DE102018133084A1
Application number: DE102018133084.7A
Authority: DE
Inventors: Ulf Herrmann
Original assignee: QSIL Ceramics GmbH
Current assignee: QSIL Ceramics GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25
Also published as: EP3671101A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen beschusshemmenden Verbund (11) aus Keramikelementen (1). Die Aufgabe, eine einfache Möglichkeit zum Aufbau eines beschusshemmenden Verbunds (11) aus einer Lage von Keramikelementen (1) zu finden, wird erfindungsgemäß durch ein Keramikelement (1) gelöst, das die Form eines Differenzkörpers aufweist, der durch die Differenz zweier Zylinder (2) gebildet wird, deren Symmetrieachsen (10) parallel verlaufen und in einem Abstand von einem halben Durchmesser (d) angeordnet sind, wobei die Mantelfläche aus einer konvexen ersten Mantelfläche (3) und einer konkaven zweiten Mantelfläche (4) besteht und eine Deckfläche (5) und eine Grundfläche (6) zwei zueinander parallele, sphärisch gekrümmte Flächen sind, sodass eine Höhe (H) des Keramikelements (1) größer als eine Höhe (h) des Zylinders (2) ist.The invention relates to a bullet-resistant composite (11) made of ceramic elements (1). According to the invention, the task of finding a simple way of building a bullet-resistant composite (11) from a layer of ceramic elements (1) is achieved by a ceramic element (1) which has the shape of a differential body which is distinguished by the difference between two cylinders (2 ) is formed, whose axes of symmetry (10) run parallel and are arranged at a distance of half a diameter (d), the outer surface consisting of a convex first outer surface (3) and a concave second outer surface (4) and a top surface (5th ) and a base surface (6) are two mutually parallel, spherically curved surfaces, so that a height (H) of the ceramic element (1) is greater than a height (h) of the cylinder (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen beschusshemmenden Verbund aus Keramikelementen.The invention relates to a bullet-resistant composite made of ceramic elements.

Keramiken werden, wegen ihrer großen Härte bei gleichzeitig geringem Gewicht, häufig in modernen beschusshemmenden Schutzeinrichtungen verwendet und entfalten insbesondere in Verbundsystemen, in denen sie z.B. in Verbindung mit Fasergeweben und / oder Metallen und / oder Kunststoffen verwendet werden, eine ausgezeichnete Schutzwirkung. Die Eigenschaften der beschusshemmenden Schutzeinrichtung können durch die geometrische Form und die Auswahl von Materialeigenschaften der Keramiken gezielt beeinflusst werden. Flächendeckende beschusshemmende Schutzeinrichtungen werden oft aus einer Vielzahl von kleineren Keramikelementen oder Keramikplatten zusammengesetzt. Dadurch sind sie z.B. viel besser und flexibler an gekrümmte Oberflächen anpassbar, als das durch die Verwendung von großflächigen Keramikelementen möglich wäre, die eben sind oder die bereits an eine Krümmung von Oberflächen angepasst sind. Außerdem lassen sich einzelne Elemente derartig aufgebauter Schutzeinrichtungen bei Beschädigungen viel einfacher und kostengünstiger auswechseln.Because of their great hardness and low weight, ceramics are often used in modern anti-bullet protection devices and develop particularly in composite systems in which they e.g. used in conjunction with fiber fabrics and / or metals and / or plastics, an excellent protective effect. The properties of the bullet-proof protective device can be specifically influenced by the geometric shape and the selection of material properties of the ceramics. Area-wide bullet-proof protective devices are often composed of a large number of smaller ceramic elements or ceramic plates. This makes them e.g. adaptable to curved surfaces much better and more flexibly than would be possible by using large-area ceramic elements that are flat or that are already adapted to a curvature of surfaces. In addition, individual elements of protective devices constructed in this way can be replaced much more easily and cost-effectively in the event of damage.

Keramikelemente, wie sie zum Aufbau von beschusshemmenden Verbünden verwendet werden, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Eine typische Form sind z.B. zylindrische Keramikelemente, die mit ihrer Achse senkrecht zu einer zu schützenden Oberfläche und damit in Richtung eines erwarteten Angriffs ausgerichtet sind. Die Schutzwirkung des beschusshemmenden Verbunds wird im Wesentlichen durch die Höhe der Zylinder festgelegt.Ceramic elements, such as those used to build bullet-resistant composites, are already known from the prior art. A typical form is e.g. cylindrical ceramic elements that are aligned with their axis perpendicular to a surface to be protected and thus in the direction of an expected attack. The protective effect of the bullet-resistant composite is essentially determined by the height of the cylinders.

In der WO 00/47944 A1 ist ein beschusshemmender Verbund offenbart, der sich aus zylindrischen Keramikelementen gleichen Durchmessers und planen Stirnflächen zusammensetzt. Die Zylinder sind orthogonal auf einem ebenen Trägermaterial in einer hexagonal dichten Packung angeordnet. Die Zylinder können in leichten Schutzeinrichtungen die Form von flachen Scheiben haben oder in schweren Schutzeinrichtungen eine deutlich größere Höhe aufweisen. In die in der hexagonal dichten Packung verbleibenden Zwischenräume zwischen den Zylindern können zylindrische Füllelemente mit kleinerem Durchmesser eingesetzt sein, durch welche die Größe der Zwischenräume vermindert wird.In the WO 00/47944 A1 discloses a bullet-resistant composite, which is composed of cylindrical ceramic elements of the same diameter and flat end faces. The cylinders are arranged orthogonally on a flat carrier material in a hexagonally sealed packing. The cylinders can have the form of flat disks in light protective devices or have a significantly greater height in heavy protective devices. In the spaces between the cylinders remaining in the hexagonally sealed packing, cylindrical filling elements with a smaller diameter can be inserted, by means of which the size of the spaces is reduced.

Die WO 98/15796 A1 zeigt zylindrische Keramikelemente mit gleichen Durchmessern, die einen beschusshemmenden Verbund ausbilden. Die Zylinder sind orthogonal auf einem ebenen Trägermaterial in einer hexagonal dichten Packung angeordnet. Mindestens eine der beiden Stirnflächen der zylindrischen Keramikelemente ist konvex gekrümmt.The WO 98/15796 A1 shows cylindrical ceramic elements with the same diameter, which form a bullet-resistant composite. The cylinders are arranged orthogonally on a flat carrier material in a hexagonally sealed packing. At least one of the two end faces of the cylindrical ceramic elements is convexly curved.

