DE19509899A1 - Mehrschichtiges Panzerschutzmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Panzerschutzmateri­ al, welches aus einer wahlweise ein- oder vielstückigen, kera­ mischen oder metallischen Frontschicht und einer dieser nach­ geschalteten harten Stützschicht gebildet ist.

Durch die DE 41 14 809 A1 ist bereits ein geschoßfestes Plat­ tenmaterial bekannt, bei dem eine vielstückige keramische oder metallische Frontschicht mit einem mehrschichtigen Laminat mittels einer Schicht aus einem elastischen Bindemittel ver­ bunden ist. Dabei ist die erste Laminatlage eine biegeharte, die Frontschicht stützende und im wesentlichen elastisch nicht verformbare Schicht, die mit einer nachfolgenden zweiten, bie­ geweichen und elastisch verformbaren Laminatlage als sogenannte Fangschicht mit einer dünnen Kautschuk- oder Acrylklebefolie mit gleichmäßiger Dicke von etwa 0,2 bis 0,4 Millimeter ver­ bunden ist. Die erste Laminatlage ist aus einem harten, hoch­ verdichteten GFK-Werkstoff gebildet, während die biegeweichen Laminatlagen der zweiten oder folgenden Fangschichten weiche GFK-Werkstoffe oder Aramidgewebe sind.

Ein solches bekanntes Plattenmaterial bietet in bezug auf ein Multi-Hit-Verhalten die beschriebenen Vorteile. Es lassen sich Hartkerngeschosse bis zum Kaliber 7,62 Millimeter mit günstigen Gewichtsvorteilen gegenüber Panzerstahlblech und bei vergleich­ baren Multi-Hit-Eigenschaften stoppen. Von Nachteil ist es al­ lerdings, daß die eingesetzten Sonderwerkstoffe, wie Keramik, GFK und Aramid gegenüber einem Panzerstahlblech wesentlich ko­ stenungünstiger sind. Bei einer Erhöhung des Kalibers eines Ge­ schosses auf beispielsweise ·50 (12,7 Millimeter) oder auf 14,5 Millimeter ist zwar immer noch eine gute Funktion des bekannten Plattenmaterials gegeben, jedoch bewegen sich die Kosten dann auf einem sehr hohen Niveau.

In dem genannten Kaliberbereich sind außerdem zumeist Fahrzeug­ strukturen aus Panzerstahl oder Aluminium mit einem bestimmten Grundschutz, beispielsweise gegen Weich- oder Hartkerngeschosse im Kaliber 7,62 Millimeter vorhanden, auf die eine Zusatzpanze­ rung zur Erzielung des geforderten Gesamtschutzes adaptiert wird. Eine solche Fahrzeugstruktur in Ausbildung eines Fahr­ zeugwannenblechs oder Turmgehäuses übernimmt somit die Funktion der Fangschicht analog der DE 41 14 809 A1. Mit einer geschoß­ festen Platte nach dieser genannten Druckschrift müßten deshalb ohne die zweite oder folgende Fangschicht ebenso gute Ergebnis­ se erzielbar sein, wenn die Frontschicht aus vielstückiger Ke­ ramik in Verbindung mit einer biegeharten GFK-Laminatschicht als Schutzplatte auf dem Panzerstahlblech oder Aluminiumgehäuse direkt befestigt werden würde.

Es zeigte sich auch tatsächlich beim Beschuß, daß mit einer solchen Bauweise gute Leistungswerte zu erreichen waren.

