DE10313231B4 - High-strength fabrics for end ballistic protection and wear protection - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaften, der Keramik, der Materialien für Schutzpanzerungen und für Verschleißbeanspruchungen und betrifft hochfeste Flächengebilde für endballistischen Schutz, beispielsweise für den Schutz von Fahrzeugen und Personen, und für Verschleißschutz, beispielsweise für den Einsatz in Brechern, Mühlen, Förderrinnen und Rohren.The Invention relates to the fields of materials science, the ceramics, the materials for Protective armor and for wear stresses and concerns high strength fabrics for end ballistic Protection, for example for the Protection of vehicles and people, and for wear protection, for example, for use in crushers, mills, chutes and pipes.
Zur Sicherung von Personen, Fahrzeugen und Einrichtungen im militärischen und auch im zivilen Bereich wird eine Konstruktion zur Sicherung des entsprechenden Objektes nach der jeweils spezifischen Bedrohung ausgelegt. Die Überlebensfähigkeit derartig geschützter Objekte kann durch den Einsatz von Schutzpanzerungen aus geschossfestem Material erhöht werden. Da die Rückhaltefähigkeit derartiger Schutzpanzerungen im Wesentlichen von der Oberflächenhärte der Schutzflächen der Panzerungselemente abhängt, wurden bisher in erster Linie Spezialstähle mit hoher Härte und entsprechend abgestimmter Zähigkeit, aber auch keramische Werkstoffe eingesetzt.to Securing of persons, vehicles and facilities in the military and also in the civilian area is a construction for security the corresponding object according to the specific threat designed. The survivability so protected Objects can by the use of protective armor made of bulletproof material elevated become. Since the retention capacity of such Protective armor essentially of the surface hardness of the protective surfaces of Armor elements depends So far, special steels with high hardness and appropriately tuned toughness, but also used ceramic materials.
Aus
der
Wenn in vielen Fällen Stahl trotz des hohen Gewichtes für die Panzerung gegen Geschosse Anwendung findet, so im wesentlichen deshalb, weil durch die Härte und Elastizität des Stahls nur geringfügige Schädigungen am Panzermaterial auftreten, so dass folgende Treffer im Abstand von nur wenigen Millimetern zum vorherigen Treffer wiederum gehalten werden können.If in many cases Steel despite the heavy weight for the armor against projectiles Application, so essentially because of the hardness and elasticity of steel only minor damage occur on the tank material, so the following hits in the distance held by only a few millimeters to the previous hit turn can be.
Bei keramischen Werkstoffen ist dies jedoch völlig anders. Hier ist es zwar möglich, den ersten Treffer durch eine dünnere Schutzschicht von sehr geringem Gewicht im Vergleich zu Stahl zu halten, jedoch zerstört jeder Treffer im keramischen Material eine relativ große Fläche, so dass der nächste Treffer mit Sicherheit nur dann gehalten werden kann, wenn er auf ein vom zuerst getroffenen Keramikstück unabhängiges, d.h. separat aufgebrachtes Keramikstück auftrifft. Die Tatsache führt dazu, dass Keramikelemente, insbesondere Einzelkacheln verwendet werden müssen, um bei einem geringen Geschossabstand die Schutzwirkung nicht zu verlieren. Die Abstimmung der Plattengröße erfolgt deshalb meist nach dem möglichen Trefferabstand, was kleinere Kachelabmessungen zur Folge hat. Dadurch ergibt sich ein weiteres Problem, nämlich, wie die Kachelanordnung beschaffen sein muss, damit die zwangsläufig vorhandenen engen Spalte zwischen den Kacheln als Schwachstellen der Gesamtschutzschicht möglichst geschützt werden können.at However, this is completely different for ceramic materials. Here it is indeed possible, the first hit by a thinner one Protective layer of very low weight compared to steel too hold, but destroyed every hit in the ceramic material a relatively large area, so that the next one Hits with security can only be held when he is on an independent of the first struck piece of ceramic, i. separately applied ceramic piece incident. The fact leads in that ceramic elements, in particular individual tiles are used have to, at a small projectile distance the protective effect is not too to lose. The vote of the plate size is therefore usually after the possible Hit distance, which results in smaller tile dimensions. Thereby another problem arises, namely, how the tile arrangement must be so that the inevitably existing narrow column between the tiles as weak points of the total protective layer as possible protected can be.