In der CN 204 329 778 U sind zylindrische Keramikelemente gleichen Durchmessers beschrieben, die halbkugelförmige Stirnflächen aufweisen und in einer hexagonal dichten Packung orthogonal zu einem ebenen Trägermaterial angeordnet sind.In the CN 204 329 778 U cylindrical ceramic elements of the same diameter are described, which have hemispherical end faces and are arranged in a hexagonally sealed packing orthogonal to a flat carrier material.

Bei den aus der RU 2 462 682 C2 bekannten zylindrischen Keramikelementen weisen die Stirnflächen konvexe Krümmungen auf. Die Keramikelemente werden mit der Achse orthogonal auf einem ebenen Träger angeordnet. Der Übergang zwischen den gekrümmten Stirnflächen und der Mantelfläche kann mit konkaven oder konvexen Radien oder mit Fasen versehen sein. Die vorgenannte RU 2 462 682 C2 offenbart auch Keramikelemente mit hexagonalem Querschnitt, die ebenfalls gekrümmte Stirnflächen aufweisen. Durch den hexagonalen Querschnitt können Zwischenräume in der hexagonal dichten Packung auf ein Minimum reduziert werden.With those from the RU 2 462 682 C2 known cylindrical ceramic elements, the end faces have convex curvatures. The ceramic elements are arranged orthogonally with the axis on a flat support. The transition between the curved end faces and the outer surface can be provided with concave or convex radii or with chamfers. The aforementioned RU 2 462 682 C2 also discloses ceramic elements with a hexagonal cross section, which also have curved end faces. The hexagonal cross-section allows gaps in the hexagonally sealed packing to be reduced to a minimum.

Den in den vorgenannten Schriften offenbarten zylindrischen Keramikelementen ist gemeinsam, dass sie stets orthogonal zu einem ebenen Träger und somit in einer Ebene angeordnet sind. Eine Ausführung der Keramikelemente für die Anordnung auf einem gekrümmten Träger ist nicht vorgesehen. Bei der beschriebenen orthogonalen Anordnung der Zylinder zum Trägermaterial ist davon auszugehen, dass sich Zwischenräume, die in der hexagonal dichten Packung zwischen den Zylindern auftreten, bei gleicher Anordnung der Zylinder auf konvex gekrümmten Oberflächen noch zusätzlich aufweiten. Die Zwischenräume zwischen den Elementen ließen sich möglicherweise überdecken, wenn die Keramikelemente in mindestens einer zweiten Lage verwendet werden. Die Verwendung einer zweiten Lage erhöht jedoch auch den Herstellungsaufwand. Eine Verwendung der orthogonalen Anordnung auf konkav gekrümmten Flächen ist nicht möglich. Diese Problematik würde auch auf die Keramikelemente mit hexagonalem Querschnitt aus der vorgenannten RU 2 462 682 C2 zutreffen.The cylindrical ceramic elements disclosed in the abovementioned documents have in common that they are always arranged orthogonally to a flat carrier and thus in one plane. There is no provision for the ceramic elements to be arranged on a curved support. With the orthogonal arrangement of the cylinders to the carrier material described, it can be assumed that gaps that occur in the hexagonally tight packing between the cylinders widen even further with the same arrangement of the cylinders on convexly curved surfaces. The gaps between the elements could possibly be covered if the ceramic elements are used in at least a second layer. However, the use of a second layer also increases the manufacturing effort. It is not possible to use the orthogonal arrangement on concavely curved surfaces. This problem would also apply to the ceramic elements with a hexagonal cross section from the aforementioned RU 2 462 682 C2 hold true.

Die WO 2008/055468 A1 offenbart kettenartig flexibel verbundene Elemente, die aus harten Werkstoffen, z.B. aus Keramik, und mit unterschiedlichen Querschnitten, von Kreis- bis Polygonform, hergestellt werden können. Die Keramikelemente sind mit ihren Achsen parallel zueinander angeordnet. Für die Ausbildung der Stirnflächen sind ebenfalls verschiedene Formen möglich. Bei der Verwendung der Keramikelemente in einem beschusshemmenden Verbund werden benachbarte Ketten versetzt zueinander in einer dichten Packung und mit den Achsen entweder orthogonal, angewinkelt oder parallel zu einem Träger angeordnet. Bei einer Anordnung, bei der die Achsen angewinkelt oder parallel zum Träger orientiert sind, ist auch eine Verlegung auf gekrümmten Oberflächen denkbar. Wegen der dann geringeren Höhe der Keramikelemente in Angriffsrichtung ist gegenüber der orthogonalen Verlegung von einer verminderten Schutzwirkung auszugehen. Bei der angewinkelten Anordnung ist außerdem davon auszugehen, dass der Verbund je nach dem Winkel der Angriffsrichtung unterschiedliche Schutzwirkungen aufweist. Bei der parallelen Anordnung könnte die geringere Elementhöhe durch die Verwendung einer zweiten Lage ausgeglichen werden, was mit einem höheren Herstellungsaufwand verbunden wäre.The WO 2008/055468 A1 discloses chain-like flexibly connected elements that can be made from hard materials, such as ceramic, and with different cross-sections, from circular to polygonal. The ceramic elements are arranged with their axes parallel to each other. Various shapes are also possible for the formation of the end faces. When using the ceramic elements in a bullet-resistant composite, adjacent chains are offset from one another in a tight packing and with the axes either orthogonal, angled or arranged parallel to a carrier. With an order where the axes are angled or oriented parallel to the beam, laying on curved surfaces is also conceivable. Due to the then lower height of the ceramic elements in the direction of attack, a reduced protective effect can be assumed compared to the orthogonal laying. With the angled arrangement it can also be assumed that the composite has different protective effects depending on the angle of the attack direction. With the parallel arrangement, the lower element height could be compensated for by using a second layer, which would be associated with a higher production outlay.