Bei einer konstruktiv bedingten Schottanordnung mußte jedoch die Stützschicht in ihrer Dicke vergrößert werden, um eine noch ausreichende Stützwirkung für die Keramik zu erzielen, weil eine direkt dahinter angeordnete Fangschicht nicht mehr vorhan­ den war. Dadurch nahm der Anteil der biegeharten GFK-Stütz­ schicht am Panzerschutz erheblich zu. Da dieser Werkstoff sehr teuer ist, wurde der Gesamtpreis der Zusatzpanzerung ebenfalls beträchtlich erhöht. Außerdem zeigte sich, daß bei den erhöhten Impaktbelastungen der GFK-Werkstoff im Durchschußbereich und insbesondere bei einer Schottanordnung nicht völlig ohne Dela­ minierungserscheinungen blieb, was schließlich dazu führte, daß die Multi-Hit-Fähigkeit des Gesamtschutzes von diesem Parameter und nicht mehr von der Keramikkachel selbst bestimmt wurde.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein mehrschichtiges Panzerschutzmaterial zu schaffen, welches leicht, biegehart und preiswert ist, bei hoher Belastung und insbesondere um den Impaktbereich herum praktisch nicht delaminiert und außerdem noch Energie vernich­ ten kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Erfinderische Weiterbildungen und Aus­ gestaltungen sind den Unteransprüchen 2 bis 7 zu entnehmen. In den weiteren Patentansprüchen 8 bis 10 sind erfinderische Ver­ wendungen und Nutzungen eines mehrschichtigen Panzerschutzma­ terials nach den Ansprüchen 1 bis 7 genannt.

In langen und intensiven Versuchsreihen, in denen eine große Anzahl von Sonder- und Standardwerkstoffen auf ihre ballisti­ sche Eignung hin überprüft wurden, wurde völlig überraschend gefunden, daß sich als Stützschicht ein Kunstharzpreßholz in nicht erwarteter Weise eignet. In den Versuchsreihen wurden Hochleistungswerkstoffe, beispielsweise Kohlefaserverbundwerk­ stoffe (CFK) getestet, die mit einer Dichte von etwa 1,55 g/ccm sehr leicht sind. Diese Hochleistungswerkstoffe ergaben erwar­ tungsgemäß gute Leistungswerte, sie waren biegesteif und wiesen ein geringes Delaminationsverhalten auf. Der entscheidende Nachteil aber war die wirtschaftliche Seite dieser untersuchten Hochleistungswerkstoffe, die bekanntermaßen sehr teuer sind. Demgegenüber ist das gefundene Kunstharzpreßholz nicht nur we­ sentlich preiswerter, sondern weist vergleichbare ballistische und teilweise sogar höhere Leistungswerte als CFK und GFK auf und ist außerdem noch leichter.

Das eingesetzte Kunstharzpreßholz besteht aus Buchenholzfurnie­ ren, die mit härtbaren Kunstharzen unter Druck und Wärme ver­ bunden sind. Als ganz besonders effizient hat sich ein kreuzge­ schichtetes, hochverdichtetes Kunstharzpreßholz (LIG-Platte) erwiesen, welches im Vakuumverfahren mit Phenolharz imprägniert war.

Das Kunstharzpreßholz hat eine Dichte zwischen 1,3 und 1,4 g/ccm. Die Wasseraufnahme ist mit gleich oder kleiner 0,5% sehr gering, weshalb dieses Material auch nicht quillt.

Durch die Imprägnierung des Kunstharzpreßholzes werden die of­ fenen Poren im Holz mit Harz gefüllt, was ganz offensichtlich zu den ungewöhnlichen ballistischen Eigenschaften führt. Denn bei den hohen dynamischen Belastungen bietet das gefundene Ma­ terial einen sehr hohen Verdrängungswiderstand, da es sich im Gegensatz zu den üblichen Holzwerkstoffen im Porenbereich nicht weiter verdichten läßt. Die geleistete Verdrängungsarbeit ist somit hoch und erklärt die guten ballistischen Testergebnisse.

Die LIG-Platte aus kreuzgeschichtetem, hochverdichtetem Kunst­ harzpreßholz delaminiert in der Impaktzone praktisch nicht mehr, weil sie sehr harte, spröde Eigenschaften aufweist und deshalb bei den hohen dynamischen Belastungen wegen ihrer sehr harten Struktur und wegen der Imprägnierung mit Harz nur im direkten Impaktbereich zerbricht. Bereits unmittelbar um die durch Beschuß zerstörte Zone bleibt das Material völlig intakt und weist keinerlei Delaminationsmerkmale auf.