Bei
der Mosaikanordnung von keramischen Kacheln ist es deshalb allein
wegen des Kantenproblems trotz einer bekannten Anordnung nach Art
eines Verbundmauerwerkes (
Auch im Bereich des Verschleißschutzes ergeben sich Einsatzgebiete für Schutzpanzerungen, wie z.B. gegen Prallbeanspruchung oder Gleitverschleiß. Hohem Verschleiß ausgesetzte Platten oder Formstücke in Kanälen, Behältern, Sichtern, heißgehenden Zyklonen, Mühlen oder Brechern zeigen besonders starke Abrasionserscheinungen an den Kanten der sich berührenden Kacheln. Die Standfestigkeit der Verschleißpanzerung hängt demnach vorrangig von der Kantenstabilität ab, was eine höhere Dichte der Auskleidung zur Folge hat.Also in the area of wear protection arise areas of application for Protective armor, such as against impact stress or sliding wear. high Wear exposed Plates or fittings in canals, containers Classifiers, hotter Cyclones, mills or breakers indicate particularly strong abrasion phenomena the edges of the touching Tiles. The stability of the wear armor depends accordingly primarily from the edge stability what a higher density the lining has the consequence.
Aus
der
Nach
der
Gemäß der
In
der
Ein
weiteres Schutzelement ist in der
Aus
der
Gemäß der
Die
Panzerung gemäß der
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass zahlreiche Lösungen für ballistische Schutzpanzerungen bekannt sind, die in einem flexiblen Material eingebettet ein Schutzmaterial aufweisen, welches aus den verschiedensten geometrischen Formen aufgebaut ist.In summary can be said that numerous solutions for ballistic protective armor are known, which embedded in a flexible material, a protective material have, which constructed from a variety of geometric shapes is.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, hochfeste Flächengebilde für den endballistischen Schutz und Verschleißschutz anzugeben, bei denen nur im unmittelbaren Umfeld einer Geschosseinwirkung oder eines lokalen Verschleißes die Zerstörung des Flächengebildes erfolgt.The The object of the invention is high-strength fabrics for the specify end-ballistic protection and wear protection in which only in the immediate vicinity of a projectile impact or a local one wear the destruction of the sheet he follows.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved by the invention specified in the claims. Trainings are Subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße hochfeste Flächengebilde für endballistischen Schutz und Verschleißschutz besteht aus Einzelkörpern, die, zu einem flächigen Körper zusammengesetzt und auf einem Backing-Material befestigt, das hochfeste Flächengebilde ergeben, wobei die Einzelkörper die Form von Pyramiden und Tetraedern oder Pentaedern und/oder Hexaedern und/oder daraus zusammengesetzten Verbundkörpern aufweisen.The high-strength invention sheet for end ballistic Protection and wear protection consists of individual bodies, the, to a plane body assembled and attached to a backing material, the high strength sheet result, with the single bodies the shape of pyramids and tetrahedrons or pentahedrons and / or hexahedra and / or composites composed thereof.
Vorteilhafterweise ist der flächige Körper ganz oder teilweise von einem Backing-Material umgeben.advantageously, is the areal Body completely or partially from a backing material surround.
Weiterhin vorteilhafterweise bestehen die Einzelkörper und/oder die daraus zusammengesetzten flächigen Körper ganz oder teilweise aus keramischen und/oder metallischen Materialien, und besonders vorteilhafterweise aus keramischen Materialien, wie SiC, Si3N4, Al2O3, aus metallischen Materialien, wie Hartmetalle, höherfestem Stahl, wie V2A-Stahl, ST 52-3 oder aus Keramik-Metall-Verbundwerkstoffen.Furthermore advantageously, the individual bodies and / or the flat bodies composed of them consist wholly or partly of ceramic and / or metallic materials, and particularly advantageously of ceramic materials, such as SiC, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , of metallic materials, such as hard metals , higher-strength steel, such as V2A steel, ST 52-3 or ceramic-metal composites.
