DE602005004713T2 - Keramischer Körper mit Diamantbeschichtung für gepanzerte Anwendungen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft keramische und Keramikmatrix-Verbundwerkstoff-Panzerungssysteme und betrifft insbesondere die Erhöhung der Härte der Aufschlagseite unter Verwendung einer Diamantbeschichtung auf der keramischen Komponente.
• Keramische Panzerungssysteme erfordern zwei Eigenschaften, um einen wirksamen Schutz gegen Projektile zu bilden. Ein erster Aspekt einer keramischen Panzerung ist die Härte der Keramik. Keramische Panzerungssysteme sind ein wirksamer Schutz gegen panzerbrechende Projektile, da die Härte der Keramik jene des Metalls oder des Stahls der Projektile übersteigt.
• Ein zweiter Gesichtspunkt ist die Bruchzähigkeit der Keramikplatte. Bruchzähigkeit ist ein wichtiges Merkmal für die ballistische Schutzleistung einer keramischen Panzerung.
• Im Idealfall würde ein keramisches Panzerungssystem eine hohe Härte und eine hohe Bruchzähigkeit aufweisen.
• Bei gegenwärtigen Anwendungen sind die Keramiken, denen das Hauptinteresse für den Schutz gegen panzerbrechende Projektile gilt, Borcarbid, Siliciumcarbid und Aluminiumoxid. Unter diesen Keramiken besitzt Borcarbid zwar die höchste Härte, jedoch eine recht geringe Bruchzähigkeit.
• Aluminiumoxid ist ein Material, welches alternativ Verwendung findet. Aluminiumoxid besitzt eine geringere Härte als Borcarbid, aber wenn mit einer zweiten Phase legiert, unter Erzeugung eines Keramik-Keramik-Phasenverbundes, kann selbiges eine angemessen hohe Bruchzähigkeit aufweisen. Jedoch ist dieser Verbundwerkstoff immer noch weniger hart als Borcarbid.
• Die EP 1380809 A2 , welche eine Grundlage für den Oberbegriff von Anspruch 1 bildet, offenbart einen keramischen Verbundkörper, welcher eine Schicht A umfasst, enthaltend Phasen eines Metalls und eines Carbids des Metalls, sowie eine Schicht B, enthaltend Siliciumcarbid-Partikel, teilweise gebunden über Kohlenstoff-Bindemittel, direkt über Sinterbrücken, und ein Porenvolumen von 10–35% aufweisend.
• Die US 2002/178900 A1 offenbart eine Panzerungskomponente, umfassend eine Kachel mit einem Umfang; und ein Umhüllungsmaterial, gewickelt um den Umfang der Kachel. Ein Panzerungssystem schließt eine Rückenplatte ein; mindestens eine Schicht einer Kachelanordnung, angeordnet auf der Rückenplatte, wobei die mindestens eine Schicht einer Kachelanordnung eine Vielzahl von Panzerungskomponenten umfasst, wobei jede Panzerungskomponente eine Kachel mit einen Umfang aufweist, welcher mit einem Umhüllungsmaterial umwickelt ist; und eine oberste Schicht, angeordnet auf der mindestens einen Schicht einer Kachelanordnung.
• Die US 2004/0147191 offenbart das Aufbringen einer Diamantbeschichtung auf ein ballistisches Textilsubstrat und führt an, dass Diamantbeschichtungen außerdem aufgebracht werden können, um eine diamantähnliche Oberflächenbeschichtung auf Automobilglas oder Glas- oder Kunststoffbehältern einzuschließen.
• Die US 6861120 und US 6911247 offenbaren die Verwendung von Diamant bei textiler Panzerung, um Projektile „aufzurauen".
• Keines dieser Dokumente stellt eine Diamantbeschichtung auf einer keramischen Basis bereit, um eine gepanzerte Platte bereitzustellen.