Aufgrund der geringen Dichte des Kunstharzpreßholzes kann die Dicke der LIG-Platte gegenüber einer gewichtsgleichen harten GFK-Platte entsprechend erhöht werden, wodurch gleichzeitig die Biegesteifigkeit der Stützschicht generell erhöht wird. Dies führt unter anderem auch dazu, daß die Keramikkacheln beim Im­ pakt nicht mehr abtauchen können, was wiederum eine deutliche Verbesserung der Beschußfestigkeit im Fugenbereich des Keramik­ kachel-Verbundes bewirkt. Dadurch ist das erfindungsgemäße Ver­ bundmaterial (Composite) auch unempfindlich bezüglich der Kera­ mikkachelformen und dem Legemuster.

Aufgrund der optimalen Stützwirkung der LIG-Platte konnte die Leistungsfähigkeit der Keramik gegenüber der panzerbrechenden Munition stark verbessert werden. Die Dicke der Keramikkacheln konnte in bezug auf einen vergleichbaren Keramik-GFK-Verbund ohne Leistungseinbußen reduziert werden bzw. es erhöhte sich deutlich die Grenzgeschwindigkeit v50 bei gleicher Dicke. Fer­ ner können als weiterer Vorteil die Abmessungen der Keramikka­ cheln im Vergleich zu dem geschoßfesten Plattenmaterial nach der DE 41 14 809 A1 vergrößert werden, ohne daß es zu Einbußen in der Multi-Hit-Fähigkeit kommt.

Eine LIG-Platte in der erfindungsgemäßen Anordnung und Bauweise kostet gegenüber einer vergleichbaren harten GFK-Stützschicht, bezogen auf ein gleiches Gewicht, nur etwa 30% vom Preis einer GFK-Platte.

Mit dem erfindungsgemäßen Material wurde eine Reihe von Kera­ mikverbundplatten für die unterschiedlichsten Schutzklassen hergestellt und mit vielfältigen Schutzaufbauten getestet. Da­ bei wurden die Keramikkacheln unter Verwendung von verschiede­ nen Klebern, unter anderem auch mit Klebefolien nach der DE 41 14 809 A1, mit der LIG-Platte verbunden. Auch hierbei zeigte sich, daß die Leistungsfähigkeit eines Verbundmaterials der er­ findungsgemäßen Bauart relativ gering durch Veränderungen (Ma­ terial, Klebedicke) infolge der verschiedenen Kleber beeinflußt wird.

Es wurden die verschiedenen Konfigurationen mit unterschiedli­ chen Munitionstypen in verschiedenen Kaliberbereichen, unter anderem mit 7,62 mm SmK, ·50 mm DM 13 und 14,5 mm B 32 (AP- Munition), mit vergleichbarer Weichkernmunition und Normsplit­ tern (FSP) bis 20 mm getestet. Beim Beschuß zeigte sich grund­ sätzlich, daß die Stützfunktion des erfindungsgemäßen Kunst­ harzpreßholzes für die Keramikkacheln mindestens genauso gut ist wie bei einer gleichdicken, optimierten und harten GFK- Platte. Die Multihitfähigkeit des neuen Verbundmaterials wurde jedoch deutlich verbessert. Man kann davon ausgehen, daß sich die zulässigen Trefferabstände gegenüber einem optimierten Keramik-GFK- und/oder Aramid-Verbund der üblichen und insoweit bekannten Bauart in etwa halbieren lassen.

Die erfindungsgemäße Stützschicht läßt sich weiterhin nicht nur als Stützplatte für eine Keramikschicht im Verbund verwenden, sondern sie ist auch sehr effektiv als Stützschicht hinter einem dünnen, hochharten Panzerstahlblech beziehungsweise als Schichtmaterial zwischen zwei Panzerstahlblechen.