Weiterhin vorteilhafterweise besteht ein flächiger Körper aus 5 Pyramiden und 4 Tetraedern, der mehrfach wiederholt und jeweils als Formenverbund abwechselnd umgekehrt zusammengesetzt, den flächigen Körper bilden.Farther advantageously, a flat body consists of 5 pyramids and 4 Tetrahedrons, repeated several times and alternately as a composite conversely assembled, form the flat body.
Das Flächengebilde weist auf der Ober- und Unterseite jeweils eine im Wesentlichen ebene Fläche auf, die außer den Spalten zwischen den Einzelkörpern keine weiteren Fehlstellen aufweist. Die Ebenheit der Flächen zur Ober- und Unterseite richtet sich im Wesentlichen nach dem Anwendungsfall, der auch gebogene und/oder gewölbte Oberflächen erfordern kann.The sheet has on the top and bottom in each case a substantially flat surface on that except the columns between the individual bodies has no further defects. The flatness of the surfaces to The top and bottom depends mainly on the application, the also curved and / or arched Require surfaces can.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist die Verbindung der Einzelkörper kraftschlüssig, durch Verkleben, Verschweißen, Löten oder durch Klammern realisiert.Also Advantageously, the connection of the individual bodies is non-positively, by Gluing, welding, Soldering or realized by brackets.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Einzelkörper und/oder der daraus zusammengesetzte Verbundkörper Abmessungen von 5 bis 200 mm Kantenlänge, noch vorteilhafterweise Abmessungen von 10 bis 100 mm Kantenlänge aufweisen.From It is also advantageous if the individual bodies and / or the composite thereof composite body Dimensions of 5 to 200 mm edge length, more advantageously Dimensions of 10 to 100 mm edge length.
Und auch von Vorteil ist es, wenn im Falle des Vorliegens von Spalten zwischen den Flächen und/oder Kanten der Einzelkörper und/oder des daraus zusammengesetzten flächigen Körpers diese durch einen Kleber oder ein Lot oder ein Gewebe gefüllt sind.And it is also advantageous if in the case of columns between the surfaces and / or Edges of the single body and / or the flat body composed thereof by an adhesive or a lot or a tissue filled are.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, eine verbesserte Panzerung zum endballistischen Schutz und/oder zum Verschleißschutz zu erreichen, deren Zerstörung durch Geschosseinwirkung oder Verschleiß nur im unmittelbaren Umfeld des Geschosskalibers oder der Verschleißeinwirkung auftritt und somit eine verbesserte Beständigkeit gegen Mehrfachbeschuss oder Dauerbeanspruchung durch Verschleiß aufweist. Dies gelingt erfindungsgemäß durch die Verkleinerung der Einzelkörper, was einerseits den Nachteil einer hohen Anzahl an Flächen gegenüber der Geschoss- oder Verschleißeinwirkung aufweist, erfindungsgemäß aber trotzdem eine verbesserte geschosshemmende oder verschleißhemmende Wirkung erreicht. Dieser Vorteil wird erreicht, indem die Schwachstellen einer derartigen Verbundfläche, die nach dem Stand der Technik bestanden, verringert und/oder nicht mehr unmittelbar in Einwirkungsrichtung der Geschosse oder des Verschleißes angeordnet worden sind.With the solution according to the invention, it is possible to achieve an improved armor for end ballistic protection and / or wear protection whose destruction occurs by Geschosseinwirkung or wear only in the immediate vicinity of the projectile caliber or the wear and thus has improved resistance to multiple bombardment or permanent wear , This succeeds according to the invention by the reduction of the individual bodies, which on the one hand has the disadvantage of a high number of vials Chen compared to the projectile or wear has, according to the invention but still achieved an improved bullet-resistant or wear-inhibiting effect. This advantage is achieved by reducing the weaknesses of such a composite surface, which existed in the prior art, and / or were no longer arranged directly in the direction of impact of the projectiles or the wear.
