DE20202223U1

DE20202223U1 - Abplatzsichere Glaskonstruktion

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Publication number: DE20202223U1
Application number: DE20202223U
Authority: DE
Original assignee: AGP Europe GmbH
Current assignee: AGP Europe GmbH
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2012-02-14

Description

Offenbart werden Verglasungskonstruktionen im Querschnitt und das zugehörige Konzept für ballistische Panzerverglasung mit verbesserter Abplatzsicherheit und verbesserten ballistischen Eigenschaften. Diese Konstruktionen weisen eine oder mehr als eine auf chemischem Wege mit höherer Festigkeit ausgeführte Glasschicht auf, bei der es sich um Natronkalk, Borosilikat oder Alumosilikat handeln kann. Eine solche chemisch verfestigte Glasschicht wird mit einem geeigneten Eigenspannungsprofil hergestellt, das den Effekt der Splitterausschleuderung im Falle eines ballistischen Aufpralls verhindert oder begrenzt und das ballistische Gesamtverhalten der Verglasung verbessert.

Bremen ■ Osnabrück · München ■ Nürnberg · Gera ■ Augsburg · alicante

A. Gebiet der Erfindung

Die Hauptaufgabe von Panzerglaskonstruktionen ist die Bereitstellung von Schutz gegen Munition eines definierten Typs und definierter Energie-ZGeschwindigkeitseigenschaften. Die wichtigsten Anwendungen beinhalten Militär- und Zivilfahrzeuge, Geld- und Transitfahrzeuge, Schiffe, Luftfahrzeuge und Regierungsgebäude, wobei sämtliche dieser Konstruktionen entweder plan oder gekrümmt sein können. Diese Verglasungskonstruktionen müssen eine Reihe grundlegender funktionaler Anforderungen erfüllen wie a) Splitterbindung (Abplatzsicherheit), b) minimales Gewicht, c) minimale Dicke, d) optische Qualität (verzerrungsfrei), e) Restsichtfeld und f) hohe Kratz-/Abriebbeständigkeit Dauerhaftigkeit.

Die Anforderung nach Abplatzsicherheit ist kritisch, da die in den zu schützenden Innenraum geschleuderten Splitter eine so hohe Energie haben, dass sie normalerweise verheerender sind als sogar das Geschoss bzw. die Kugel selbst. Der obigen Vorgabe entsprechend hat die Glasindustrie zwei grundlegende Wege entwickelt, um die schwerwiegenden Auswirkungen dieses Problems zu mindern: I) Einführen einer Polymerschicht, die an der hintersten Fläche der Panzerglaskonstruktion zum schützenden Raum weisend haftet, die verschiedene Schwierigkeiten bei den Herstellungsprozessen, im optischen Verhalten (Verzerrung und Doppelseheffekt) und bei der Kratzfestigkeit der Panzerglaskonstruktion mit sich bringt, und II) eine mehrlagige Glas- und Kunststoffkonstruktion mit größerer Dicke (im Allgemeinen doppelt so dick wie die wirksamsten unter I) verfügbaren Zusammensetzungen. Durch Erhöhen der Gesamtdicke der Panzerglaskonstruktion wird der Bruch der letzten Glasschicht verhindert, da die gesamte Energie von den davor liegenden Schichten absorbiert wird. Die Hauptschwäche dieser Lösung ist eine sehr schwere, dickere und weniger funktionale Konstruktion, weshalb sich diese Lösung gegenwärtig nicht auf dem Markt durchgesetzt hat.

Diese Erfindung behandelt neue und verbesserte Querschnitte auf Basis eines oder mehrerer dünner chemisch verfestigter Gläser, um die Splitterschutzeigenschaften zu verbessern, das ballistische Verhalten der Verglasung zu optimieren, die Lebensdauer des Produkts zu verlängern und eine deutliche Verringerung der Komplexität der derzeitigen Herstellungstechniken zu erzielen, was sich schließlich in niedrigeren Produktionskosten auswirkt.

B. Beschreibung des Standes der Technik

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Es ist bekannt, dass das Ausschleudern von Splittern aus Panzerglas aufgrund eines ballistischen Aufpralls ein schwerwiegendes Problem ist, da dadurch die durch die Verglasung selbst geschützten Personen möglicherweise Verletzungen erleiden. Splitter werden aufgrund des ballistischen Aufpralls ausgeschleudert, da sich nach dem Bruch der Glasschicht, die nicht zur Aufprallseite weist, Glasfragmente aus dieser Schicht lösen können, die immer noch eine ausreichend hohe kinetische Energie haben, um in den Innenraum geschleudert zu werden (Terminologie siehe Fig. 1).

Fig. 1 - Glossar eines ballistischen Aufpralls auf eine Panzerverglasung; mit:

1=Glas
2=PVB
6=Glassplitter

7=Aluminiumfolie zum Vergleich
8=Geschoss

10=Panzerverglasung.

Deshalb können selbst dann, wenn das den ballistischen Aufprall verursachende Objekt (ein Geschoss bei schusssicherer Verglasung oder ein beliebiges massives Objekt, das absichtlich oder unbeabsichtigt gegen die Verglasung geschleudert wird) die Verglasung nicht durchbrochen hat und in den zu schützenden Raum eingedrungen ist, die als Ergebnis des Aufpralls entstandenen Splitter potentiell sehr gefährlich sein. Um dieses Problem zu vermeiden, sind für Anwendungen von Panzerglas mehrere Lösungen eingesetzt worden, die sämtlich auf dem Austausch der Innenschicht der Verglasungskonstruktion gegen ein Polymermaterial basieren, bei dem es sich um eine dicke Schicht (normalerweise Polycarbonat) oder in anderen Ausführungsformen um eine Kunststofffolie (Polyethylenterephthalat - PET) handeln kann, wobei diese in jedem Fall mit dem Querschnitt aus Hauptglasschichten laminiert wird. Diese Lösung beseitigt das Abplatzproblem, da sie verhindert, dass Splitter aus der Innenseite der Verglasung ausgeschleudert werden. Selbst wenn diese Lösung, was die Splitterbindung betrifft, wirksam ist, entstehen aufgrund der Kunststoff-/Polymerbeschaffenheit der Innenschicht des Panzerglasquerschnitts andere Probleme. Optische, mechanische Probleme und Probleme der chemischen Verträglichkeit ergeben sich aufgrund der physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Kunststoff-Innenschichten. Den wirksamsten Schutz gegen das Ausschleudern von Splittern bietet Polycarbonat, da dieses Material eine hohe Schlagfestigkfft .hat, u.rjd ..es..ist ..die., arn. häufigsten, verwendete Lösung für