Gemäß den Merkmalen der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, daß hinter der LIG-Platte eine dünne Kunststoff- oder Metall­ schicht zur Stabilisierung der rückwärtigen Seite des Kunst­ harzpreßholzes befestigt ist, um so ein Abplatzen des spröden Holzwerkstoffes zu vermeiden. Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft, wenn mit hohen Schock- bzw. Impaktbelastungen zu rechnen ist, wie es sich beispielsweise bei Weichkernmunition oder mit Normsplittern ergibt.

In Weiterbildung der Erfindung kann hinter der LIG-Platte auch eine Fangschicht aus Kunststoff oder Metallwerkstoffen angeord­ net sein, so daß eine Compositeplatte dieser Bauart als Einzel­ element im Panzerschutz eingesetzt werden kann.

Grundsätzlich gibt es für die Verwendung der LIG-Platte beim Panzerschutz keine Einschränkungen, das heißt, die Ergebnisse gelten sowohl für Schutzaufbauten, die nur aus einer Schutz­ platte (Composite) bestehen, als auch für Mischaufbauten aus Composite mit nachfolgender, dünner Wannenstruktur (Panzerstahl oder Aluminium), wobei die Compositeplatten direkt auf dem Wannenblech eines Panzerfahrzeuges aufgesetzt oder im Schott­ abstand befestigt sein können.

In der Zeichnung sind Beispiele der Erfindung dargestellt. Darin zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines mehrschichtigen Panzerschutz­ materials in vereinfachter Schnittdarstellung;

Fig. 2 das mehrschichtige Panzerschutzmaterial nach Fig. 1 mit Stabilisierungsschicht im Schnitt;

Fig. 3 das mehrschichtige Panzerschutzmaterial nach Fig. 1 mit einer Fangschicht im Schnitt;

Fig. 4 eine Panzerung mit nachgeschalteter Stütz­ schicht im Schnitt;

Fig. 5 eine Sandwichpanzerung mit Stützschicht im Schnitt;

Fig. 6 eine Panzerung mit nachgeschalteter Stütz­ schicht und Stabilisierungsschicht im Schnitt;

Fig. 7 die Panzerung nach Fig. 1 im Einsatz auf einem Fahrzeugwannen- oder Turmblech im Schnitt;

Fig. 8 eine Panzerung mit Stützschicht in Schottanord­ nung an einem Fahrzeugwannenblech im Schnitt.

Die Schnittdarstellung nach Fig. 1 zeigt ein mehrschichtiges Panzerschutzmaterial 13 mit einer Frontschicht 1 aus Metall oder Keramik. Unter Zwischenfügung einer Klebeschicht oder Klebefolie 5 ist an der rückwärtigen Seite der Frontschicht 1 die Stützschicht 2 aus einem Kunstharzpreßholz (sogenannte LIG- Platte) befestigt. Die Stützschicht 2 Kunstharzpreßholz ist aus kreuzgeschichteten Buchenholzfurnieren gebildet, hochverdichtet und im Vakuumverfahren zusätzlich mit Phenolharz imprägniert. Auf die der Stützschicht 2 gegenüberliegende Seite ist auf der Frontschicht 1 wiederum unter Zwischenfügung einer Klebeschicht oder Klebefolie 4 eine Deckschicht 3 befestigt. Diese Deck­ schicht 3 ist dem gemäß Pfeilrichtung 14 anfliegenden Geschoß zugewandt.

Die Frontschicht 1 hat in dem gezeigten Beispiel eine Dicke zwischen sechs und acht Millimeter, während die Stützschicht 2 etwa sechs Millimeter stark ist. Die vordere Deckschicht 3 hat eine Dicke von etwa einem bis zwei Millimeter. Die Klebeschich­ ten 4 und 5 sind etwa 0,3 Millimeter dick.