Eine Verwendung mehrerer Lagen von flächig angeordneten Elementen ist in der DE 10 2017 102 975 A1 offenbart. Die Elemente sind Kugeln, die unter anderem aus Keramikwerkstoffen hergestellt sein können und in Schichten gestapelt oder unregelmäßig in mehreren Schichten angeordnet sind. Die Kugeln sind in einer dichten Packung dauerhaft miteinander verbunden. Aus den Kugeln werden plattenförmige Schutzelemente hergestellt, die in textilen Trägern zu einem Körperschutz zusammengesetzt werden. Durch den textilen Träger können sich die Schutzelemente der Form des Körpers gut anpassen. Zwischen den Schutzelementen verbleiben jedoch Zwischenräume, welche verhindern, dass der Körperschutz lückenlos geschlossen ist.The use of several layers of flat elements is in the DE 10 2017 102 975 A1 disclosed. The elements are spheres, which can be made of ceramic materials, among other things, and are stacked in layers or arranged irregularly in several layers. The balls are permanently connected to each other in a tight package. Plate-shaped protective elements are made from the balls, which are put together in textile carriers to provide body protection. Thanks to the textile carrier, the protective elements can adapt well to the shape of the body. However, gaps remain between the protective elements, which prevent the body protection from being closed completely.

In der WO 2014/082621 A1 ist ein beschusshemmender Verbund gezeigt, der aus einer Kombination von flächig aneinander gelegten polyedrischen Grundelementen mit quadratischer Grundfläche und Füllelementen besteht. Grundelemente und Füllelemente bestehen aus Keramikmaterial. Das Grundelement weist mehrere geneigte Flächen auf, sodass sich zu beiden Seiten einer Lage aus Grundelementen pyramidenförmige Einsenkungen ergeben, die mit den Füllelementen ausgefüllt werden können. Die formschlüssigen Füllelemente decken die zwischen den Grundelementen verbleibenden Zwischenräume weitestgehend ab. Der beschusshemmende Verbund eignet sich auch für gekrümmte Flächen, weist jedoch den Nachteil auf, dass mehrere verschiedenartige Elemente zu dessen Aufbau erforderlich sind.In the WO 2014/082621 A1 is shown an anti-bullet compound, which consists of a combination of flat polyhedral basic elements with a square base and filling elements. Basic elements and filling elements consist of ceramic material. The basic element has several inclined surfaces, so that pyramidal depressions result on both sides of a layer of basic elements, which can be filled with the filling elements. The form-fitting filling elements largely cover the gaps remaining between the basic elements. The bullet-resistant composite is also suitable for curved surfaces, but has the disadvantage that several different types of elements are required for its construction.

Die DE 10 2006 050 130 A1 zeigt einen beschusshemmenden Verbund, der aus zwei Lagen von Keramikelementen besteht. Die Keramikelemente sind konisch geformt. In der ersten Lage sind die Keramikelemente mit aneinandergrenzenden Grundflächen auf einem Träger befestigt. Mit der zweiten Lage werden die konischen Zwischenräume der ersten Lage mit spiegelverkehrt eingesetzten Keramikelementen ausgefüllt. Sofern es sich ausschließlich um konvexe Krümmungen handelt, ist der Verbund auch für gekrümmte Oberflächen geeignet.The DE 10 2006 050 130 A1 shows a bullet-resistant composite consisting of two layers of ceramic elements. The ceramic elements are conical. In the first layer, the ceramic elements are attached to one another with adjoining base areas. With the second layer, the conical gaps in the first layer are filled with ceramic elements inserted in a mirror-inverted manner. If only convex curvatures are involved, the composite is also suitable for curved surfaces.

Im Stand der Technik lassen sich noch eine Reihe weiterer Schriften finden, in denen Möglichkeiten zum Vermeiden von Zwischenräumen zwischen den einzelnen Elementen eines beschusshemmenden Verbunds offenbart werden.A number of other documents can be found in the prior art, in which possibilities for avoiding gaps between the individual elements of an anti-bulletproof compound are disclosed.

Die US 5 996 115 A beschreibt einen leichten beschusshemmenden Verbund, der aus rechteckigen plattenförmigen Keramikelementen zusammengesetzt ist. Die Seitenflächen der Elemente sind gegenüber den Grund- und Deckflächen angewinkelt, sodass aneinander liegende Seitenflächen von zwei benachbarten Elementen sich unter dem Winkel parallel gegenüber stehen. Durch die angewinkelten Seitenflächen überlappen sich die benachbarten Elemente, sodass orthogonal zu den Grund- und Deckflächen und damit in Angriffsrichtung keine Zwischenräume zwischen den Elementen auftreten. Für eine bessere Anpassung an gekrümmte Oberflächen können die Elemente in einer Raumrichtung gewölbt sein.The US 5,996,115 A describes a light bullet-resistant composite, which is composed of rectangular plate-shaped ceramic elements. The side surfaces of the elements are angled in relation to the base and top surfaces, so that adjacent side surfaces of two neighboring elements are parallel at an angle. Due to the angled side surfaces, the adjacent elements overlap so that there are no gaps between the elements orthogonal to the base and top surfaces and thus in the direction of attack. For a better adaptation to curved surfaces, the elements can be curved in one spatial direction.

Ein in der US 5 771 489 A gezeigtes plattenförmiges Element aus einem keramischen Werkstoff besitzt eine im Wesentlichen rechteckige Grundfläche. Mindestens eine von zwei parallelen Kanten des Elements ist als scharnierartige Verbindung ausgeführt, wobei eine Kante die Positivform und die andere Kante die Negativform des Scharniers ausbildet. Gegenüberliegende Kanten zweier benachbarter Elemente können ineinander geschoben und formschlüssig verbunden werden. Das Scharnier ermöglicht eine gelenkige und lückenlose Verbindung der Elemente, wodurch eine Anpassung des beschusshemmenden Verbunds an in einer Raumrichtung gekrümmte Oberflächen möglich ist. Die in der anderen Raumrichtung verlaufenden Kanten können gestuft sein, sodass sich benachbarte Elemente lückenlos überlappen. Durch die Überlappung ist eine beschränkte Anpassung an leichte Krümmungen in der zweiten Raumrichtung möglich.An Indian US 5,771,489 A. The plate-shaped element shown made of a ceramic material has an essentially rectangular base area. At least one of two parallel edges of the element is designed as a hinge-like connection, one edge forming the positive shape and the other edge forming the negative shape of the hinge. Opposing edges of two adjacent elements can be pushed into each other and connected in a form-fitting manner. The hinge enables an articulated and gapless connection of the elements, which allows the bullet-resistant composite to be adapted to surfaces curved in one spatial direction. The edges running in the other spatial direction can be stepped so that adjacent elements overlap without gaps. Due to the overlap, a limited adaptation to slight curvatures in the second spatial direction is possible.

