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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf Panzerungssysteme zum Konstruktionsschutz vor
einem ballistischen Einschlag oder einer Sprengexplosion und insbesondere
auf die Verwendung eines Metallschaums als Schockenergie absorbierendem
Element in einem mehrschichtigen Panzerungssystem.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Mit zunehmender terroristischer Gewalt
und verstärkten
Militäraktionen
besteht der Bedarf an einem verbesserten Konstruktionsschutz vor
einem ballistischen Einschlag von Projektilen oder einem Explosionsschutz
vor Sprengstoff. Solch ein Konstruktionsschutz kann in die Infrastruktur
eines Gebäudes
zu dessen Verstärkung
oder in bestimmte Räume
in einem Gebäude
zum Schutz vor Angriffen eingebaut werden. Konstruktionsschutz ist
auch in Fahrzeugen, beispielsweise Militärfahrzeugen wie Panzern, oder
Zivilfahrzeugen prominenter Personen von Nutzen. Derzeit wird ein
mehrschichtiges Panzerungssystem für bekannte Fahrzeuganwendungszwecke
eingesetzt.
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Eine typische Konfiguration eines
Panzerungssystems bei Militärfahrzeugen
mittleren Gewichts beispielsweise besteht aus einer hochwiderstandsfähigen Auftrefffläche (entweder
einer Metall- oder einer Keramikplatte), die mit. einer Keramikkachel
verklebt ist, die wiederum mit einer Trägerplatte aus Metall verklebt
ist: In dieser Konfiguration zerbricht oder verformt die Keramikkachel
ein auftreffendes Projektil und die Trägerplatte aus Metall „fängt" den übrig gebliebenen
Eindringkörper
und Keramikbruchstücke
ein. Die hochwiderstandsfähige
Auftreffplatte unterstützt
die Keramikkachel, indem sie eine Begrenzung an der Vorderseite
bildet, und kann in einigen Fällen
die Keramikkachel vor Feldschaden schützen.
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Beim Auftreffen eines Projektils
mit typischen Artilleriewaffengeschwindigkeiten wird eine Druckwelle
erzeugt, die sich durch die Keramikkachel fortpflanzt. Reflexionen
von Begrenzungen und daraus resultierende Wechselwirkungen der Druckwellen führen zu Zugspannungszuständen und
damit verbundenen mikroskopisch kleinen Rissen. Die Mikrorissbildung
infolge dieser durch den Einschlag erzeugten Druckwellen schwächt die
Keramikkachel und erlaubt ein einfacheres Eindringen eines Projektils.
Bei Panzerungssystemkonstruktionen, die eine Auftreffplatte aus
Metall auf einer Keramikkachel verwenden, können sich Druckwellen von einem
Projektileinschlag auf der Auftreffplatte aus Metall weiter in die
Keramikkachel fortpflanzen, so dass es vor dem Kontakt des Projektils
mit der Keramikkachel zu einem Versagen kommen kann. In einem Versuch,
das zuvor erwähnte
Problem zu überwinden,
wurde ein Dreischichtsystem vorgeschlagen, das in der DE9007336U
offenbart ist. Das Dreischichtsystem schließt eine Auftreffplatte, eine
Trägerplatte
und eine Zwischenschicht zur Reduzierung des Risikos eines Versagens
der Auftreffplatte zur Begrenzung der rückseitigen Verformung ein.
Die Bereitstellung einer Zwischenschicht ist jedoch nur von begrenztem Nutzen,
so dass ein Bedarf an der Bereitstellung eines Panzerungssystems
mit einem verbesserten Schockabsorptionselement und insbesondere
einem Schockabsorptionselement, das eine bessere Steuerung der Auswirkungen
auf Material oder Personen hinter dem Ziel, wie z.B. einer rückseitigen
Verformung und eines Abplatzens, ermöglicht, besteht.
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Metallschäume mit hohem Porositätsanteil sind
eine neue Klasse von Materialien, die Attribute aufweisen, die bewirken,
dass sie sich für
verschiedene technische Anwendungszwecke wie z.B. Schall- und Wärmedämmung, Konstruktionen
in Leichtbauweise und Energieabsorption eignen. Insbesondere schließen die
einzigartigen Eigenschaften eines zellförmigen Metallmaterials seine
vergleichsweise hohe spezifische Festigkeit und sein charakteristisches
nichtlineares Verformungsverhalten ein. Ein Beispiel für die Anwendung
von Metallschäumen in
einem Panzerungssystem ist in der DE2039343 offenbart, die eine
Panzerwand für
ein Fahrzeug mit zwei Schichten offenbart, wobei eine Schicht aus
Metallschaum besteht. Ein solches zweischichtiges Panzerungssystem
leidet jedoch unter demselben zuvor erwähnten Problem einer hohen Versagensrate
und wenig oder gar keiner Steuerung der Auswirkungen auf Material
oder Personen hinter dem Ziel, wie z.B. einer rückseitigen Verformung und eines
Abplatzens.
