DE19831725C1 - Panzerplatte für Fluggeräte und Verfahren zur Herstellung einer Panzerplatte - Google Patents
Panzerplatte für Fluggeräte und Verfahren zur Herstellung einer PanzerplatteInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Panzerplatte für Fluggeräte, mit einer
Keramik-Kohlefaserverbundschicht, die aus einem Harz gefertigt ist, das mit
Kurzfasern aus Kohle angereichert ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer
derartigen Panzerplatte.
Die Panzerung von Flugkörpern, wie beispielsweise Hubschraubern, ist ein
wichtiger Sicherheitsfaktor und eine Notwendigkeit zum Schutz von Piloten und
Passagieren vor Geschossen und umherfliegender Debris. Das Gewicht der
Panzerung hat einen bedeutenden Einfluß auf die Sicherheit und das
Abfluggewicht des Hubschraubers. In den letzten Jahrzehnten sind große
Anstrengungen gemacht worden, um mit Hilfe der Faserverbundtechnik
Leichtbaupanzerplatten zu entwickeln.
Bekannte Panzerplatten haben einen Aufbau aus einer dünnen Kunststoffschicht,
einer harten Kohle-Keramik-Verbundstruktur und einer Glas- oder Kevlar- Harz-
Schicht als Geschoßfangstruktur. Die harte Kohle-Keramik-Schicht dient dazu,
ein auftreffendes Geschoß abzuplatten oder zu zerlegen, wobei die Härte der
Schicht von besonderer Bedeutung ist. Weiterhin muß eine hohe
Energieaufnahme durch die Schicht gewährleistet sein. Da Keramik als Werkstoff
sehr spröde ist, werden Kohlefasern im Harz schichtweise gebunden, um die
Energieaufnahme der Schichten zu erhöhen. Anschließend wird der Kohlefaser-
Harz-Verbund bei hoher Temperatur karbonisiert und danach mit Siliziumcarbid
versintert. In "Fortschrittsberichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft-
Fertigkeitsseminar über Keramische (Verbund-) Werkstoffe, 29 und 30.
September 1994 in Wien (A)" ist eine derartige Leichtgewichtstruktur aus
Kurzfaserverstärkter Keramik beschrieben, die auch zur Panzerung geeignet ist.
Die bekannten Keramikstrukturen werden jedoch erheblich beschädigt, wenn
schnellfliegende Geschosse bzw. umherfliegender Debris auftrifft. Dieses
Schadensverhalten der bekannten Panzerplatten führt dazu, daß bei einer
gegebenen Geschoßsituation Panzerplatten mit einem hohen Gewicht
erforderlich sind. Das heißt, daß ein wirksamer Schutz vor Geschossen erst bei
einem sehr hohen Flächengewicht ermöglicht wird.
Beispielsweise ist bei Geschossen mit 7,62 mm und einer Geschwindigkeit von
ca. 800 m/sec eine Panzerplatte notwendig, die ein Gewicht von mindestens 30
kg/m2 aufweist.
In "Shock and Impact on Structures, Computational Mechanics Publications,
Southampton, UK and Boston, USA; Editors: C. A. Brebbia; V. Sanchez- Calvez,
1994", sind die üblichen Schäden beschrieben, die bei Keramikstrukturen durch
schnellfliegende Geschosse verursacht werden. An dem Auftreffpunkt ergeben
sich domförmig ausgebildete Risse, bzw. cone cracks (Hertz'scher Bruchkegel),
sowie sogenannte radial cracks, median-vent cracks, lateral cracks und eine
Zerrüttungszone unterhalb des Auftreffpunkts des Geschosses (siehe Fig. 2).
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Panzerplatte zu
schaffen, die ein verbessertes Schadensbild aufweist, einen erhöhten Schutz vor
Geschossen oder Debris bietet bzw. eine leichtere Bauweise ermöglicht.
Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Panzerplatte
angegeben werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Panzerplatte für Flugkörper gemäß
Patentanspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung einer Panzerplatte für
Flugkörper gemäß Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte
und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und den
Figuren.
Die erfindungsgemäße Panzerplatte für Flugkörper umfaßt eine Keramik-
Kohlefaserverbundschicht, die aus einem mit Kurzfasern aus Kohle
angereicherten Harz gefertigt ist, wobei die Keramik-Kohlefaserverbundschicht
weitere Kohlefasern enthält, die länger sind als die Kurzfasern und räumlich
wahllos verteilt oder in Form eines Gewebes angeordnet sind. Durch die
Anordnung der verschiedenen Fasern werden die Keramikeigenschaften nach der
Sinterung erheblich verbessert. Die Keramikschicht hat eine große Härte bei
hoher Zugfestigkeit und hoher Energieaufnahmekapazität. Dadurch kann die
Dicke der Panzerung und somit das Gewicht erheblich reduziert werden.
Bevorzugt bilden die weiteren Kohlefasern ein 2D- oder 3D-Gewebe oder eine
Schlingenstruktur. Vorteilhafterweise sind die Kurzfasern hoch- oder
ultrahochmodulig und die weiteren Kohlefasern sind bevorzugt hochdehnfähig.
Die Kurzfasern können ein Elastizitätsmodul von ca. 500.000 bis 900.000
N/mm2, eine Zugfestigkeit von ca. 3000 N/mm2 und/oder eine Druckfestigkeit
von ca. 400 bis 1000 N/mm2 aufweisen. Die weiteren Kohlefasern können einen
Elastizitätsmodul von ca. 350.000 N/mm2, eine Zugfestigkeit von ca. 5000
N/mm2 und/oder eine Druckfestigkeit von ca. 3000 N/mm2 aufweisen. Dadurch
ergibt sich eine besonders hohe Zugfestigkeit und Energieaufnahme der Keramik.
Die Kurzfasern sind bevorzugt wahllos in allen Orientierungen angeordnet.
Hierdurch wird die Zufestigkeit noch weiter erhöht. Vorzugsweise ist die
Keramik-Kohlefaserverbundschicht mit Siliziumcarbid versintert, was eine
besondere Härte zur Folge hat. Die Panzerplatte kann an ihrer Vorderseite eine
elastische Kunststoffschicht haben und auf ihrer Rückseite kann eine
Fangschicht aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus einem Faser-
Gummiverbundwerkstoff ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Panzerplatte umfaßt die
Schritte:
- a) Anreichern eines Harzes mit Kurzfasern aus Kohle;
- b) Einbringen weiterer Kohlefasern in das Harz, die länger sind als die Kurzfasern, so daß die weiteren Kohlefasern räumlich wahllos verteilt oder in Form eines Gewebes angeordnet werden;
- c) Karbonisieren und anschließendes Versintern des Harzes mit Fasern.
Durch das Verfahren wird eine Panzerplatte in Leichtbauweise geschaffen, die
einen erhöhten Schutz vor Geschossen oder Debris bei verringertem Gewicht
bietet.
Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in
denen
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Panzerplatte zeigt;
Fig. 2 die üblichen Schäden zeigt, wie sie bei herkömmlichen
Keramikstrukturen gemäß dem Stand der Technik durch
schnellfliegende Geschosse verursacht werden.
Die in Fig. 1 gezeigte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Panzerplatte hat eine Keramik-Kohlefaserverbundschicht 1, die aus einem
Phenolharz 3 besteht, in das räumlich ausgerichtete hoch- oder
ultrahochmodulige geschnetzelte Kurzfasern 2 aus Kohle eingebracht sind.
Zusätzlich befinden sich weitere Kohlefasern 4, die eine Schlingenstruktur bilden,
in dem Harz 3. Die weiteren Kohlefasern 4 sind länger als die Kohle-Kurzfasern 2
und verlaufen dreidimensional mäander- bzw. schlingenartig in dem mit den
Kurzfasern 2 angereicherten Harz 3. Der Verbund ist bei hoher Temperatur
karbonisiert und bei hoher Temperatur und hohem Druck mit Siliziumcarbid
versintert.