In der WO 2012/026925 A1 ist ein plattenförmiges quadratisches Keramikelement offenbart, dessen vier Kanten stets abgestuft und zusätzlich mit Facetten, Fasen oder Radien versehen sind. Durch die Abstufung der Kanten wird bei den in einer Lage verlegten Elementen eine Überlappung der Kanten erreicht. Die Facetten, Fasen oder Radien erleichtern das Verlegen der Elemente auf gekrümmten Oberflächen bei gleichzeitiger Überdeckung von Zwischenräumen zwischen den Elementen. Für die Verlegung auf gekrümmten Oberflächen können die Elemente in einer Raumrichtung gewölbt sein.In the WO 2012/026925 A1 discloses a plate-shaped square ceramic element, the four edges of which are always stepped and additionally provided with facets, chamfers or radii. The gradation of the edges of the elements laid in one layer overlaps the edges. The facets, chamfers or radii make it easier to lay the elements on curved surfaces while at the same time covering gaps between the elements. The elements can be curved in one spatial direction for laying on curved surfaces.

Den letztgenannten drei Schriften ist gemeinsam, dass die plattenförmigen Elemente aufgrund der geringen Höhe der Elemente für beschusshemmende Verbünde mit leichter Schutzwirkung wie z.B. für Schutzwesten ausgelegt sind. Zur Herstellung von beschusshemmenden Verbünden mit größerer Schutzwirkung und mit Oberflächen, die eine konvexe und konkave Krümmung in zwei Raumrichtungen aufweisen, sind derartige Elemente nicht sinnvoll einsetzbar.The latter three documents have in common that the plate-shaped elements are designed for bullet-resistant composites with a light protective effect, such as protective vests, due to the small height of the elements. For the production Such elements cannot be usefully used for bullet-resistant assemblies with a greater protective effect and with surfaces which have a convex and concave curvature in two spatial directions.

Ein in der WO 00/33013 A2 offenbartes scheibenförmiges Keramikelement mit kreisförmiger Grund- und Deckfläche wird in einer hexagonalen Anordnung überlappend in einer Lage ausgelegt. Die Keramikelemente können die Form einer ebenen zylindrischen Scheibe, einer in einer Raumrichtung abgewinkelten Scheibe, einer meniskusförmigen Scheibe, einer bikonvex geformten Linse oder Kombinationen daraus aufweisen. Die Keramikelemente können Ausnehmungen an den Deckflächen aufweisen, die genau an den Durchmesser des überlappenden Keramikelements angepasst sind. Einige der Formen dieser Elemente sind geeignet, um in zwei Raumrichtungen gekrümmte Oberflächen lückenlos abzudecken. Eine höhere Schutzwirkung lässt sich mit einer Lage dieser relativ flachen Keramikelemente nicht erreichen.An Indian WO 00/33013 A2 disclosed disc-shaped ceramic element with a circular base and top surface is laid out in a hexagonal arrangement overlapping in one layer. The ceramic elements can have the shape of a flat cylindrical disk, a disk angled in a spatial direction, a meniscus-shaped disk, a biconvex lens or combinations thereof. The ceramic elements can have recesses on the cover surfaces which are precisely adapted to the diameter of the overlapping ceramic element. Some of the shapes of these elements are suitable for seamlessly covering curved surfaces in two spatial directions. A higher protective effect cannot be achieved with a layer of these relatively flat ceramic elements.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Möglichkeit zum Aufbau eines beschusshemmenden Verbunds aus einer Lage von Keramikelementen zu finden, der auch auf gekrümmten Oberflächen in Angriffsrichtung lückenlos geschlossen ist und eine hohe Schutzwirkung aufweist.The object of the invention is to find a simple way of building a bullet-resistant composite from a layer of ceramic elements, which is completely closed even on curved surfaces in the direction of attack and has a high protective effect.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen beschusshemmenden Verbund, der aus Keramikelementen besteht, wobei jedes Keramikelement aus einem einen Durchmesser und eine Höhe aufweisenden Zylinder mit einer Symmetrieachse, einer Mantelfläche, einer Deckfläche, einer Grundfläche und einer Ausnehmung besteht, dadurch gelöst, dass das Keramikelement die Form eines Differenzkörpers aufweist, gebildet durch eine Differenz zweier Zylinder, wobei deren Symmetrieachsen parallel verlaufen und einen Abstand von dem halben Durchmesser aufweisen und die Mantelfläche aus einer konvexen ersten Mantelfläche und einer konkaven zweiten Mantelfläche besteht, und die Deckfläche und die Grundfläche zwei zueinander parallele, sphärisch gekrümmte Flächen sind, sodass eine Höhe des Keramikelements größer als die Höhe des Zylinders ist.According to the invention, the object is achieved by a bullet-resistant composite consisting of ceramic elements, each ceramic element consisting of a cylinder having a diameter and a height with an axis of symmetry, an outer surface, a top surface, a base surface and a recess, in that the ceramic element has the Has the shape of a differential body, formed by a difference between two cylinders, the axes of symmetry of which run parallel and have a distance of half the diameter and the outer surface consists of a convex first outer surface and a concave second outer surface, and the top surface and the base surface are two mutually parallel, are spherically curved surfaces, so that a height of the ceramic element is greater than the height of the cylinder.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 - einen prinzipiellen Aufbau eines Keramikelements in einer dreidimensionalen Ansicht,
2 - eine Ausführung des Keramikelements in einer geschnittenen Seitenansicht,
3 - eine Ausführung des Keramikelements in einer Draufsicht,
4 - einen prinzipiellen Aufbau eines beschusshemmenden Verbunds aus einer Lage der Keramikelemente in einer dreidimensionalen Ansicht,
5 - eine prinzipielle Anordnung der Keramikelemente in einem beschusshemmenden Verbund auf einer konkav gekrümmten Oberfläche und
6 - eine prinzipielle Anordnung der Keramikelemente in einem beschusshemmenden Verbund auf einer konvex gekrümmten Oberfläche.