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Wie nachfolgend noch genauer beschrieben, nehmen
bestimmte Metallschäume
eine rückwärtige Verformung
eines Ziels bei einem Hochgeschwindigkeitseinschlag wirksam auf
und eignen sich daher für die
Steuerung einer rückseitigen
Verformung und eines Abplatzens. Außerdem können Metallschäume durch
einen Einschlag ausgelöste
Druckwellen abmildern und so eine Beschädigung der Keramikschichten
in damit ausgestatteten Panzerungssystemen verzögern.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung,
ein Panzerungssystem bereitzustellen, das einen Metallschaum als
Schockenergie absorbierendes Element zur Verbesserung des Schutzes
von Material und Personen hinter dem Ziel aufweist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein
Panzerungssystem bereitzustellen, das einen Metallschaum als Schockenergie
absorbierendes Element zur Steuerung der Wirkungen auf Material oder
Personen hinter dem Ziel als Ergebnis einer durch den hochenergetischen
Einschlag eines Projektils erzeugten rückseitigen Verformung aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die zuvor genannten und weitere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erzielt, die
ein mehrschichtiges Panzerungssystem bereitstellt, das eine Auftreffplatte,
eine verformbare Trägerplatte
und eine oder mehrere dazwischen befindliche Zwischenschichten umfasst, dadurch
gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Zwischenschichten ein schockabsorbierendes
Element einschließen,
das einen Metallschaum mit darin verteilten Zellen umfasst, und
das schockabsorbierende Element bei Ausübung einer Kraft auf die Auftreffplatte
gezwungen wird, entsprechend einer im Wesentlichen linearen elastischen
Verformung, einer Zelleinsturzverformung und einer Verdichtungsverformung
in Reaktion auf die Größenordnung
der auf die Auftreffplatte ausgeübten
Kraft progressive Verformungsmodi zu durchlaufen.
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In bevorzugten Ausführungsformen
weist der Metallschaum eine geschlossenzellige Porenstruktur sowie
einen hohen Porositätsanteil
auf, der vorzugsweise bei etwa 50 bis 98 Volumenprozent liegt.
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Für
die Ausführung
der vorliegenden Erfindung nützliche
Metallschäume
können
Metallschäume
aus Aluminium, Stahl, Blei, Zink, Titan, Nickel und Legierungen
oder Metallmatrixverbundstoffen davon sein, sind jedoch nicht darauf
beschränkt.
Metallschäume
können
nach verschiedenen, für
die Herstellung von Metallschäumen
bekannten Verfahren wie z.B. Gießen, Pulvermetallurgie, Metallabscheidung
und Sputterabscheidung hergestellt werden. Beispielhafte Verfahren
zur Herstellung von Metallschäumen
sind in den US-Patenten Nr. 5,151,246, 4,973,358 und 5,181,549 aufgeführt, auf
deren Text hierin Bezug genommen wird.
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Das US-Patent Nr. 5,151,246 beschreibt
beispielsweise ein Pulvermetallurgieverfahren zur Herstellung aufschäumbarer
Materialien mittels Metallpulvern und kleinen Mengen an Treibmitteln.
In dem Verfahren wird/werden zunächst
im Handel erhältliches)
Metallpulver mit einer kleinen Menge eines Schaumerzeugers gemischt.
Nach der gleichmäßigen Verteilung
des Schaumerzeugers in dem Matrixmaterial wird das Gemisch verdichtet,
so dass ein dichtes, halbfertiges Produkt ohne offene Restporosität entsteht.
Das aufschäumbare
Material kann durch nachfolgende Metallbearbeitungsprozesse wie
Walzen, Hämmern
oder Extrusion weiter geformt werden.
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Nach den Metallbearbeitungsschritten
wird das aufschäumbare
Material auf Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt des/der Matrixmetalls/e
erwärmt. Während der
Erwärmung
zerfällt
der Schaumerzeuger und das entweichende Gas zwingt das verdichtete
Material, sich in eine hochporöse
Struktur auszudehnen. Die Dichte der Metallschäume kann durch Einstellung
des Gehalts an Schaumerzeuger und verschiedenen anderen Schäumparametern
wie Temperatur und Erwärmungsgeschwindigkeit
gesteuert werden. Die Dichte von Aluminiumschäumen beispielsweise liegt in
dem Bereich von etwa 0,5 bis 1 g/cm3.