Die Kurzfasern 2 sind sogenannte hochmodulige bzw. ultrahochmodulige
Kohlefasern. Sie habe einen Elastizitätsmodul von 500.000 bis 900.000 N/mm2
und eine Festigkeit von σZug ≅ 3000 N/mm2 bzw. σDruck ≅ 400 bis 1000 N/mm2.
Die längeren Kohlefasern 4, die anstatt schlingenartig auch gewebeartig im Harz
angeordnet sein können, sind sogenannte hochdehnfähige Kohlefasern. Sie
haben einen Elastizitätsmodul von 350.000 N/mm2 und eine Festigkeit von σZug
≅ 5000 N/mm2 bzw. σDruck ≅ 3000 N/mm2. Dabei sind alle Werte Faserwerte,
die auf 100 Vol-% bezogen sind. Die Druckfestigkeiten sind theoretische Werte,
die nur im Verbund realisierbar sind.
Die hier als bevorzugte Ausführungsform beschriebene Panzerplatte hat auf ihrer
Vorderseite eine dünne, elastische Kunststoffschicht 5 und auf ihrer Rückseite
ein Glas- oder Keflar- Kunststoff-Fangschicht 6. Geschosse oder Teilchen, die
beim Auftreffen durch die harte Kohlefaserverbundschicht 1 abgeplattet bzw.
zerlegt werden und diese dennoch durchdringen, werden in der Fangschicht 6
aufgenommen.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Panzerplatte werden zunächst
Kohlefasern zu Kurzfasern geschnetzelt und in Phenolharz suspendiert. Dabei
werden die Kurzfasern 2 wahllos in allen Orientierungen angeordnet. Die
Kurzfasern 2 haben eine Länge von ca. 2-3 mm. Anschließend werden die
weiteren Kohlefasern 4 in das Phenolharz 3 eingebracht, die eine Länge von
einem Vielfachen der Länge der Kurzfasern 2 aufweisen. Die längeren Fasern 4
werden im Harz in räumlich verlaufenden Schlingen ausgelegt. Alternativ dazu
kann auch ein Gewebe aus den weiteren Kohlefasern 4 in das Harz eingebracht
bzw. mit dem Harz 3 getränkt werden. In diesem Fall ist das Gewebe
dreidimensional verwirkt bzw. verwoben. Die Länge der weiteren Kohlefasern 4
ist größer als 7 mm und nach oben hin nicht begrenzt.
Bei einer Temperatur von ca. 180°C wird das die Fasern 2, 4 enthaltende Harz 3
verpreßt und bei ca. 1000°C karbonisiert. Der sich daraus ergebende poröse
Vollkörper wird bei einer Temperatur von größer als etwa 1500°C mit Silizium
infiltriert und bei ca. 1900°C zu SiC karbonisiert.
Der sich ergebende Werkstoff hat eine außerordentlich hohe Härte bei großer
Zugfestigkeit und hoher Elastizität. Insbesondere durch die Einlagerung von
hochmoduligen und ultrahochmoduligen Kohlefasern ist die an sich geringe
Zugfestigkeit von Keramikwerkstoffen erheblich erhöht. Gleichzeitig ist die
geringe Energieaufnahme bekannter Keramikwerkstoffe durch die räumliche
Anordnung von hochdehnfähigen Kohlefasern ebenfalls stark erhöht. Durch diese
Hybridkohlekeramikstruktur ergeben sich wesentlich verbesserte
Schädigungseigenschaften und somit ein erhöhter Schutz vor Geschossen und
umherfliegenden Teilchen.