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• · t t

Panzerglasanwendungen. Dessen ungeachtet ist Polycarbonat sehr empfindlich gegen Verkratzen und Abriebeffekte, und wenn es nicht geeignet beschichtet wird, wird es in sehr kurzer Zeit durch Kratzer und Abrieb sowie durch Spannungshaarrissbildung, herbeigeführt durch den gekoppelten Mechanismus aus chemischem Angriff (durch Lösungsmittels und Chemikalien der Dicht- und Klebematerialien, die beim Zusammenbau der Verglasung verwendet werden) und Spannungskräften trübe. Seine Oberfläche kann nicht regeneriert werden, was bedeutet, dass stets eine Kratzschutzbeschichtung einbezogen werden muss, wenn Polycarbonat als Innenschicht von Panzerglas verwendet wird. Das andere Problem in Zusammenhang mit Polycarbonat ist seine ausgeprägte Empfindlichkeit gegen chemische Angriffe durch Mittel wie Lösungsmittel, Schmiermittel und zahlreiche Chemikalien. Dieser chemische Angriff gekoppelt mit mechanischen Spannungen erzeugt Haarrisse in der Polycarbonatoberfläche (Spannungshaarrissbildung). Ein weiteres Problem in Zusammenhang mit Polycarbonat ist auf die Differenz des Wärmedehnungskoeffizienten (thermal expansion coefficient TEC) zu dem von Glas (Polycarbonat-TEC = 7 &khgr; 10"⁵1/K; Natronkalkglas-TEC = 8,9 &khgr; 10' ⁶ 1/K bei Raumtemperatur) zurückzuführen; dies bedeutet, dass Laminierungsprozesse mit geeigneten Zwischenschichtmaterialien ausgeführt werden sollten, die die Differenzen im TEC der beiden Materialien ausgleichen und außerdem mit dem Polycarbonat chemisch verträglich sind (normalerweise werden Polyurethan-Zwischenschichten verwendet). Dieser letzte Punkt führt zu einem weiteren Problem, da normalerweise Glasschichten mit PVB (Polyvinylbutyral-Folie) laminiert werden, die im Allgemeinen eine von Polyurethan verschiedene Laminiertemperatur hat. Optische Probleme wie Bilderverzerrung und -verformung sowie Doppelbilder können sich durch die Notwendigkeit Polycarbonat als innere Splitterbindungsschicht zu verwenden ergeben und diese Probleme können u.a. bei Anwendungen als Panzerverglasung von Fahrzeugen sehr schwerwiegend sein.

Ähnliche mechanische, optische und - vielleicht in geringerem Maße - chemische Probleme ergeben sich durch die Verwendung von PET-Folien als innere Splitterbindungsschichten. Beschichtetes PET ist vielleicht weniger empfindlich gegen chemischen Angriff als Polycarbonat, aber sein ballistisches Verhalten und die Splitterbindung sind weit weniger wirksam als die von Polycarbonat und außerdem bringt die Verwendung von PET anstelle von Polycarbonat keinen Querschnittsvorteil (hinsichtlich Gewicht und Dicke). Ein anderes Problem, das alle Lösungen der Splitterbindung durch Polymere gemeinsam haben, ist, dass Umweltbedingungen wie ultraviolette Sonneneinstrahlung, Temperaturschwankungen^ und Wasserdampf aus der Atmosphäre

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ein Dauerhaftigkeitsproblem verursachen können, das zu einer erheblichen Verkürzung der Lebensdauer des Materials führen kann.

In jedem Fall muss bei Verwendung von Polycarbonat und/oder PET auf der Innenfläche des Polymers während des Fertigungsprozesses (Autoklavenzyklus) eine Puffer- oder Deckschicht normalerweise aus Natronkalkglas vorgesehen werden, um eine relativ hohe Ebenheit der Oberfläche des Polymers und eine gute optische Qualität zu erzielen, was jedoch andererseits durch das zusätzliche Glas höhere Rohmaterialkosten, längere

Biege- und Autoklavenprozesse und mehr Handarbeit bedeutet.
10

In der Patentliteratur finden sich einige Patente, die teilweise Lösungen für dieses Problem beanspruchen:

US-Patent Nr. 3,864,204 (Shorr, Litteil, 1975) und sein Anschluss-US-Patent Nr. 4,130,684 (Shorr, Littell, 1978).

Anwendungsgebiet: Schusssichere Panzerverglasung
Querschnittskonzept: Verbundelement mit einfacher Verglasung

Beansprucht wird bei dieser Konstruktion ein Dreischicht-Querschnittskonzept, nämlich:

Schlagaufprallschicht, Übergangsschicht und Schlagabsorptionsschicht.