• Die vorliegende Erfindung strebt an, die Mängel des Stands der Technik zu überwinden, indem eine Diamantbeschichtung auf einer keramischen Komponente bereitgestellt wird. Insbesondere kann synthetischer, zu einer Aufschlämmung dispergierter Diamant (beispielsweise einer Aufschlämmung auf Silikat- oder Phosphatbasis) verwendet werden, um eine monolithische Panzerplatte zu beschichten, entweder zum Personenschutz oder für Kacheln zum Schutz von Fahrzeugen. Diese Beschichtung kann anschließend wärmebehandelt werden, um eine Bindung mit der keramischen Komponente zu erzeugen. Die diamantbeschichtete Keramik zeigt eine bessere Schutzleistung gegen panzerbrechende Stahlkernprojektile als die keramische Komponente allein.
• Die vorliegende Erfindung stellt daher eine gepanzerte Platte bereit, umfassend eine keramische Grundschicht mit einer inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche mindestens eine daran gebundene Schicht eines Verbundwerkstoffs aufweist, umfassend Diamantstaub, dispergiert in einem Substrat, gebunden an die äußere Oberfläche der keramischen Grundschicht.
• Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren bereit zur Erhöhung der Härte einer keramischen Komponente, umfassend die Schritte der Herstellung einer Aufschlämmung aus Diamantstaub durch Mischen von Diamantstaub mit einer Base, Aufbringen der Diamantstaub-Aufschlämmung auf eine Aufschlagseite der keramischen Komponente, und Härten der Diamantstaub-Aufschlämmung, um eine Bindung zwischen der Diamantstaub-Aufschlämmung und der keramischen Komponente auszubilden.
• Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Die vorliegende Erfindung lässt sich mit Bezug auf die Zeichnungen besser verstehen, wobei:
• 1 eine seitliche Querschnittsansicht einer Keramikplatte zeigt, beschichtet mit der Diamantbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
• Eine passive Panzerung hat die Aufgabe, ein auftreffendes Projektil zu vernichten und/oder abzulenken. Die vorliegende Erfindung strebt nach einem erhöhten Schutz gegen panzerbrechende Projektile mit Stahlkern oder anderen Hartkernen, sowohl für Fahrzeugpanzerungen als auch für Körperpanzerungen für Personen. Die vorliegende Erfindung kann zu anderen Zwecken verwendet werden, wie Fachleute anerkennen werden, einschließlich für Schutzschilde und für den Schutz von Gebäuden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie in 1 dargestellt, wird eine keramische Komponente 10 verwendet, um ein panzerbrechendes Projektil zu vernichten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die keramische Komponente zusammengesetzt aus Aluminiumoxid, Siliciumcarbid oder einem daraus gefertigten Verbundwerkstoff. Diese keramischen Komponenten besitzen eine geringere Härte als Borcarbid, weisen jedoch eine erhöhte Bruchzähigkeit auf.
• Um die Härte dieser keramischen Komponenten zu erhöhen, wird zusätzlich eine Diamantbeschichtung 15 über der keramischen Komponente 10 aufgebracht.
• Durch Beschichten einer keramischen Komponente 10 mit einer Diamantbeschichtung 15 wird eine größere Härte als bei Borcarbid-Keramiken erzielt.
• Synthetischer Diamant kann zur Beschichtung von monolithischen Panzerplatten zum Schutz von Personen oder von Kacheln zum Schutz von Fahrzeugen verwendet werden. Diamantstaub wird zu einer härtbaren Aufschlämmung, wie beispielsweise einer Aufschlämmung auf Silicat- oder Phosphatbasis, dispergiert und in einer bevorzugten Ausführungsform auf die Aufschlagseite einer keramischen Komponente gesprüht. Das bevorzugte Silicat ist Calciumsilicat, obwohl andere Silicate, wie beispielsweise Natriumsilicat, verwendet werden können. Wie Fachleute anerkennen werden, können außerdem andere Materialien verwendet werden, solange eine chemische Klebebindung oder eine mechanische Bindung zwischen diesen Materialien und der keramischen Komponente 10 erreicht wird.