Ein auf die Frontschicht 1, die beispielsweise aus Keramik besteht, auftreffendes Geschoß (Hartkerngeschoß) durchdringt die Deckschicht 3 und auch die Frontschicht 1, wobei sich die harte Stützschicht 2 (LIG-Platte) nicht durchbiegt. Das bedeu­ tet, daß das Geschoß auch diese Stützschicht 2 durchdringen muß. Durch die hartgestützte Frontschicht 1 erfolgt neben einer ersten wirkungsvollen Energievernichtung des Geschosses auch ein Zerbrechen des Hartkerns oder zumindest ein Abtragen der Geschoßspitze. Da die Stützschicht 2 nur im direkten Impaktbe­ reich durchdrungen wird und nicht weiter reißt oder zersplit­ tert oder abblättert, wird auch die Frontschicht 1 vorteilhaft gestützt. Dadurch werden größere Einschußkrater oder mehrere nebeneinanderliegende Einschußkrater vermieden, so daß nachfol­ gende Splitter oder abgesprengte Geschoßteile die Panzerung nicht durchdringen können.

In dem Beispiel nach Fig. 2 ist das mehrschichtige Panzer­ schutzmaterial 13 durch eine Stabilisierungsschicht 7 hinter der Stützschicht 2 ergänzt. Die Stabilisierungsschicht 7 ist wieder durch eine Klebeschicht 6 mit der Stützschicht 2 fest verbunden und dient dem Zweck, ein Abplatzen des spröden Holz­ werkstoffes weitgehend zu vermeiden. Die Stabilisierungsschicht 7 besteht aus einem Kunststoff oder aus Metall. Mit dieser ein­ fachen Zusatzmaßnahme wird die Stützschicht 2 wirkungsvoll ge­ rade bei einem Beschuß von Weichkernmunition oder beim Auftref­ fen von Normsplittern unterstützt.

Das mehrschichtige Panzerschutzmaterial nach Fig. 3 ist gegen­ über dem Aufbau nach Fig. 1 durch eine Fangschicht 8 ergänzt, die unter Zwischenfügung einer Klebeschicht 6 mit der Rückseite der Stützschicht 2 fest verbunden ist. Diese Fangschicht 8 be­ steht wahlweise aus einem Kunststoff oder aus Metall und ist grundsätzlich weicher als die sehr harte Stützschicht 2. Bei einem Auftreffen eines Hartkerngeschosses auf das Panzerschutz­ material 13 aus der Pfeilrichtung 14 wird die Frontschicht 1 und auch die Stützschicht 2 durchdrungen. In der nachgeschalte­ ten Fangschicht 8 wird das bereits abgebremste Geschoß aufge­ fangen. Dieses Auffangen ist durch eine partielle Verformung der Fangschicht 8 sichtbar.

Während in den Fig. 1 bis 3 die Frontschicht 1 aus Keramik­ kacheln 15 gebildet wurde, besteht die Frontschicht 1 nach Fig. 4 aus Panzerstahlblech 9, das mittels der Klebeschicht oder Klebefolie 5 mit der rückseitig nachgeschalteten Stütz­ schicht 2 fest verbunden ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere Kombination eines Aufbaus des mehr­ schichtigen Panzerschutzmaterials 13. Auf die Rückseite des Verbundes aus Frontschicht 1 (9) und Stützschicht 2 gemäß Fig. 5 ist eine weitere Panzerstahlplatte 10 mittels der Klebe­ schicht 6 befestigt. Die beiden Panzerstahlplatten 9 und 10 können wahlweise von gleicher oder unterschiedlicher Dicke sein, was sich aus den erwarteten Verhältnissen/Bedrohungen für den Fachmann ergibt.

Die Fig. 6 offenbart wieder den Einsatz einer Stabilisierungs­ schicht 7 hinter der Stützschicht 2 bei einer Frontschicht 1 aus Panzerstahlblech 9.

Die Funktionen bei den in den Fig. 4 bis 6 gezeigten Panzer­ schutzmaterialien 1 entsprechen den Erläuterungen zu den Fig. 1 bis 3. Der wesentliche Unterschied besteht lediglich in der Wahl von unterschiedlichen Materialien für die Frontschicht 1, die von dem Fachmann aufgrund unterschiedlicher Kriterien, beispielsweise Bedrohung, Gewicht, Wirtschaftlichkeit und der­ gleichen ausgewählt werden.