Beansprucht wird Glas als innerste Schicht (Schlagabsorptionsschicht), um den Abplatzeffekt zu minimieren; aber es wird nur eine Glasschicht mit einer Dicke von 1,98 mm (2 mm) beansprucht und nicht einmal eine normale chemische Behandlung zur Erhöhung der Festigkeit erwähnt. Unser Patent kann als deutliche Verbesserung gegenüber diesen früheren Patenten gesehen werden, da es das Konzept der mehrlagigen schlagfesten Gläser (Abplatzschutzschicht) aus dünnen (< 1 mm) Gläsern mit spezieller chemischer Verfestigung einführt. Heutzutage ist sehr dünnes (unter 1 mm) Glas verfügbar und die Möglichkeiten der chemischen Verfestigung sind allgemein bekannt. Das Element, durch das sich unser Patent von diesen beiden unterscheidet, ist also die Anwendung einer speziell angepassten chemischen Verfestigung von Dünnglas, mit der das Problem der Abplatzsicherheit bei einer Panzerglaskonstruktion wirksamer gelöst wird.

US-Patent 4,312,903 (Molari, 1982)

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• «

Anwendungsgebiet: Schusssichere Panzerverglasung
Querschnittskonzept: Verbundelement mit Doppelverglasung

Dieses Patent ist seinen sämtlichen Teilen auf doppeltverglaste Strukturen zur Lösung des Abplatzproblems beschränkt. Selbst wenn teilweise dünnes Verbundglas (0,7 bis 5,1 mm) in Erwägung gezogen wird, so wird doch an keiner Stelle eine chemische Verfestigung erwähnt. Auch wegen der Doppelverglasungsstruktur ist es nahezu unmöglich oder zumindest kaum durchführbar, es für gekrümmte Panzerglas-Windschutzscheiben oder Seitenfenster in Erwägung zu ziehen, und außerdem bringt diese Lösung zahlreiche optische Probleme bei Anwendungen in gepanzerten Transportfahrzeugen mit sich.

US-Patent 4,595,624 (Greathead, 1986)
Anwendungsgebiet: Laminierte Sicherheitsverglasung
Querschnittskonzept: Verbundelement mit einfacher Verglasung

Das US-Patent 4595624 spricht von chemisch verfestigtem Glas als Festigkeitselement sowie von der Fähigkeit, das Problem des Abplatzens zu verringern; allerdings sind einige Punkte zu beachten:

Dieses Patent betrifft die Sicherheitsverglasung für Überfallanwendungen und alle Beispiele und Ausführungsformen beziehen sich auf diese Art manueller Angriffe mittels Hammer, Spitzhacke, Brechstange, Mauerstein.

Die hinterste Glasschicht wird als dünnes chemisch vorgespanntes Glas beschrieben, das "resists spalling from rearmost surface when subjected to impact on the frontmost surface" (Abplatzen an der hintersten Oberfläche bei Schlagbelastung auf die vorderste Oberfläche standhält).

Unser Patent ist gegenüber diesem letztgenannten Dokument eine Verbesserung, da es das Konzept einer mehrlagigen hintersten Schicht mit speziell chemisch verfestigtem Dünnglas mit einer Dicke < 1 mm einführt; dies ist der Schlüssel zur Lösung des Abplatzproblems bei schusssicherer Panzerverglasung, während Patent 4595624 nur von einem generischen chemisch verfestigten Glass mit einer Dicke von 1,5 mm spricht.

In Anspruch 1 heißt es &ldquor;a rearmost glass layer no more than 2 mm thick ..&ldquor; (eine hinterste Glasschicht mit einer Dicke von höchstens 2 mm..), es ist also von einer Schicht die Rede. Außerdem wird beansprucht (immer noch Anspruch 1), dass dieses hinterste Glas

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&ldquor;resists spalling,, (Abplatzen standhält), was bedeutet, dass es nicht bricht, während wir einen Bruch dieser Schicht ohne Abplatzeffekt zulassen, was nur bei einer Dicke unter 1 mm und einem speziell angepassten Spannungsprofil möglich ist.

Schließlich wird nicht ganz klar, wie das Glas chemisch verfestigt werden soll, um einen ausgeprägten Abplatzeffekt zu verhindern (Dünnglas mit einer sehr tiefen Härtetiefe).

US-Patent 6,156,417 (Edwards, d'Hooghe, 2000)

Anwendungsgebiet: Einbruchssichere Verglasung (weder Panzerglas noch schusssicher) Querschnittskonzept: Leicht-Verbundelement mit einfacher Verglasung (Dicke < 6 mm)

Dieses Patent liegt außerhalb unseres spezifischen Anwendungsgebiets, selbst wenn die Anwendung von Dünnglas (0,7 bis 2 mm) erwähnt wird, da dies nur zur Gewichtsverringerung und nicht für gepanzerte schusssichere Anwendungen ohne Abplatzen dient.

Chemische Verfestigung wird überhaupt nicht erwähnt.

US-Patent 6,265,054 B1 (2001)
Anwendungsgebiet: Leicht-Verglasung für Kraftfahrzeuge Querschnittskonzept: Leicht-Verbundelement mit einfacher Verglasung (Dicke < 5 mm)

Auch in diesem Fall ist die Situation ähnlich wie im oben erörterten Patent 6,156,417. Hier wird sogar die Verwendung von Dünnglas (0,5 mm) erwogen, aber wieder zur Gewichtsverringerung und nicht für gepanzerte schusssichere Anwendungen ohne Abplatzen. Chemische Verfestigung wird nicht erwähnt.

Andere Patente wie DE 34 21 571, das sich auf US 5,496,643 (Von Alpen) bezieht, führen herkömmliche Querschnittskonzepte mit einer hintersten Schicht aus Polycarbonat ein, die mit einem von selbst ausheilenden Polymer beschichtet ist, bei der sich erneut Probleme hinsichtlich der Abriebfestigkeit, chemischen Beständigkeit und Verträglichkeit ergeben, während unsere Lösung auf Basis einer rein anorganischen (chemisch verfestigtes Glas) hintersten Schicht(en) dieses Problem beseitigt und außerdem Vorteile bezüglich des Problems der unterschiedlichen Wärmedehnung der Schichten bietet, die mit einer metallischen Zwischenfolie ausgeglichen werden sollte.