Dieser Vorteil trifft auch für den Bereich des Verschleißschutzes zu, bei dem in erster Linie eine Prallbeanspruchung der Panzerung vorliegt.This Advantage also applies to the area of wear protection to, in the first place an impact stress of the armor is present.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird neben der verbesserten Anpassbarkeit des Flächengebildes an unregelmäßige Formen auch eine Verringerung des spezifischen Gewichtes erreicht, ohne die Schutzwirkung zu verschlechtern; im Gegenteil, es wird sogar in vielen Fällen eine verbesserte Schutzwirkung erreicht.By the solution according to the invention is next the improved adaptability of the fabric to irregular shapes also achieved a reduction in specific gravity, without the Deteriorate protective effect; on the contrary, it will even be in many cases achieved an improved protective effect.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die kritische Kantenstabilität und Kantenhärte des Flächengebildes auf die Halteleistung zum Backing-Material und ggf. eines weiteren flächigen Materials und der Härte des Materials des Flächengebildes jeweils ganz oder teilweise reduziert.With the solution according to the invention is the critical edge stability and edge hardness of the fabric on the holding power to the backing material and possibly another flat Material and hardness of the material of the fabric each partially or completely reduced.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung weisen die Einzelkörper des Flächengebildes jeweils nur eine Verbindung zum Backing-Material und/oder zu einem anderen flächigen Material auf und ergeben dann umgekehrt zusammengesetzt ein vollständiges Flächengebilde. Dabei sollte zwischen den Einzelkörpern des Flächengebildes ein möglichst vollständiger formschlüssiger Kontakt ihrer Flächen und/oder Kanten bestehen. Im Falle des Vorliegens von Spalten zwischen den Flächen und/oder Kanten der Einzelkörper oder der daraus zusammengesetzten Verbundkörper sind diese vollständig gefüllt. Die Füllung kann dabei ein Kleber oder ein Lot oder ein Gewebe sein. Die Spalte zwischen den Flächen und/oder Kanten der Einzelkörper oder den daraus zusammengesetzten Verbundkörpern sind vorteilhafterweise zwischen 0,1 und 10 mm breit, wobei bei geringeren Abmessungen der Einzelkörper oder der Verbundkörper auch geringere Spaltabmessungen vorliegen.at the solution according to the invention have the single body of the fabric in each case only one connection to the backing material and / or to a other flat Material on and then turned back together made a complete sheet. It should be between the individual bodies of the fabric one possible complete form-fitting Contact their planes and / or edges exist. In the case of gaps between the surfaces and / or edges of the individual bodies or the composite body composed of these are completely filled. The Filling can be an adhesive or a solder or a tissue. The column between the surfaces and / or edges of the individual bodies or composite composites thereof are advantageously between 0.1 and 10 mm wide, with smaller dimensions of single body or the composite body also lower gap dimensions are present.
Unter der im Rahmen dieser Erfindung verwendeten Bezeichnung "Backing-Material" wird ein Material verstanden, auf das Einzelkörper oder die zusammengesetzten Verbundkörper befestigt werden oder das die Einzelkörper oder die zusammengesetzten Verbundkörper ganz oder teilweise umgibt. Im Falle des endballistischen Schutzes handelt es sich bei dem Backing-Material vorteilhafterweise um Fasergewebe-Formkörper und im Falle des Verschleißschutzes vorteilhafterweise um Metalle, beispielsweise in Form von Blechen. Die Verwendung von Metallblechen als Backing-Material für den endballistischen Schutz, als auch die Verwendung von Fasergewebe-Formkörpern als Backing-Material im Verschleißschutz ist ebenfalls denkbar.Under The term "backing material" used in the context of this invention becomes a material understood, on the single body or the composite composites are attached or that the single bodies or completely or partially surrounds the composite composites. in the Traps of end-ballistic protection are the backing material advantageously to fibrous tissue shaped body and in the case of wear protection advantageously to metals, for example in the form of sheets. The use of metal sheets as backing material for the end ballistic Protection, as well as the use of fiber fabric moldings as Backing material in wear protection is also possible.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.The The invention will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments.