Zur Verdeutlichung sind in Fig. 2 die Schadensarten herkömmlicher
Keramikwerkstoffe dargestellt, die sich beim Auftreffen schnellfliegender
Geschosse ergeben. Sogenannte cone cracks bzw. Risse sind domartig über
einer Zerrüttungszone (comminuted zone) ausgebildet. An der Oberfläche sind
vorwiegend lateral cracks bzw. laterale Risse angeordnet und zwischen den cone
cracks erstrecken sich radial cracks und median-vent cracks. Die um die
Zerrüttungszone herum angeordneten Risse sind sehr lang und werden durch
Zugbeanspruchung ausgelöst. Die Zerrüttungszone entsteht durch Druck. Durch
die Keramik-Kohlefaserverbundschicht 1 der vorliegenden Erfindung mit den
oben beschriebenen erheblich verbesserten Materialeigenschaften in Bezug auf
Festigkeit und Elastizität wird das Schadensbild erheblich verbessert. Durch die
erhöhte Festigkeit werden die Risse vermieden bzw. reduziert und durch die
erhöhte Elastizität aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung hochdehnfähiger
Kohlefasern wird die Energie auftreffender Geschosse besser absorbiert. Bei
gleicher Geschoßsituation bzw. gleichen Sicherheitsanforderungen ergeben sich
Panzerplatten mit verringertem Gewicht.
Claims (12)
1. Panzerplatte für Flugkörper, mit einer Keramik-
Kohlefaserverbundschicht (1), die aus einem Harz (3) gefertigt ist,
das mit Kurzfasern (2) aus Kohle angereichert ist, dadurch
gekennzeichnet, daß
die Keramik-Kohlefaserverbundschicht (1) weitere Kohlefasern (4)
enthält, die länger sind als die Kurzfasern (2) und räumlich wahllos
verteilt oder in Form eines Gewebes angeordnet sind.
2. Panzerplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
weiteren Kohlefasern (4) ein 3D-Gewebe oder eine
Schlingenstruktur bilden.
3. Panzerplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kurzfasern (2) hoch- oder ultrahochmodulig und die
weiteren Kohlefasern (4) hochfest oder hochdehnfähig sind.
4. Panzerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kurzfasern (2) einen Elastizitätsmodul
von ca. 500.000 bis 900.000 N/mm2, eine Zugfestigkeit von ca.
3000 N/mm2 und eine Druckfestigkeit von ca. 400 bis 1000 N/mm2
aufweisen.
5. Panzerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die weiteren Kohlefasern (4) einen
Elastizitätsmodul von ca. 350.000 N/mm2, eine Zugfestigkeit von
ca. 5000 N/mm2 und eine Druckfestigkeit von ca. 3000 N/mm2
aufweisen.
6. Panzerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kurzfasern (2) wahllos in allen
Orientierungen angeordnet sind.
7. Panzerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Keramik-Kohlefaserverbundschicht (1)
mit Siliziumcarbid versintert ist.
8. Panzerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
weiterhin gekennzeichnet durch eine elastische
Kunststoffschicht (5) auf ihrer Vorderseite und/oder eine
Fangschicht (6) aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus Faser-
Gummiverbundwerkstoff auf ihrer Rückseite.
9. Verfahren zur Herstellung einer Panzerplatte für Flugkörper,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- a) Anreichern eines Harzes (3) mit Kurzfasern (2) aus Kohle;
- b) Einbringen weiterer Kohlefasern (4), die länger sind als die Kurzfasern (2), so daß die weiteren Kohlefasern (4) räumlich wahllos verteilt oder in Form eines Gewebes angeordnet werden;
- c) Karbonisieren und anschließendes Versintern des Harzes (3).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
weiteren Kohlefasern (4) schlingenartig in das Harz (3) eingebracht
werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
weiteren Kohlefasern (4) als Gewebe vorliegen und mit dem Harz
(3) getränkt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kurzfasern (2) auf eine Länge von
maximal 1 cm, bevorzugt 2 bis 3 mm, geschnetzelt werden und
richtungslos in das Harz (3) eingebracht werden.
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