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• ·

Herkömmliche Fertigungstechniken auf Basis getrennter Biege- und Laminierungsprozesse (wegen der Verwendung verschiedener Materialien für die Lagen und für die Kunststoff-Zwischenschichten) sind zeitaufwendig und ziemlich teuer; diese neue Lösung verbessert die Logistik und Wirtschaftlichkeit dieser Herstellungsprozesse, indem sie einige kritische Schritte sowie die Notwendigkeit einer zusätzlichen Abdeckschicht für das Polymer auf der Innenfläche beseitigt, wodurch die Rohmaterialkosten, Biege- und Autoklavenprozesse sowie Handarbeit verringert werden.

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung eine neue Lösung des Problems des Splitterschutzes bereitzustellen, ohne andere mechanische (Kratzer, Abrieb), chemische (Materialverträglichkeit) oder optische Probleme zu schaffen, und die Querschnittsauslegung hinsichtlich einer Verringerung des Gewichts (Masse pro Flächeneinheit) und der Dicke zu optimieren.

C. Zusammenfassung der Erfindung

Auf den Inhalt der Patentansprüche wird Bezug genommen.

Das dieser Erfindung zugrundeliegende Konzept ist, dass ein anorganisches, kratzfestes und chemisch inertes Material als Schutzschicht gegen das Ausschleudern von Splittern (splitterbindende oder abplatzsichere Schicht) zu verwenden ist. Gemäß dieser Erfindung ist Glas selbst das Material, das als die letzte Innenschicht einer Panzerverglasungskonstruktion zu verwenden ist. Der Grund hierfür ist, dass Glas eine Beständigkeit gegen Abrieb, Kratzer und Chemikalien hat, die der jedes Polymerkunststoffmaterials weit überlegen ist (siehe Tabelle 1).

Tabelle 1 - Abriebfestigkeit Vergleich der prozentualen Trübungszunahme
Abriebprüfung - Taber-Prüfgerät, 100 Zyklen

Unbeschich-tetes Polycarbonat	Beschich tetes Polycarbonat Martec®	Beschichte tes PET Spallshield®	Beschichtetes Polycarbonat HYZOD®	Glas
35%	2 - 4%	0,7%	0,8%	0,5%

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Obwohl die obige Tabelle einen erheblichen Unterschied zwischen Glas und jedem der aufgeführten Polymere zeigt, nimmt die Differenz noch deutlicher zu, wenn die Abriebprüfung nach Taber mit mehr als 100 Zyklen (500 und 1000) durchgeführt wird.

Es ist bekannt, dass thermisch abgeschrecktes Glas in kleine Fragmente zerbricht, was jedoch bei ballistischer Panzerverglasung keine gute Lösung als Schutz gegen Splitter ist, denn:

1. die Restsicht im zerbrochenen Zustand wird verhindert;

2. es kann nicht bis zu einer Dicke unter 2,5 mm voll abgeschreckt werden (bei diesen Dicken sind Splitter immer noch groß genug, Verletzungen herbeizuführen, wenn sie mit hoher kinetischer Energie ausgeschleudert werden).

Es ist bekannt, dass durch Ionenaustausch chemisch verfestigtes Glas im Vergleich zu thermisch abgeschrecktem eine weit überlegene Schlagfestigkeit hat, und der lonenaustauschprozess, bei dem es sich um einen Diffusionsprozess zwischen Oberflächen handelt, hat hinsichtlich der Glasdicke keinerlei Einschränkungen. Dies bedeutet, dass es möglich ist, sehr dünne Schichten (bis herunter zu einer Dicke von 0,03 mm) chemisch verfestigten Glases herzustellen mit:

1. hervorragender Schlagfestigkeit

2. hoher Biegefähigkeit ohne zu brechen.

3. Bei Bruch können die Restsicht und die Bruchfragmente so dimensioniert werden, dass das Ausschleudern großer Splitter vermieden wird (es werden nur winzige Fragmente und Pulver erzeugt).

Der chemische Verfestigungsprozess bewirkt im Glas ein Eigenspannungsprofil mit einer Verdichtungsschicht auf den Oberflächen und einem Spannungsbereich im Innern. Die Fragmentierung nach dem Bruch kann in gewissem Umfang gesteuert werden, indem die Parameter des lonenaustauschprozesses gesteuert werden, was in geeigneten Werten der Tiefe der Verdichtungsschicht (Härtetiefe Co), der Oberflächenverdichtung (Sr) und der zentralen Spannung (&tgr;) resultiert (siehe Fig. 2 a/b).

Fig. 2a - Eigenspannungsprofil eines dicken chemisch verfestigten Glases; mit:

S_R=Oberflächenverdichtung

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C_D=Härtetiefe

x=zentrale Spannung

t=Glasdicke

&sgr; (x)=Eigenspannungsprofil

Fig. 2b- Eigenspannungsprofil eines dünnen chemisch verfestigten Glases; mit:

S_R=Oberflächenverdichtung
C_D=Härtetiefe

x=zentrale Spannung

t=Glasdicke
&sgr; (x)=Eigenspannungsprofil

Die Leitgedanken bei der Verwendung von dünnem CS (chemically strengthened chemisch verfestigtem) Glas für Panzerglaskonstruktionen sind:

1. Verwendung von dünnem CS-Glas als Innenschicht, die zu äußerst kleinen Fragmenten zerbricht, die keine Verletzungen verursachen und nach dem Bruch noch eine Restsicht aufrechterhalten.

2. Verwendung eines Systems aus CS-Schichten als letzte Schichten einer Panzerverglasungskonstruktion, das ballistischen und Splitterschutz im geforderten Umfang bietet.