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Wie dem Fachmann bekannt, lassen
sich Festigkeit und andere Eigenschaften von aufgeschäumten Metallen
durch Einstellung des spezifischen Gewichts (oder der Porosität), der
Legierungszusammensetzung, des Wärmebehandlungsverlaufes
und der Porenmorphologie maßschneidern.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen
besitzt der Metallschaum eine hohe mechanische Festigkeit.
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Metallschäume werden mittels herkömmlicher
Techniken wie Sägen,
Bohren, Fräsen
und dergleichen leicht zu jeder gewünschten Form oder Konfiguration
bearbeitet. Außerdem
können
Metallschäume
mittels bekannter Techniken wie Verleimen, Löten und Schweißen verbunden
werden.
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Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung handelt es sich bei dem schockabsorbierenden Element
um einen geschlossenzelligen Aluminiumschaum; bei einer spezifischen beispielhaften
Ausführungsform
handelt es sich um einen geschlossenzelligen Aluminiumschaum mit
einer Porosität
von 80 Volumenprozent.
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In Vorrichtungsausführungsformen
der vorliegenden Erfindung schließt ein mehrschichtiges Panzerungssystem,
das sich für
den Konstruktionsschutz vor einem ballistischen Einschlag oder einer Sprengexplosion
eignet, z.B. ein bei gepanzerten Militärfahrzeugen verwendetes Panzerungssystem, eine
oder mehrere Schichten eines Metallschaums als Schockenergie absorbierendem
Element ein.
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Der Begriff „mehrschichtiges Panzerungssystem", wie er hierin verwendet
wird, bedeutet mindestens zwei bekannte oder neu entwickelte Platten aus
Metall, Metallschaum, einem Keramikwerkstoff, Kunststoff und dergleichen
für Verteidigungs-
oder Schutzsysteme. In der vorliegenden Erfindung schließt das mehrschichtige
Panzerungssystem mindestens eine Auftreffplatte oder Pufferplatte
ein, die mit einem schockabsorbierenden Element, bei dem es sich
um eine Metallschaumschicht handelt, verklebt oder anderweitig damit
verbundenen ist.
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Wie zuvor beschrieben, besitzt der
Metallschaum vorzugsweise eine geschlossenzellige Porenstruktur
sowie einen hohen Porositätsanteil.
Der Metallschaum kann beispielsweise aus Aluminium, Stahl, Blei,
Zink, Titan, Nickel und Legierungen oder Metallmatrixverbundstoffen
davon sein, wobei die Porosität
von etwa 50 bis 98 Volumenprozent reicht. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung handelt es sich bei dem Metallschaum um einen geschlossenzelligen
Aluminiumschaum mit einer Porosität von 80 Volumenprozent.
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Der Begriff „Auftreffplatte" bezieht sich auf eine
hochwiderstandsfähige
Metall- oder Keramikplatte, deren Vorderseite den initialen Einschlag
eines Projektils oder eines Sprengschusses aufnimmt. Die Rückseite
der Auftreffplatte grenzt an eine erste Fläche des schockabsorbierenden
Elementes, das in der vorliegenden Erfindung eine flache Platte
oder Schicht aus Metallschaum ist. Es ist davon auszugehen, dass
sich der Begriff „Auftreffplatte", wie er hierin verwendet
wird, auf jede. Pufferplatte aus einem hochwiderstandsfähigen Material
bezieht, das einen Einschlag oder durch einen Einschlag erzeugte Druckwellen
vor einem schockabsorbierenden Element aufnimmt.
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Die Auftreffplatte kann eine flache
Platte aus einem hochwiderstandsfähigen Metall, Keramikwerkstoff
oder Verbundstoff auf Polymerbasis wie z.B. einem glasfaserverstärkten Polymerverbundstoff
sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform schließt das erfindungsgemäße mehrschichtige
Panzerungssystem weiterhin eine mit einer Vorderseite der Metallschaumschicht
oder einer Schicht, die der an die Auftreffplatte angrenzenden Oberfläche gegenüber liegt
oder zu ihr distal ist, verklebte oder anderweitig damit verbundene
verformbare Trägerplatte
ein. Die Trägerplatte
ist z.B. eine flache Platte aus einem verformbaren Metall wie Titan,
Aluminium oder Stahl.