Beispiel 1example 1
Aus keramischen Platten aus flüssigphasengesintertem Siliciumcarbid werden mittels Trennschleifen 400 unregelmäßige Pentaeder mit den Abmessungen 30 × 20 × 20 mm3 (jeweils größte L × B × H) hergestellt. Die Form entspricht der Kombination aus einer regelmäßigen Pyramide und einem Tetraeder, die so verbunden sind, dass eine Keilform entsteht, wobei zwei Seiten die Fläche eines Parallelogramms ergeben, zwei Flächen die Form eines gleichschenkligen Dreiecks ergeben und die Grundfläche ein Quadrat ist.From ceramic plates of liquid phase sintered silicon carbide 400 irregular pentahedra with dimensions of 30 × 20 × 20 mm 3 (each largest L × W × H) are prepared by means of cutting loops. The shape corresponds to the combination of a regular pyramid and a tetrahedron connected to form a wedge shape, two sides giving the area of a parallelogram, two areas giving the shape of an isosceles triangle and the base area being a square.
Diese Pentaeder werden so zusammengesetzt, dass gegenüber dem Backing-Material, welches ein Aramid(faser)-Formkörper mit den Abmessungen 400 × 400 mm ist, und der Außenseite des zukünftigen Flächengebildes jeweils ebene Oberflächen entstehen. Die zusammengesetzten 400 Pentaeder bedecken mit ihrer ebenen Flächengebildeseite zum Backing-Material das gesamte Backing-Material. Diese Flächengebildeseite wird mit dem Backing-Material durch Kleben mit einem Zweikomponenten-Kunstharzkleber kraftschlüssig verbunden.These Pentahedra are composed in such a way that opposite the backing material, which an aramid (fiber) shaped body with the dimensions 400 × 400 mm, and the outside of the future sheet each flat surfaces arise. The composite 400 pentahedron cover with their flat sheet to the side Backing material the entire backing material. This sheet structure page is using the backing material by gluing with a two-component resin adhesive force fit connected.
Ein derart hergestelltes Flächengebilde wird in eine Schutzpanzerung für ein Militärfahrzeug eingearbeitet.One fabric produced in this way will be in a protective armor for a military vehicle incorporated.
Bei einer senkrechten Geschosseinwirkung eines Hartkerngeschosses von 12,7 mm Kaliber werden je Geschoss maximal 6 Pentaeder, üblicherweise aber nur 2 bis 4 Pentaeder, jeweils nur in unmittelbarer Umgebung der Einschussstelle zerstört. Aufgrund der Überdeckung der Panzerplatten bleibt, im Gegensatz zu herkömmlichen keramischen Schutzpanzerungen, die Schutzwirkung unmittelbar neben der Einschussstelle erhalten. Die maximal zerstörte Fläche beträgt 40 × 40 mm, üblicherweise aber nur 20 × 40 mm.at a vertical projectile action of a hard core projectile of 12.7 mm caliber per bullet maximum of 6 pentahedra, usually but only 2 to 4 pentahedra, only in the immediate vicinity destroyed the bullet point. Due to the overlap the armor plates remains, in contrast to conventional ceramic protective armor, the protective effect obtained immediately adjacent to the bullet point. The maximum destroyed area is 40 × 40 mm, usually but only 20 × 40 mm.
Im Vergleich dazu werden bei einer herkömmlichen Plattenanordnung von Platten einer Größe von 75 × 75 × 20 mm in Form eines Mauerwerkes maximal eine Fläche von 150 × 150 mm, üblicherweise 75 × 75 mm zerstört.in the In comparison, in a conventional disk array of Plates of size 75 × 75 × 20 mm in the form of a masonry maximum area of 150 × 150 mm, usually 75 × 75 mm destroyed.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Schuss auch gehalten, wenn das Geschoss auf die Kanten der sich berührenden Pentaeder trifft.at the solution according to the invention is The shot also kept when the bullet hit the edges of it touching Pentahedron meets.