Der Schlüssel zur Erzielung der Ergebnisse ist die Möglichkeit, das Eigenspannungsprofil so anzupassen, dass die angestrebte Biege-/Schlagfestigkeit und das Fragmentierungsverhalten erzielt werden (siehe Fig. 2a,b). Die ursprüngliche Festigkeit des Glases, die Oberflächenverdichtung und die Härtetiefe steuern die Schlag-/Biegefestigkeit, während die Innenspannung und die Glasdicke das Fragmentierungsverhalten steuern. Nunmehr sei detaillierter auf den Effekt dünnen chemisch verfestigten Glases auf die Fragmentierung eingegangen. Normalerweise haben bei laminierter Verglasung die Glasschichten eine Mindestdicke von 2 - 2,5 mm. Unter 2 mm ist es nicht mehr möglich, ein Eigenspannungsprofil durch thermisches Abschrecken zu induzieren. Thermisches Abschrecken hat den Vorteil, eine Verdichtungsschicht von 20% der ursprünglichen Glasdicke zu induzieren, was in einer

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• 11 &igr; * * &idigr;&diams;*·. · · * &igr;

ziemlich hohen inneren zentralen Spannung resultiert, was wiederum hinreichend Energie zum Erzeugen winziger Fragmente beim Bruch des Glases bedeutet. Die Tiefe der Verdichtungsschicht in Natronkalk-Floatglas durch chemische Verfestigung mittels Ionenaustausch liegt typischerweise im Bereich von 10 pm bis 50 pm. Bei einer Verdichtungsschicht mit einer Tiefe von 30 pm bei einem 2 mm (2000 pm) dicken Glas beträgt das Verhältnis Verdichtungstiefe zu Dicke 1,5% und die resultierende Fragmentierung ist wegen der niedrigen inneren Spannung grob. Verringert man die Glasdicke auf 0,5 mm (500 pm), wird das Verhältnis Verdichtungstiefe zu Dicke 6%, und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Oberflächenverdichtung um mindestens das Dreifache (300 MPa) gegenüber der Oberflächenverdichtung eines thermisch abgeschreckten Glases (100 MPa) erhöht wird, ist ein Anstieg des inneren Spannungsniveaus zu erwarten, der bei Bruch des Glases zu kleinster Fragmentierung führt. In anderer Hinsicht gestattet die erhöhte Bruchfestigkeit (MOR) chemisch verfestigten Glases (250 MPa) im Vergleich zu thermisch abgeschrecktem Glas (150 MPa) eine weitgehende Verformung des chemisch verfestigten Glases ohne Bruch. Dieser Effekt der höheren inneren Spannung (der die winzige Fragmentierung bewirkt) kann wie folgt erklärt und beschrieben werden (siehe Fig. 2a und 2b): In Fig. 2a sei ein normal dickes chemisch verfestigtes Glas (3 mm = 3000 pm) mit einer Tiefe der Verdichtungsschicht von 30 pm angenommen. Der innere Teil des Glases (2940 pm) hat eine ziemlich niedrige Spannung und erzeugt bei Bruch große Fragmente. Nimmt man nun an, dass die Glasdicke auf 0,5 mm (500 pm) zusammengepresst wird (Fig. 2b), wird der Bereich mit innerer Spannung auf 500 - 60 = 440 pm gegenüber den ursprünglichen 2940 verringert, da der Verdichtungsteil des oberflächennahen Glases gleich bleibt (da der Ionenaustausch ein Diffusionsprozess zwischen Oberflächen ist). Damit wird die innere Spannung geändert bzw. erhöht, was in hohem Maße zur Erzeugung winziger Fragmente (bei Glasbruch) beiträgt.

Eine weitere Vorgehensweise gemäß dieser Erfindung ist die Einführung einer Kunststoffkernschicht, bei der es sich um ein beliebiges Polymer mit niedrigem oder hohem Modul von Polycarbonat, dickem (0,13 - 25 mm) PVB, dickem Polyurethan (0,13 - 25 mm), Polyethylenionomer, Acryl, EVA, Polyethylenterephthalat PET bis zu jeder beliebigen ionomeren Modifikation dieser Polymere wie Surlyn (Sentry GJas Plus) handeln kann, das in diesem Fall nicht durch Probleme der Oberflächenkratzer beeinflusst wird, als Absorptionsschicht für die Schlagenergie und als inneres (zum Innenraum weisend gemäß Fig. 3a und 3b), Verletzungen hinderndes System mit kontrollierter Splitterbildung, das aus einer dünnen chemisch verfestigten Glasschicht oder Schichten besteht, die in einem Beschichtungsprozess wie Siebdruck, CVD, PVD, Sputtern, Solgel-Behandlung,

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Lackierung oder Maskierung usw. behandelt werden können. Die verschiedenen Systeme werden dementsprechend für die jeweils erforderlichen verschiedenen ballistischen Schutzklassen verwendet.

Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept ist, dass der Querschnitt der Panzerverglasung in zwei Teile unterteilt werden sollte:

1. Zum Aufprall weisender vorderster Teil; dieser Teil hat die Aufgabe zu brechen oder die Kugel abzulenken und wirkt als erste Auffangkraft und besteht aus mehreren Lagen dicken (2 - 25 mm) entspannten Glases.

2. Zum schützenden Raum weisender hinterster Teil; dieser hat hauptsächlich die Aufgabe, die restliche Schlagenergie zu absorbieren, ohne dass Splitter in den Raum ausgeschleudert werden.

Wie sich leicht erkennen lässt, betrifft diese Erfindung den Teil B. des Querschnitts. Diese Erfindung beinhaltet auch die Möglichkeit der Unterteilung der chemisch verfestigten Glasoberfläche, um eine Restsicht nach dem Aufprall aufrechtzuerhalten. Da die chemische Verfestigung ein Diffusionsprozess zwischen Oberflächen ist, bedeutet dies, dass wir den Prozess in verschiedenen Zonen der Glasoberfläche in unterschiedlichen Graden ausführen können, um das Bruchmuster so zu steuern, dass die Restsicht nach dem Aufprall des Geschosses beibehalten wird (wie in Fig. 4) dargestellt.