The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. In the accompanying drawings:

1 a basic structure of a ceramic element in a three-dimensional view,
2nd an embodiment of the ceramic element in a sectional side view,
3rd an embodiment of the ceramic element in a top view,
4th a basic structure of a bullet-resistant composite consisting of a layer of the ceramic elements in a three-dimensional view,
5 - A basic arrangement of the ceramic elements in a bulletproof compound on a concave curved surface and
6 - A basic arrangement of the ceramic elements in a bullet-resistant composite on a convex curved surface.

Bei einem beschusshemmenden Verbund 11 aus Keramikelementen 1 sind die Keramikelemente 1 prinzipiell wie in 1 gezeigt aufgebaut. Jedes Keramikelement 1 ist ein Zylinder 2 mit einer Symmetrieachse 10, der einen Durchmesser d und eine Höhe h aufweist. Das Keramikelement 1 weist die Form eines Differenzkörpers auf, der durch eine Differenz zweier Zylinder 2 gebildet ist, deren Symmetrieachsen 10 parallel und in einen Abstand von einem halben Durchmesser d zueinander angeordnet sind. Das Keramikelement 1 weist eine erste Mantelfläche 3 und eine zweite Mantelfläche 4 auf. Eine Deckfläche 5 und eine Grundfläche 6 des Keramikelements 1 sind zwei zueinander parallele, sphärisch gekrümmte Flächen. Eine Höhe H des Keramikelements 1 ist größer als die Höhe h des Zylinders 2.With a bullet-resistant compound 11 made of ceramic elements 1 are the ceramic elements 1 in principle as in 1 shown built. Any ceramic element 1 is a cylinder 2nd with an axis of symmetry 10 that has a diameter d and a height H having. The ceramic element 1 has the shape of a differential body, which is a difference between two cylinders 2nd is formed, the axes of symmetry 10 parallel and at a distance of half a diameter d are arranged to each other. The ceramic element 1 has a first lateral surface 3rd and a second lateral surface 4th on. A top surface 5 and a footprint 6 of the ceramic element 1 are two mutually parallel, spherically curved surfaces. A height H of the ceramic element 1 is greater than the height H of the cylinder 2nd .

In 2 und 3 ist eine erste Ausführung des Keramikelements 1 in einer geschnittenen Seitenansicht und in einer Draufsicht gezeigt, wobei die Form des Zylinders 2 durch eine unterbrochene Strichlinie angedeutet ist. Der Durchmesser d des Zylinders 2 an der ersten Mantelfläche 3 beträgt 20 mm und die Höhe h ist halb so groß wie der Durchmesser d.In 2nd and 3rd is a first version of the ceramic element 1 shown in a sectional side view and in a plan view, the shape of the cylinder 2nd is indicated by a broken dash line. The diameter d of the cylinder 2nd on the first lateral surface 3rd is 20 mm and the height H is half the diameter d .

In 2 sind die sphärische Deckfläche 5 und die sphärische Grundfläche 6 mit einer unterbrochenen Punktlinie dargestellt. Sie weisen einen Radius r auf, der dem halben Durchmesser d entspricht. Dadurch gehen die sphärische Deckfläche 5 und die sphärische Grundfläche 6 tangential in die erste Mantelfläche 3 über. Durch die Krümmung der sphärischen Deckfläche 5 ist die Höhe H des Keramikelements 1 um den Radius r größer als die Höhe h des Zylinders 2.In 2nd are the spherical top surface 5 and the spherical base 6 shown with a broken dotted line. They have a radius r on that half the diameter d corresponds. This will go to the spherical top surface 5 and the spherical base 6 tangential to the first lateral surface 3rd over. Due to the curvature of the spherical top surface 5 is the height H of the ceramic element 1 around the radius r greater than the height H of the cylinder 2nd .

In 3 ist der Querschnitt des Keramikelements 1 zu erkennen, der sich aus der Differenz der Querschnitte zweier gleichgroßer Zylinder 2 ergibt, die sich in einem Abstand von einem halben Durchmesser d und mit parallelen Symmetrieachsen 10 durchdringen. Der daraus entstandene Differenzkörper weist dann die nach außen gekrümmte erste Mantelfläche 3 und die nach innen gekrümmte zweite Mantelfläche 4 auf. Wie anhand der unterbrochenen Strichlinien zu erkennen ist, bildet die zweite Mantelfläche 4 zur ersten Mantelfläche 3 jeweils eine erste Kante 7 aus, deren Kantenwinkel deutlich kleiner als 90° ist. Wie in 2 zu erkennen, bildet die tangential in die erste Mantelfläche 3 auslaufende Grundfläche 6 eine sehr scharfe zweite Kante 8 aus. Derartige Kanten 7 oder 8 sind nur mit einem großen Fertigungsaufwand herstellbar und wären mechanisch sehr instabil.In 3rd is the cross section of the ceramic element 1 can be seen from the difference in the cross sections of two cylinders of the same size 2nd results in a distance of half a diameter d and with parallel axes of symmetry 10 penetrate. The resulting differential body then has the outwardly curved first lateral surface 3rd and the inwardly curved second lateral surface 4th on. As can be seen from the broken dash lines, the second forms Lateral surface 4th to the first lateral surface 3rd a first edge each 7 whose edge angle is significantly smaller than 90 °. As in 2nd recognizable, forms the tangential into the first lateral surface 3rd expiring base area 6 a very sharp second edge 8th out. Such edges 7 or 8th can only be produced with a large manufacturing effort and would be mechanically very unstable.