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In einer spezifischen beispielhaften
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen mehrschichtigen
Panzerungssystems befindet sich eine schockabsorbierende Schicht
aus Metallschaum zwischen einer hochwiderstandsfähigen – Auftreffplatte und einer
verformbaren Trägerplatte.
Natürlich
kann das mehrschichtige Panzerungssystem zusätzliche Elemente in einer beliebigen
Reihenfolge umfassen und die hierin dargestellten Ausführungsformen
dienen lediglich der Illustration der Prinzipien der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die Erfindung ist nach Durchlesen
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten
Zeichnungen, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines beispielhaften Panzerungssystems
mit einem Metallschaum als Schockenergie absorbierendem Element gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Mikrophotographie eines hochporösen,
geschlossenzelligen Aluminiumschaumes ist, die die typische Mikrostruktur
im Querschnitt darstellt;
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3 eine
graphische Darstellung des typischen Verhaltens eines Metallschaumes
des in 2 dargestellten
Typs unter einer uniaxialen Last ist; und
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4 eine
Mikrophotographie des Aluminiumschaumes von 2 ist, die einen Querschnitt der Mikrostruktur
nach der Verformung durch einen hochenergetischen Einschlag darstellt;
leichter verständlich.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 ist
eine beispielhafte schematische Darstellung eines verbesserten Panzerungssystems 10 des
Typs mit einer hochwiderstandsfähigen
Auftreffplatte 11, mindestens einem Schockenergie absorbierenden
Element 12 und einer Trägerplatte 13.
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In der Ausführungsform von 1 wird ein geschlossenzelliger Metallschaum
als Schockenergie absorbierendes Element 12 eingesetzt.
Die hochwiderstandsfähige
Auftreffplatte 11 kann eine Keramik- oder Metallplatte
sein. Die Trägerplatte 13 ist
typischerweise aus einem sich stark verformenden Metall wie Titan,
Aluminium oder Stahl. Die Trägerplatte 13 kann
jedoch eine oder mehrere Schichten aus Metall und/oder einem Keramikwerkstoff
sowie Verbundstoffen auf Polymerbasis umfassen. In dem Panzerungssystem 10 nimmt
der geschlossenzellige Metallschaum die rückwärtige Verformung der Auftreffplatte 11 in
einer ballistischen Zielstruktur wirksam auf. Der Metallschaum kann
die rückseitige
Verformung über
einen nachfolgend genauer diskutierten Mechanismus steuern, ohne
die ballistische Wirksamkeit hinter den Zielen mit sich stark verformenden Trägerplatten
zu opfern.
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Das Schockenergie absorbierende Element 12 umfasst
vorzugsweise einen geschlossenzelligen Metallschaum, der z.B. aus
Aluminium, Stahl, Blei, Zink, Titan, Nickel und Legierungen oder
Metallmatrixverbundstoffen davon sein kann. Bevorzugte Metallschäume besitzen
einen hohen Porositätsanteil, der
typischerweise von etwa 50 bis 98 Volumenprozent reicht. In einer
spezifischen bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei dem Schockenergie absorbierenden Element 12
um einen geschlossenzelligen Aluminiumschaum mit einer Porosität von 80 Volumenprozent. 2 stellt die Mikrostruktur
(d.h. die Porenstruktur) dieses speziellen Aluminiumschaummaterials
dar.
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Diese Art von Porenstruktur erhöht das Steifheits-/Gewichtsverhältnis (SWR)
des Materials mit einer geringen partiellen Dichte erheblich. Bei
einer Verformung führt
diese Mikrostruktur zu einem lokalen Zelleinsturz und einer raschen
Dissipation der Verdichtungsenergie, was in einem einzigartigen
Verformungsverhalten und Materialeigenschaften wie einem hohen SWR
und hoher Energieabsorption in dem Material resultiert.
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Während
der Verformung weisen die Metallschäume des in 2 dargestellten Typs bei der Bewegung
vom dem quasi elastischen Zustand in den plastischen Zustand das universelle
Verformungsverhalten von 3 auf. 3 ist eine graphische Darstellung
des Verhaltens des Metallschaums von 2 unter
einer uniaxialen Last, die als „Belastungskurve" bezeichnet wird.
Die vertikale Achse von 3 stellt
die Spannung dar, die horizontale Achse die Verformung. Die Belastungskurve
von 3 ist in drei Bereiche
aufgeteilt: in den linearen elastischen Bereich 31, den
Einsturzbereich 32 (bei dem die Plateauspannung relativ
konstant bleibt) und den Verdichtungsbereich 33. In dem
linearen elastischen Bereich 31 ist der elastische Abschnitt
der Spannungs-Nerformungskurve
nur teilweise reversibel. Während
der Belastung findet in dem Muster bereits eine geringfügige lokale
plastische Verformung statt. Diese geringfügigen plastischen Verformungen
tragen ebenfalls zu der mechanischen Dämpfung von Metallschäumen bei.