Fig. 4 - induziertes Restsichtffeld nach dem Aufprall; mit:

20=ballistischer Aufprall

21=(gestrichelte Linien) Unterteilungen des/der chemisch verfestigten Glases/ Gläser (nicht sichtbar).

Es bestehen etliche ballistische Anforderungen auf Basis internationaler Normen wie:

Comite Europeen de Normalisation (EN - 1063), Underwriters Laboratory (UL - 752) und National Institute of Justice (NIJ - 0108.01).

Normalerweise werden diese Anforderungen durch ballistische Prüfungen bewertet, die in den obigen Normen beschrieben sind. Eine typische ballistische Prüfung (EN 1063)

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• ! &iacgr;

beschreibt alle erforderlichen Bedingungen für den ballistischen Angriff (Typ und Gewicht der Kugel, Kugelgeschwindigkeit, Anzahl der Einschläge (typischerweise 3) und Einschlagabstand, Einschlagpunkte - Trefferpunkte (normalerweise die Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks), Anzahl der Prüflinge (normalerweise sind 3 Prüflinge zu prüfen) und Vergleichs-Aluminiumfolie (0,02 mm Dicke, Dichte 54 g/m²)).

D. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Gemäß dieser Erfindung gibt es drei allgemein bevorzugte Ausführungsformen:

1. Einlagige chemisch verfestigte Verletzungen hindernde Konstruktion mit kontrollierter Splitterbildung (zum Innenraum weisend gemäß Fig. 3a) eines Panzerglasquerschnitts

Fig. 3a - Querschnittskonzept einer bevorzugten Ausführungsform - einlagiges dünnes chemisch verfestigtes Glas; mit:

1=Glas
2=PVB

3=dünnes chemisch verfestigtes Glas

11=vorderes Panzerglas Querschnitt
12=hintere abplatzsichere chemisch verfestigte Schicht.

Bei dieser Ausführungsform wird eine einzige dünne Glasschicht 3 im Querschnitt der Panzerverglasung als zum schützenden Raum weisende Außenschicht betrachtet. Diese Schicht hat eine Schlag-/Biegefestigkeit, die ausreicht, den geforderten Grad an ballistischem Schutz zu bieten. Die Schicht 3 wird mit einem chemischen Verfestigungsprozess so behandelt, dass ihre zentrale Spannung Splitter mit einem maximalen Gewicht von 0,5 g, die keine Verletzungen verursachen, freigibt. Das Dünnglas 3 kann mit einem Beschichtungsprozess wie Siebdruck, CVD, PVD, Sputtern, Solgel-Behandlung, Lackierung oder Maskierung usw. behandelt werden, um eine Restsicht durch die Panzerglaskonstruktion nach dem ersten und folgenden Schüssen auf Basis der vordefinierten ballistischen Klasse beizubehalten. Das einlagige Dünnglas 3 kann folgende Zusammensetzungen haben: Natronkalk, Borosilikat oder Alumosilikat oder deren Kombination.

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2. Mehrlagige chemisch verfestigtes Verletzungen hinderndes Dünnglassystem mit kontrollierter Splitterbildung (zum Innenraum weisend gemäß Fig. 3b) eines Panzerglasquerschnitts.

Fig. 3b - Querschnittskonzept einer bevorzugten Ausführungsform - Mehrlagensystem aus dünnem chemisch verfestigten Glas; mit:

1=Glas
2=PVB

3=dünnes CS-Glas
11=vorderes Panzerglas Querschnitt

13=abplatzsicheres mehrlagiges CS-Glas.

Bei dieser Ausführungsform wird ein System aus mehreren dünnen Glasschichten 3 im Querschnitt der Panzerverglasung als zum schützenden Raum weisende Außenschicht betrachtet. Jede Schicht 3 hat eine Schlag-/Biegefestigkeit, die ausreicht, den geforderten Grad an ballistischem Schutz zu bieten. Die eine oder die mehreren Schichten 3 werden mit einem chemischen Verfestigungsprozess so behandelt, dass das mehrlagige System Splitter mit einem maximalen Gewicht von 0,5 g, die keine Verletzungen verursachen, freigibt. Bei dieser Konstruktion kann eine oder mehrere Schichten mit einem Beschichtungsprozess wie Siebdruck, CVD, PVD, Sputtern, Solgel-Behandlung, Lackierung oder Maskierung usw. behandelt werden, um eine Restsicht durch die Panzerglaskonstruktion nach dem ersten und folgenden Schüssen auf Basis der vordefinierten ballistischen Klasse beizubehalten. Die Dünnglasschichten können folgende Zusammensetzungen haben: Natronkalk, Borosilikat oder Alumosilikat oder deren Kombination.

3. Ein- oder mehrlagige Konstruktion mit Verletzungen hindernder kontrollierter Splitterbildung (wie unter 1. und 2. beschrieben) gekoppelt mit einer polymeren Absorptionsschicht für die Schlagenergie (gemäß Fig. 3c)

Fig. 3c - Querschnittskonzept einer bevorzugten Ausführungsform - ein- oder mehrlagiges System aus dünnem chemisch verfestigtem Glas gekoppelt mit einer inneren Schlagenergie absorbierenden Kunststoffschicht; mit:

1=Glas

2=PVB

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3=CS-Glas
4=Urethan
5=Polycarbonat

11 =vorcleres Panzerglas Querschnitt
13=abplatzsicheres mehrlagiges CS-Glas

14=innere Schlagenergie absorbierende Schicht.