Dagegen wird bei der herkömmlichen Plattenanordnung der Schuss nicht gehalten, wenn das Geschoss auf die sich berührenden Plattenkanten trifft. Daher ist bei der herkömmlichen Anordnung eine höhere Plattendicke von mindestens 30 mm erforderlich, um den Schuss zuverlässig zu halten, was in einer 33 %-igen Gewichtserhöhung resultiert.On the other hand is at the conventional Plate assembly of the shot is not held when the bullet on the touching one Plate edges hits. Therefore, in the conventional arrangement, a higher plate thickness of at least 30 mm required to reliably handle the shot what results in a 33% increase in weight.
Beispiel 2Example 2
Ein stranggegossener hochfester Stahl (ST 52-3) mit einem dreieckigen Querschnitt wird durch schräges Abschneiden des Stranges zu Pyramiden mit einer Grundfläche von 40 × 40 mm und einer Höhe von 40 mm verarbeitet. Aus einem ebensolchen Stahlstrang und nachfolgendem schrägen Schneiden werden Tetraeder mit einer Länge der sich jeweils rechtwinklig gegenüberliegenden Kanten von 40 mm und einer Höhe von 40 mm hergestellt. Dabei werden 200 Pyramiden mit jeweils einem Tetraeder bereits durch Verlöten mit einem Weichlot kraftschlüssig zu einem Verbundkörper miteinander verbunden. Die Pyramiden und Tetraeder als Verbundkörper werden jeweils zu 200 Stück in einem Rahmen zu einem ebenen Flächengebilde angeordnet. Die dem Backing-Material zugewandte Seite wird mit dem Backing-Material aus einem Stahlblech der Qualität ST37 der Abmessungen 400 × 400 mm mit einem Weichlot und entsprechendem Flussmittel miteinander verbunden.One continuously cast high-strength steel (ST 52-3) with a triangular Cross section is made by oblique Cutting the strand into pyramids with a footprint of 40 × 40 mm and a height processed by 40 mm. From a similar steel strand and following oblique cutting become tetrahedra with a length each of the right angles opposite edges of 40 mm and a height made of 40 mm. There are 200 pyramids with one each Tetrahedron already by soldering with a soft solder frictionally to a composite body connected with each other. The pyramids and tetrahedra become as composite bodies each to 200 pieces arranged in a frame to a flat sheet. The The backing material facing side is covered with the backing material from a steel sheet of quality ST37 of dimensions 400 × 400 mm with a soft solder and appropriate flux with each other connected.
Ein derart hergestelltes Flächengebilde wird als Schutzpanzerung für die Prallplatte eines Hammerbrechers eingearbeitet.One fabric produced in this way is used as a protective armor for the baffle plate of a hammer crusher incorporated.
Bei der Abrasionsbeanspruchung an der Prallplatte werden die sich berührenden Kanten der Panzerplatten stärker erodiert als die Platten selbst.at the Abrasionsbeanspruchung on the baffle plate are touching Edges of the armor plates stronger erodes as the plates themselves.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung verläuft die Teilung aufgrund der Anordnung der Tetraeder und Pyramiden schräg zur Beanspruchungsrichtung, wodurch sich eine verringerte Abrasion an den sich berührenden Kanten ergibt, was eine um die 1½ – fache längere Einsatzdauer zur Folge hat. Aufgrund der Lötverbindung sind eine Auswechslung der Schutzplatten und eine Wiederverwendung der Sicherungseinrichtung möglich.at the solution according to the invention runs the Division due to the arrangement of tetrahedra and pyramids obliquely to the direction of stress, whereby there is a reduced abrasion on the contacting edges, which one to one and a half times longer Duration of use. Due to the solder connection are a replacement the protective plates and a reuse of the safety device possible.
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