In dem Einsturzbereich 32 kommt es zu einer Zellwandverbeulung
und der Schaum fällt
bis zu dem Verdichtungsbereich 33 fortlaufend in sich zusammen.
Die Verformung in dem Verdichtungsbereich 33 ist ausgesprochen
lokal; ihr geht das Voranschreiten einer Verdichtungsfront von verformten
zu nicht verformten Bereichen des Musters voraus. Bei für Verformungsgeschwindigkeiten unempfindlichen
Materialien wie Aluminium bleibt das Verformungsverhalten bei hohen
Verformungsgeschwindigkeiten gleich. Die Fläche unter der Belastungskurve
stellt die von dem Metallschaum absorbierte Verformungsenergie dar.
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Metallschäume können durch Einstellen von Schaumparametern
wie Legierungselementen, Dichtegrad, Zellgröße, Wandstärke und Gleichmäßigkeit so
hergestellt werden, dass die Energieabsorptionsfähigkeit maximiert wird. Verbesserungen
des Spannungswertes und der Plateauspannung mittels Wärmebehandlung
des Metallschaums oder mittels Zugabe von Teilchen- oder Faserkristallverstärkungen zu
dem Metallschaum sind zusätzliche
Techniken, die die Energieabsorptionsfähigkeit bekanntermaßen erhöhen.
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Metallschäume können die durch den Einschlag
erzeugten Druckwellen von der Auftreffplatte mildern und so eine
Beschädigung
der darunter liegenden Schichten – dabei kann es sich in manchen Ausführungsformen
um eine Keramikkachel handeln – verzögern oder
verhindern. Außerdem
verbessern sie den Schutz von Personen und Material hinter dem Ziel.
Die durch die Stoßwucht
erzeugte Verformungsenergie verdichtet zunächst den vorderen Bereich (in Richtung
der Belastung) der Metallschaumschicht, die das Schockenergie absorbierende
Element bildet. Die nachfolgende Verformung führt zu einem Zerreißen und
Zerscheren der Zellwände,
eine Wirkung der Kernscherverformung für die Energiedissipation in
der Zellstruktur. Daher wird die Verformungsenergie zurückgelenkt
und seitwärts
dissipiert. Dies ist am besten in 4 dargestellt,
einem Querschnitt der Mikrostruktur des Aluminiumschaumes von 2, der die Verformung nach
einem hochenergetischen Einschlag darstellt. Diese Art Verformungsmechanismus
reduziert die übertragene
Verformungsenergie hinter dem Ziel in Richtung der Belastung. Die
Energie der durch den Einschlag erzeugten Druckwellen wird ebenfalls
effizient in dem Zellnetzwerk dissipiert. Der hohe Porositätsgrad in
dem Metallschaum ist für
die Absorption der Wellenenergie günstig, und das Zellnetzwerk
erzeugt die Hohlraumwirkung für
die Streuung der Wellenenergie in dem Netzwerk.
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Die erfindungsgemäßen Panzerungssysteme wären als
Schutzsysteme für
einen ballistischen Einschlag und eine Explosion nützlich.
Darüber
hinaus bezieht sich die hierin dargestellte beispielhafte Ausführungsform
zwar auf ein Dreielementesystem, es ist jedoch davon auszugehen,
dass die Erfindung die Verwendung von geschlossenzelligen, hochwiderstandsfähigen Metallschäumen mit
einem hohen Porositätsanteil
als Schockenergie absorbierendem Element in jeder anderen entwickelten
oder noch zu entwickelnden Konfiguration umfasst, wobei ihre Fähigkeit,
eine rückwärtige Verformung
bei einem Hochgeschwindigkeitseinschlag aufzunehmen, nützlich wäre.
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Zwar wurde die Erfindung mit Bezug
auf spezifische Ausführungsformen
und Anwendungszwecke beschrieben, doch der Fachmann kann in Anbetracht
dieser Lehre zusätzliche
Ausführungsformen kreieren,
ohne den Umfang der Erfindung, wie er in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert
ist, zu überschreiten.
Dementsprechend ist davon auszugehen, dass die Zeichnungen und die
Beschreibung in dieser Offenbarung das Verständnis der Erfindung vereinfachen,
ihren Umfang aber nicht einschränken
sollen.