In einer zweiten Ausführung des Keramikelements 1 wird die erste Kante 7 und die zweite Kante 8 mit einer Verrundung 9 versehen. Die Verrundung 9 weist an der ersten Kante 7 einen Radius von 1/20 des Durchmessers d und an der zweiten Kante 8 einen Radius von 1/40 des Durchmessers d auf. Wie in 2 und 3 dargestellt, weisen die Verrundungen 9 jeweils einen tangentialen Übergang zu den jeweils angrenzenden Flächen auf. Durch die Verrundungen 9 wird die Festigkeit der ersten Kante 7 und der zweiten Kante 8 deutlich erhöht und dadurch die mechanische Stabilität des gesamten Keramikelements 1 gesteigert.In a second embodiment of the ceramic element 1 becomes the first edge 7 and the second edge 8th with a fillet 9 Mistake. The rounding 9 points to the first edge 7 a radius of 1/20 of the diameter d and on the second edge 8th a radius of 1/40 of the diameter d on. As in 2nd and 3rd shown, show the fillets 9 each have a tangential transition to the adjacent surfaces. Through the fillets 9 becomes the strength of the first edge 7 and the second edge 8th significantly increased and thereby the mechanical stability of the entire ceramic element 1 increased.

Selbstverständlich ist es auch möglich den Radius der Verrundung 9, abweichend von den zuvor genannten Abmessungen, in einem gewissen Rahmen zu variieren. Unter Beachtung der mechanischen Stabilität der Kanten 7 und 8 weist der Radius stets einen Maximalwert und einen Minimalwert auf, bei denen (wie später zu 4 beschrieben) auch bei einer Verlegung auf gekrümmten Oberflächen 12 noch eine ausreichende Überdeckung zwischen aneinanderliegenden Keramikelementen 1 herstellbar ist und eine gelenkige Bewegung zwischen den aneinanderliegenden Keramikelementen 1 nicht eingeschränkt wird.Of course, the radius of the fillet is also possible 9 , differing from the aforementioned dimensions, to vary within a certain range. Taking into account the mechanical stability of the edges 7 and 8th the radius always has a maximum value and a minimum value at which (as later on 4th described) also when laying on curved surfaces 12th sufficient coverage between adjacent ceramic elements 1 is producible and an articulated movement between the adjoining ceramic elements 1 is not restricted.

Das Keramikelement 1 ist aus oxidkeramischen oder nichtoxidkeramischen Werkstoffen wie z.B. Al₂O₃, ZrO₂, SiC, BN hergestellt. Diese Werkstoffe eignen sich aufgrund ihrer großen Härte und der geringen Dichte besonders gut zur Herstellung der beschusshemmenden Verbünde, die im Vergleich zu Panzerungen aus Stahl ein deutlich reduziertes Gewicht haben. Die Formgebung erfolgt vorzugsweise mittels eines Trockenpressverfahrens, mit dem die Keramikelemente 1 in großer Stückzahl kostengünstig gefertigt werden können.The ceramic element 1 is made of oxide-ceramic or non-oxide-ceramic materials such as Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ , SiC, BN. Due to their great hardness and low density, these materials are particularly well suited for the manufacture of bullet-resistant composites, which have a significantly reduced weight compared to steel armouring. The shaping is preferably carried out by means of a dry pressing process with which the ceramic elements 1 can be inexpensively manufactured in large quantities.

In der 4 ist ein Ausschnitt des beschusshemmenden Verbunds 11 in einer möglichen Ausführung gezeigt. Der beschusshemmende Verbund 11 ist aus einer Vielzahl von Keramikelementen 1 zusammengesetzt, die auf einer sich in x-y-Richtung erstreckenden ebenen Oberfläche 12 in einer Lage angeordnet sind. Die Keramikelemente 1 sind mit der ersten Mantelfläche 3 auf die Oberfläche 12 aufgelegt, wobei die zweite Mantelfläche 4 in x-Richtung weisend ausgerichtet ist.In the 4th is a section of the bulletproof compound 11 shown in a possible version. The bulletproof compound 11 is made from a variety of ceramic elements 1 composed on a flat surface extending in the xy direction 12th are arranged in one layer. The ceramic elements 1 are with the first lateral surface 3rd to the surface 12th hung up, the second lateral surface 4th is oriented in the x direction.

Beim Aufbau des beschusshemmenden Verbunds 11 wird entsprechend 4 in der rechten Bildhälfte mit einer ersten Reihe von axial hintereinander angeordneten Keramikelementen 1 begonnen. Bei der axialen Aufreihung werden die Keramikelemente 1 an den Deckflächen 5 und den Grundflächen 6 zueinander ausgerichtet. Dadurch, dass die Deckflächen 5 und die Grundflächen 6 den gleichen Radius r aufweisen, liegen die Keramikelemente 1 in y-Richtung formschlüssig aneinander an.When building the bullet-resistant compound 11 will be accordingly 4th in the right half of the picture with a first row of ceramic elements arranged axially one behind the other 1 began. With the axial alignment, the ceramic elements 1 on the deck surfaces 5 and the base areas 6 aligned with each other. Because of the top surfaces 5 and the base areas 6 the same radius r have, the ceramic elements 1 in the y-direction.

Jede weitere, auf die Oberfläche 12 aufgebrachte Reihe von axial aneinander liegenden Keramikelementen 1 wird mit den zweiten Mantelflächen 4 an den ersten Mantelflächen 3 einer bereits verlegten Reihe angelegt. Dabei vollziehen die Keramikelemente 1 eine Rotation um die Symmetrieachsen 10, die zu einer optimalen Ausrichtung der Keramikelemente 1 zur Oberfläche 12 führt. Dadurch, dass die Krümmungen der ersten Mantelflächen 3 und der zweiten Mantelflächen 4 den gleichen Radius r aufweisen, liegen die Keramikelemente 1 in x-Richtung formschlüssig aneinander an.Any further, on the surface 12th applied row of axially adjacent ceramic elements 1 is with the second lateral surfaces 4th on the first lateral surfaces 3rd an already installed row. The ceramic elements perform 1 a rotation around the axes of symmetry 10 leading to an optimal alignment of the ceramic elements 1 to the surface 12th leads. The fact that the curvatures of the first lateral surfaces 3rd and the second lateral surfaces 4th the same radius r have, the ceramic elements 1 form-fitting to each other in the x-direction.