Eine spezielle Anwendung eines mehrschichtigen Panzerschutzma­ terials 13 offenbart Fig. 7. Das Panzerschutzmaterial 13 hat hier den Aufbau nach Fig. 1 mit der Deckschicht 3, der Front­ schicht 1 aus Keramikkacheln 15 und der Stützschicht 2 aus Kunstharzpreßholz. Zwischen den einzelnen Schichten des Ver­ bundes sind jeweils Klebefolien oder Klebeschichten 4 und 5 eingesetzt. Die Stützschicht 2 ist mit ihrer Rückseite auf ein Fahrzeugwannenblech 11 oder ein Turmblech eines gepanzerten Fahrzeuges durch mechanische Mittel, beispielsweise Schrauben oder dergleichen befestigt. Statt der zeichnerisch dargestell­ ten Frontschicht 1 aus Keramikkacheln 15 ist natürlich auch ein Panzerstahlblech 9 nach den Fig. 4 bis 6 einsetzbar. Ferner sind alle übrigen Bauweisen eines Panzerschutzmaterials 13 nach den Fig. 2 bis 6 vor das Fahrzeugwannenblech 11 oder das Turmblech baubar. Lediglich die Bauweise nach Fig. 3 mit der eingesetzten Fangschicht 8 eignet sich nicht oder nur schlecht für den Anbau an das Fahrzeugwannen- oder Turmblech 11.

Wenn eine Schottanordnung gemäß Fig. 8 vorgesehen ist, dann kann ein mehrschichtiges Panzerschutzmaterial 13 nach den Fig. 2, 5 und 6 herangezogen werden, die alle nach der Stütz­ schicht 2 noch eine Stabilisierungsschicht 7 oder eine Panzer­ stahlplatte 10 aufweisen. Zwischen der letzten Stabilisierungs­ schicht 7 oder der Panzerstahlplatte 10 ist ein Abstandshalter 12 eingefügt, der sich auf dem Fahrzeugwannen- oder Turmblech 11 abstützt.

Claims (10)

1. Mehrschichtiges Panzerschutzmaterial aus einer wahlweise ein- oder vielstückigen, keramischen oder metallischen Front­ schicht und einer dieser nachgeschalteten harten Stützschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht (2) aus einem Kunstharzpreßholz gebildet ist.

2. Panzerschutzmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharzpreßholz (Stützschicht 2) aus längs-, kreuz-, sternförmig oder dergleichen geschichteten Holzfurnieren gebil­ det ist, die mit härtbaren Kunstharzen unter Druck und Wärme verbunden sind.

3. Panzerschutzmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharzpreßholz (Stützschicht 2) im Vakuumverfahren mit Harz imprägniert ist.

4. Panzerschutzmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontschicht (1) mit der Stützschicht (2) mechanisch, chemisch oder dergleichen, insbesondere durch Klebemittel (4, 5, 6) fest verbunden ist.

5. Panzerschutzmaterial nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Frontschicht (1) eine Abdeckschicht (3) aus Gummi, Metall oder Kunststoff mittels Klebemittel (4) fest aufgebracht ist.

6. Panzerschutzmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützschicht (2) eine weitere Schicht (7, 8) auf der der Frontschicht (1) abgewandten Seite durch geeignete Bindemittel (6) fest zugeordnet ist.

7. Panzerschutzmaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (7, 8) aus einem metallischen oder nicht-metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Panzer­ stahlblech, einem Duralwerkstoff, einer Titanlegierung, einem GFK, einem Aramidlaminat oder dergleichen gebildet ist.

8. Verwendung eines mehrschichtigen Panzerschutzmaterials nach den vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß es wahlweise direkt oder im Abstand (Schott) zu einem Wannen- oder Turmgehäuseblech (11) eines gepanzerten Fahrzeugs befestigt ist.

9. Verwendung eines mehrschichtigen Panzerschutzmaterials nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es direkt oder im Abstand (Schott) an einem ungepanzerten Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug befestigt ist.

10. Verwendung eines mehrschichtigen Panzerschutzmaterials nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es innerhalb der Grundpanzerung eines gepanzerten Fahrzeugs integriert ist.