Bei dieser Ausführungsform wird ein System aus einer oder mehreren dünnen Glasschichten 3 im Querschnitt der Panzerverglasung gekoppelt mit einer energieabsorbierenden Zwischenschicht aus Kunststoff, die aus einer oder mehreren Lagen eines Polymermaterials bestehen kann, als zum schützenden Raum weisende Außenschicht betrachtet. Jede Schicht des Systems hat eine Schlag-/Biegefestigkeit, die ausreicht, den geforderten Grad an ballistischem Schutz zu bieten. Die zentrale Spannung der letzten zum Raum weisenden Lage ist so angepasst, dass sie Splitter mit einem maximalen Gewicht von 0,5 g, die keine Verletzungen verursachen, freigibt.

Die Entscheidung, ob ein einlagiges chemisch verfestigtes Glas oder ein mehrlagiges System gewählt wird, hängt vom geforderten Grad des ballistischen Schutzes und den Anforderungen hinsichtlich der aufrechtzuerhaltenden Restsicht durch die Panzerverglasung nach dem ersten und folgenden Einschüssen ab.

Der vorderste Abschnitt ist eine Konstruktion aus einer oder mehreren Lagen anorganischer Komponenten mit einer individuellen Dicke zwischen 0,03 und 25 mm.

Die eine oder die mehreren Schichten aus Polymer, die den hintersten Abschnitt (ein- oder mehrlagiges chemisch verfestigtes Glas) mit dem mittleren und dem vordersten Abschnitt verbinden, sollten eine Dicke von 0,13 bis zu 12 mm haben, und als Polymermaterial kommen in Frage: PVB (Polyvinylbutyral), Polyurethan, thermoplastisches Polyurethan, Polycarbonat, Acryl, EVA, Polyethylen, Terephthalat, Polyester (PET), Polyethylenionomer, Surlyn (Sentry Glas Plus), Acrylharz und jede ionomere Modifikation dieser Polymere.

Im Rahmen der möglichen Ausführungsformen sollte eine Verglasungskonstruktion vorgesehen werden, bei der Metallträgerschichten, Platten, Gitter oder Fasern an der Kante der Konstruktion zu Schutzzwecken innerhalb dieses Bereichs des Fensters angebracht werden können.

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Auch die Möglichkeit einer Doppel- oder Dreifachverglasungskonstruktion ist in Erwägung gezogen worden, und diese doppelten oder dreifachen Verglasungselemente aus einlagigem Glas können in einer nicht parallelen Konfiguration angeordnet werden, um die ballistischen Eigenschaften der Konstruktion zu verbessern.

E. Beispiele

Beispiel Nr. 1A- Ein typischer Querschnitt einer Panzerverglasung ist:
10

6 AG / 0,76 PVB / 6 AG / 0,76 PVB / 4 AG / 2,5 PU / 3 PC

Gesamtdicke = 22-23 mm

Beispiel Nr. 1B - Ein typischer Querschnitt einer Panzerverglasung ohne Schlagenergie absorbierende Schicht ist:

6 AG / 0,76 PVB / 6 AG / 0,76 PVB / 6 AG / 0,76 PVB / 6 AG / 0,76 PVB / 6 AG / 0,76 PVB / 6 AG / 0,76 PVB / 6 AG

Gesamtdicke = 45-46 mm

AG - entspanntes Glas
PVB - Polyvinylbutyral
PU - Polyurethan

PC - Polycarbonat

Alle Maße in Millimeter (mm). Diese Gläser (1A. und 1B.) sind bei einem standardisierten Versuchsbeschuss mit 3 Schüssen gemäß EN-1063 / B4 NS₁ (44 Magnum-Vollmetallmantelgeschoss - Aufprallenergie 1500 J) abplatzsicher. Diese Querschnitte können gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt werden mit:

5 AG / 0,76 PVB / 5 AG / 0,76 PVB / 5 AG / 3 SGP /1 CS / 0,76 PVB / 0,5 CS

SGP - Sentry Glas Plus® (Surlyn-Ionomer)

20020055

17
Gesamtdicke = 20-21 mm

Beispiel Nr. 2 - Ein weiterer typischer Querschnitt einer Panzerverglasung ist: 8 AG / 0,76 PVB / 9 AG / 0,76 PVB / 8 AG / 0,76 PVB / 8 AG / 2,5 PU / 2,5 PC

Gesamtdicke = 39-40 mm

AG - entspanntes Glas
PVB - Polyvinylbutyral

PU - Polyurethan
PC - Polycarbonat

Alle Maße in Millimeter (mm). Dieses Glas ist bei einem standardisierten Versuchsbeschuss mit 3 Schüssen gemäß EN-1063 / B6 NS, 7,62 NATO Vollmetallmantelgeschoss - Aufprallenergie 3400 J) abplatzsicher. Dieser Querschnitt kann gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt werden mit:

8 AG / 0,76 PVB IM AG I 0,76 PVB / 9 AG / 1,9 PU / 2,5 PC / 1,2 PU / 0,5 CS / 0,76 PVB/0,5 CS

Gesamtdicke = 37-38 mm

Beispiel Nr. 3 - Ein weiterer typischer Querschnitt einer Panzerverglasung ist:

6*[9 AG / 0,76 PVB] / 4 AG / 2,5 PU / 2,5 PC
Gesamtdicke = 72/73 mm

AG - entspanntes Glas

PVB - Polyvinylbutyral

PU - Polyurethan

PC -Polycarbonat

Alle Maße in Millimeter (mm). Dieses Glas ist bei einem standardisierten Versuchsbeschuss mit 3 Schüssen gemäß EN-1063 / B7 NS, (7,62 NATO

20020055

·* »Ms

Panzerdurchschlag - Aufprallenergie 3300 J) abplatzsicher. Dieser Querschnitt kann gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt werden mit:

9 AG / 0,76 PVB / 4*[12 AG / 0,76 PVB] / 3 AG / 1,9 PU / 2,5 PC / 1,2 PU / 0,5 CS / 2*[0,76 PVB / 0,5 CS]

Gesamtdicke = 71/72 mm

• ·

Aktz.:
Anmelder:

AGP Europe GmbH Ruhrallee 9

44139 Dortmung

28. August 2002/7521 AGP-12-DE

	Bezuqszeichenhste:	Glas	Sr	Oberflächenverdichtung
1.	PVB	Cd	Härtetiefe
2.	dünnes chemisch verfestigtes Glas	&tgr;	zentrale Spannung
3.	(CS-Glas)	t	Glasdicke
	Urethan	&sgr;	(x) Eigenspannungsprofil
4.	Polycarbonat
5.	Glassplitter
6.	Aluminiumfolie zum Vergleich
7.	Geschoss
8.	Panzerverglasung
10.	vorderes Panzerglas Querschnitt
11.	hintere abplatzsichere chemisch
12.	verfestigte Schicht
	abplatzsicheres mehrlagiges CS-
13.	Glas
	innere Schlagenergie absorbierende
14.	Schicht
	balistischer Aufprall
20.	(gestrichelte Linien) Unterteilungen
21.	des/der chemisch verfestigten
	Glases/Gläser (nicht sichtbar)

Claims

1. Verglasungskonzeptkonstruktion mit Verletzungen hindernder kontrollierter Splitterbildung auf Basis anorganischer hinterster Schichtmaterialien mit Kratz- und Abriebfestigkeit und einer mit Natronkalkglas vergleichbaren chemischen Dauerhaftigkeit, wobei die zentrale Spannung der letzten zum Raum weisenden Schicht so angepasst ist, dass sie Verletzung hindernde Splitter mit einem maximalen Gewicht von 0,5 g freigibt und ein Restsichtfeld nach dem Aufprall induziert, und wobei diese Konstruktion eine optimierte Querschnittsauslegung hinsichtlich des Gewichts (Masse pro Flächeneinheit) und der Dickenverringerung entsprechend einer spezifischen ballistischen Anforderungsklasse aufweist.

2. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 1, die aus einem oder mehreren dünnem/dünnen Glas/Gläsern besteht und bei der eines oder mehrere der dünnen Gläser chemisch verfestigt sind.

3. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 2, bei der eines oder mehrere der Glas/Gläser eine kontrollierbare Biege-/Schlagfestigkeit und ein Fragmentierungsmuster aufweist/aufweisen.

4. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 2, bei der die Dicke der Dünngläser zwischen 0,03 mm und 1 mm liegt.

5. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 2, gekoppelt mit einer Zwischenfolie oder - schicht(en) aus Kunststoffpolymer, die als Schlagenergie absorbierende Schicht dient (dienen).

6. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 3, gekoppelt mit einer Zwischenfolie oder - schicht(en) aus Kunststoffpolymer, die als Schlagenergie absorbierende Schicht dient (dienen).

7. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 4, gekoppelt mit einer Zwischenfolie oder - schicht(en) aus Kunststoffpolymer, die als Schlagenergie absorbierende Schicht dient (dienen).

8. Verglasungskonstruktion nach Ansprüchen 2, 3 und 4, bei der die anorganischen Komponenten mit einem Beschichtungsprozess wie Siebdruck, CVD, PVD, Sputtern, Solgel-Behandlung, Lackierung oder Maskierung usw. behandelt werden, um eine Restsicht durch die Panzerglaskonstruktion nach dem ersten und folgenden Schüssen auf Basis der vordefinierten ballistischen Klasse beizubehalten.

9. Verglasungskonstruktion nach Ansprüchen 5 bis 7, bei der die anorganischen Komponenten mit einem Beschichtungsprozess wie Siebdruck, CVD, PVD, Sputtern, Solgel-Behandlung, Lackierung oder Maskierung usw. behandelt werden, um eine Restsicht durch die Panzerglaskonstruktion nach dem ersten und folgenden Schüssen auf Basis der vordefinierten ballistischen Klasse beizubehalten.

10. Zwischenfolie(n) oder -schicht(en) aus Kunststoffpolymer, die gemäß den Ansprüchen 5 bis 7 als Schlagenergie absorbierende Schicht(en) dient/dienen, als eine Konstruktion bestehend aus einer oder mehreren Lagen Polymermaterialien mit einer Gesamtdicke zwischen 0,13 und 25 mm.

11. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 10 mit einer äußeren Konstruktion bestehend aus einer oder mehreren Lagen aus anorganischen Komponenten.

12. Verglasungskonstruktion nach Ansprüchen 1 und 11, bei der die anorganischen Komponenten Glasschichten aus Natronkalk oder Borosilikat oder Alumosilikat oder deren Kombination sein können.

13. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 12, bei der die anorganischen Komponenten eine individuelle Dicke zwischen 0,03 und 25 mm haben.

14. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 1, bei der Metallträgerschichten, Legierungen, Folien und/oder elektronische Prozessoren in den Komponenten der Konstruktion zum Sonnenschutz, Entfrosten, Entnebeln, Enteisen, als Sensorbildschirm und/oder Anzeige oder zu Überwachungszwecken enthalten sein können.

15. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 1, bei der Metallträgerschichten, Platten, Gitter oder Fasern an der Kante der Konstruktion zu Schutzzwecken innerhalb dieses Bereichs des Fensters angebracht werden können.

16. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 1, bei der eine Doppel- oder Dreifachverglasungskonstruktion in Erwägung gezogen werden kann, und diese doppelten oder dreifachen Verglasungselemente in einer nicht parallelen Konfiguration angeordnet werden können, um die ballistischen Eigenschaften der Konstruktion zu verbessern.

17. Verglasungskonstruktion mit mehreren Schichten und mit mindestens einer Schicht aus chemisch verfestigtem Glas als eine mittlere Schicht und/oder als die letzte Schicht, wobei die Schicht aus chemisch verfestigtem Glas eine Dicke unter 2 mm, speziell unter 1,5 mm oder sogar unter 1 mm hat.

18. Verglasungskonstruktion nach Anspruch 17 und mit den Merkmalen eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 16.