Durch den Formschluss in x- und y-Richtung weisen die Keramikelemente 1 orthogonal zu einer Angriffsrichtung 13 stets Überlappungen miteinander auf, sodass zwischen den Keramikelementen 1 keine offenen Zwischenräume verbleiben. Als Angriffsrichtung 13 wird zum überwiegenden Teil die z-Richtung im Wesentlichen senkrecht zum beschusshemmenden Verbund 11 angenommen. Mit einer Lage der Keramikelemente 1 ist ein geschlossener beschusshemmender Verbund 11 in einer Stärke, die nahezu dem Durchmesser d entspricht, herstellbar.Due to the positive locking in the x and y direction, the ceramic elements 1 orthogonal to an attack direction 13 always overlaps with each other, so that between the ceramic elements 1 no open spaces remain. As a direction of attack 13 for the most part, the z direction becomes essentially perpendicular to the bullet-resistant composite 11 accepted. With one layer of ceramic elements 1 is a closed bulletproof compound 11 in a thickness that is almost the diameter d corresponds, producible.

Die Krümmungen der ersten Mantelflächen 3, der zweiten Mantelflächen 4 und der sphärischen Deck- und Grundflächen 5 und 6, sowie die Verrundungen 9 an den zweiten Kanten 8 gestatten zwischen den Keramikelementen 1 eine gelenkige Bewegung, durch die der beschusshemmende Verbund 11 auch an gekrümmte Oberflächen 12 anpassbar ist.The curvatures of the first lateral surfaces 3rd , the second lateral surfaces 4th and the spherical top and bottom surfaces 5 and 6 , as well as the fillets 9 on the second edges 8th allow between the ceramic elements 1 an articulated movement through which the bullet-resistant composite 11 even on curved surfaces 12th is customizable.

Wie in 5 und 6 gezeigt, kann die Oberfläche 12 sowohl konvex als auch konkav gekrümmt sein. Bei einer ausschließlich in einer Raumrichtung gekrümmten Oberfläche 12, also entweder in x- oder in y-Richtung, kann der Formschluss zwischen den Keramikelementen 1 vollständig aufrecht erhalten werden, wenn die axiale Ausrichtung der Keramikelemente 1 genau parallel oder orthogonal zur Richtung der Krümmung erfolgt. In 5 ist der beschusshemmende Verbund 11 auf einer in x-Richtung konkav gekrümmten Oberfläche 12 verlegt. Die Keramikelemente 1 sind mit der Symmetrieachse 10 parallel zur y-Richtung angeordnet. In 6 ist der beschusshemmende Verbund 11 auf einer in y-Richtung konvex gekrümmten Oberfläche 12 verlegt. Die Keramikelemente 1 sind mit der Symmetrieachse 10 orthogonal zur x-Richtung angeordnet.As in 5 and 6 shown the surface 12th be both convex and concave. With a surface that is curved only in one spatial direction 12th , i.e. either in the x or y direction, the form fit between the ceramic elements 1 fully maintained when the axial alignment of the ceramic elements 1 exactly parallel or orthogonal to the direction of curvature. In 5 is the bulletproof compound 11 on a surface concavely curved in the x direction 12th relocated. The Ceramic elements 1 are with the axis of symmetry 10 arranged parallel to the y direction. In 6 is the bulletproof compound 11 on a surface convexly curved in the y direction 12th relocated. The ceramic elements 1 are with the axis of symmetry 10 arranged orthogonal to the x direction.

Die gelenkige Bewegung zwischen den Keramikelementen 1 erlaubt auch eine Verlegung des beschusshemmenden Verbunds 11 auf in zwei Raumrichtungen konkav oder konvex gekrümmten Oberflächen 12. Bei einer derartigen Verlegung oder bei einer Verlegung, bei der die Symmetrieachsen 10 nicht parallel oder orthogonal zur Richtung der Krümmung orientiert sind, kann es zu Verschiebungen zwischen den Reihen von axial aneinander liegenden Keramikelementen 1 in Richtung der Symmetrieachsen 10 kommen.The articulated movement between the ceramic elements 1 also allows the bullet-resistant composite to be laid 11 on surfaces that are concave or convex in two spatial directions 12th . With such a laying or with a laying in which the axes of symmetry 10 are not oriented parallel or orthogonal to the direction of the curvature, there may be displacements between the rows of ceramic elements lying axially against one another 1 in the direction of the axes of symmetry 10 come.

Die Verschiebungen in y-Richtung sind beispielhaft in 4 an dem auf der ebenen Oberfläche 12 angeordneten beschusshemmenden Verbund 11 dargestellt. In der rechten Bildhälfte besteht keine Verschiebung zwischen den Reihen der Keramikelemente 1. Die Verschiebung nimmt in Richtung der linken Bildhälfte bis zu einem Maximum zu.The displacements in the y direction are exemplary in 4th on that on the flat surface 12th arranged anti-bullet compound 11 shown. In the right half of the picture there is no shift between the rows of ceramic elements 1 . The shift increases in the direction of the left half of the picture to a maximum.

Auf Oberflächen 12, die mindestens in y-Richtung gekrümmt sind, führen diese Verschiebungen dazu, dass zwischen der ersten Mantelfläche 3 und zweiten Mantelfläche 4 kein vollständiger Formschluss mehr erreicht werden kann. Der vollständige Formschluss ist auch nicht zwingend erforderlich, da durch die bestehenden Überlappungen zwischen den Keramikelementen 1 auch bei unvollständigem Formschluss keine offenen Zwischenräume auftreten, sodass der beschusshemmende Verbund 11 stets geschlossen ist.On surfaces 12th , which are curved at least in the y direction, these displacements cause that between the first lateral surface 3rd and second lateral surface 4th no complete positive locking can be achieved. The complete positive locking is also not absolutely necessary, because of the existing overlaps between the ceramic elements 1 Even if the form fit is incomplete, there are no open spaces, so that the bullet-resistant composite 11 is always closed.