• Sobald die keramische Komponente 10 mit der Mischung aus Diamantstaub und der Silicat- oder Phosphat-Aufschlämmung besprüht worden ist, wird diese im Anschluss gehärtet. Im Falle der meisten Silicat- oder Phosphat-Verbindungen ist eine Wärmebehandlung zwischen ~149°C (300°F) und ~204°C (400°F) ausreichend, um eine chemische Bindung (Silicat- oder Phosphatbindung in der bevorzugten Ausführungsform) mit der Oberfläche der keramischen Komponente 10 auszubilden. Jedoch ist anzuerkennen, dass andere Verbindungen bei unterschiedlichen Temperaturen oder durch andere Mittel gehärtet werden können, wie beispielsweise UV-Härtung oder chemische Katalyse, wie es für Fachleute aus dem Bereich Verbundmaterialien offensichtlich sein wird.
• In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Diamant mit einem flüssigen Grundstoff gemischt, wie beispielsweise Calciumsilicat, in jedem zur Erzeugung einer schützenden Diamantschicht auf der keramischen Komponente 10 geeigneten Verhältnis. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist festgestellt worden, dass 5 g Diamantstaub, gemischt mit 10 g Silicat, die gewünschten Ergebnisse liefert. Dieses ist allerdings nicht als Beschränkung gemeint.
• Das Obige stellt somit ein diamantbeschichtetes Keramiksystem bereit, welches eine höhere ballistische Schutzleistung gegen panzerbrechende Stahlkern-Projektile aufweist. Durch die Diamantbeschichtung kann die ballistische Schutzleistung von Borcarbid in Bezug auf die Härte der keramischen Komponente erreicht werden, während zugleich die Bruchzähigkeit von auf Aluminiu moxid oder Siliciumcarbid basierender Keramiken beibehalten wird. Insbesondere haben die Erfinder festgestellt, dass eine diamantbeschichtete keramische Komponente, wie beispielsweise ein Aluminiumoxid-Verbundwerkstoff, härter sein kann als eine Borcarbid-Platte, während eine Bruchzähigkeit erreicht wird, welche 6 (sechs) Mal höher ist als jene von Borcarbid.
• Es ist anzuerkennen, dass mehrere Schichten einer Beschichtung aufgetragen werden können, und dass zusätzliche Beschichtungen oder Schichten anderer Materialien, wie beispielsweise Splitterschutz-Beschichtungen oder Beschichtungen zum UV-Schutz, über die Diamantschicht aufgebracht werden können.

Claims (9)

1. Eine gepanzerte Platte, beinhaltend eine keramische Grundschicht (10), die eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass an die äußere Oberfläche mindestens eine Schicht (15) eines Verbundwerkstoffes gebunden ist, der Diamantstaub dispergiert in einem Substrat enthält, welches an die besagte äußere Oberfläche der besagten keramischen Grundschicht (10) gebunden ist.
2. Die gepanzerte Platte gemäß Anspruch 1, in der der Diamantstaubverbundwerkstoff an die keramische Komponente durch Wärme gebunden wird.
3. Die gepanzerte Platte gemäß Anspruch 2, in der die Wärmebehandlung zwischen ~149°C (300°F) und ~204°C (400°F) ausgeführt wird.
4. Die gepanzerte Platte gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, in der die keramische Grundschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliziumcarbid und Aluminiumoxid.
5. Ein Verfahren zur Erhöhung der Härte einer keramischen Komponente, beinhaltend die Schritte: Herstellung einer Diamantstaubaufschlämmung durch Mischen von Diamantstaub mit einer Base; Auftragen der Diamantstaubaufschlämmung auf die Anschlagfläche einer keramischen Komponente; und Härten der Diamantstaubaufschlämmung um eine Bindung zwischen der Diamantstaubaufschlämmung und der keramischen Komponente herzustellen.
6. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, in dem die Base ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Silikat- und einer Phosphatbase.
7. Das Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, in dem die Aufschlämmung gehärtet wird durch Wärmebehandlung, durchgeführt zwischen ~149°C (300°F) und ~204°C (400°F).
8. Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, in dem die keramische Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend die aus Siliziumcarbid und Aluminiumoxid.
9. Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8, in dem die besagte Aufschlämmung auf die besagte Anschlagfläche durch Sprühen aufgetragen wird.