In einer anderen, nicht in den Figuren gezeigten Ausführung des beschusshemmenden Verbunds 11 ist der Radius r der sphärischen Deckfläche 5 und der sphärischen Grundfläche 6, unabhängig vom Durchmesser d, größer ausgeführt. Der Radius r kann z.B. im Bereich zwischen 50 und 200 mm liegen. Die Keramikelemente 1 werden mit einem größeren Durchmesser d, z.B. im Bereich von 50 bis 100 mm, und mit einer im Verhältnis geringeren Höhe H, z.B. im Bereich von 20 bis 50 mm, hergestellt. Derartige Keramikelemente 1 sind besser für beschusshemmende Verbünde 11 mit höherer Schutzwirkung ausgelegt, weisen aber Einschränkungen beim Verlegen auf stark gekrümmten Oberflächen 12 auf.In another embodiment of the bullet-resistant composite, not shown in the figures 11 is the radius r the spherical top surface 5 and the spherical base area 6 , regardless of the diameter d , made larger. The radius r can be, for example, in the range between 50 and 200 mm. The ceramic elements 1 are with a larger diameter d , for example in the range from 50 to 100 mm, and with a relatively lower height H , for example in the range of 20 to 50 mm. Such ceramic elements 1 are better for bulletproof groups 11 designed with a higher protective effect, but have restrictions when laying on strongly curved surfaces 12th on.

In einer weiteren, nicht in den Figuren gezeigten Ausführung ist der Radius r der Grundfläche 6 und der zweiten Mantelfläche 4 geringfügig größer als der Radius r der Deckfläche 5 und der ersten Mantelfläche 3. Geringfügig soll hier bedeuten, dass die Radien r im Bereich von bis zu 1/20 des halben Durchmessers d größer sein können.The radius is in a further embodiment, not shown in the figures r the base area 6 and the second lateral surface 4th slightly larger than the radius r the top surface 5 and the first lateral surface 3rd . Slightly meant here that means the radii r in the range of up to 1/20 of half the diameter d can be larger.

In weiteren Ausführungen des beschusshemmenden Verbunds 11 können die Keramikelemente 1 auch jede andere Größe aufweisen. Wesentlich ist, dass das Keramikelement 1 stets ein Differenzkörper aus zwei gleich großen Zylindern 2 mit parallelen Symmetrieachsen 10 ist und die Deckfläche 5 und die Grundfläche 6 stets sphärisch gekrümmte Flächen sind, die den gleichen oder nahezu den gleichen Radius r aufweisen. Die Dimensionierung des Durchmessers d und der Höhe H kann an gewünschte Eigenschaften des beschusshemmenden Verbunds 11 und entsprechend den Eigenschaften der Oberfläche 12 angepasst werden.In other versions of the bullet-resistant compound 11 can the ceramic elements 1 also have any other size. It is essential that the ceramic element 1 always a differential body consisting of two cylinders of the same size 2nd with parallel axes of symmetry 10 is and the top surface 5 and the footprint 6 are always spherically curved surfaces that have the same or almost the same radius r exhibit. The dimensioning of the diameter d and the height H can adapt to desired properties of the bullet-resistant composite 11 and according to the properties of the surface 12th be adjusted.

BezugszeichenlisteReference list

11: KeramikelementCeramic element
22nd: Zylindercylinder
33rd: erste Mantelflächefirst lateral surface
44th: zweite Mantelflächesecond lateral surface
55: DeckflächeTop surface
66: GrundflächeFloor space
77: erste Kantefirst edge
88th: zweite Kantesecond edge
99: VerrundungRounding
1010th: SymmetrieachseAxis of symmetry
1111: beschusshemmender Verbundbulletproof composite
1212th: Oberflächesurface
1313: AngriffsrichtungAttack direction
dd: Durchmesser des Zylinders 2 Diameter of the cylinder 2nd
hH: Höhe des Zylinders 2 Height of the cylinder 2nd
HH: Höhe des Keramikelements 1 Height of the ceramic element 1
rr: Radiusradius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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WO 9815796 A1 [0005]
CN 204329778 U [0006]
RU 2462682 C2 [0007, 0008]
WO 2008/055468 A1 [0009]
DE 102017102975 A1 [0010]
WO 2014/082621 A1 [0011]
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US 5771489 A [0015]
WO 2012/026925 A1 [0016]
WO 0033013 A2 [0018]

Claims

Bullet-resistant composite (11), consisting of ceramic elements (1), each ceramic element (1) consisting of a cylinder (2) with a diameter (d) and a height (h) with an axis of symmetry (10), a lateral surface, a top surface ( 5), a base (6) and a recess, characterized in that - the ceramic element (1) has the shape of a differential body, formed by a difference between two cylinders (2), their axes of symmetry (10) running parallel and a distance have half the diameter (d) and the outer surface consists of a convex first outer surface (3) and a concave second outer surface (4), and - the top surface (5) and the base surface (6) are two mutually parallel, spherically curved surfaces , so that a height (H) of the ceramic element (1) is greater than the height (h) of the cylinder (2).

Bullet-resistant composite (11) consisting of ceramic elements (1) according to Claim 1 , characterized in that the first lateral surface (3) and the second lateral surface (4) together form a closed surface.

Bullet-resistant composite (11) consisting of ceramic elements (1) according to Claim 1 or 2nd , characterized in that the height (h) of the cylinder (2) has half the diameter (d).

Bullet-resistant composite (11) consisting of ceramic elements (1), according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that the height (H) of the ceramic element (1) by half the diameter (d) is greater than the height (h) of the cylinder (2).

Bullet-resistant composite (11) consisting of ceramic elements (1), according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the first lateral surface (3) and the second lateral surface (4) have a common first edge (7).

Bullet-resistant composite (11) consisting of ceramic elements (1), according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the first lateral surface (3) and the base surface (6) have a common second edge (8).

Bullet-resistant composite (11) consisting of ceramic elements (1) according to Claim 5 and 6 , characterized in that the first edge (7) and the second edge (8) have a rounding (9).

Bullet-resistant composite (11) consisting of ceramic elements (1) according to Claim 7 , characterized in that the roundings (9) are arranged orthogonally to the course of the first edge (7) or the second edge (8) and tangential transitions to the surfaces (3), (4) forming the edges (7) or (8) ) and (6).

Bullet-resistant composite (11) consisting of ceramic elements (1) according to Claim 7 , characterized in that the fillets (9) of the first edge (7) have a radius of 1/20 of the diameter (d).

Bullet-resistant composite (11) consisting of ceramic elements (1) according to Claim 7 , characterized in that the roundings (9) of the second edge (8) have a radius of 1/40 of the diameter (d).