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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Da die Zielgenauigkeit und Wirksamkeit
von Waffen gesteigert wurde, mussten auch die Schutzbewehrungen
dementsprechend verbessert werden. Die neueste Schutzbekleidung
wurde mit dem Aufkommen von Kunstfasern entwickelt, die zur Herstellung
von weicher Körperbewehrung,
im Allgemeinen in der Form von Westen, verwendet werden. Die beiden
wichtigsten Arten von ballistischen Widerstandsmaterialien derzeit
sind Aramidgewebe, wie beispielsweise Kevlar, und der Verbundstoff
Spectra Shield. Aramid ist eine Polymerart und umfasst die Kevlar-
und Nomex-Gruppen.
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In Tests mit herkömmlichen Projektilen, die sich
mit zwischen 1.500 und 1700 Fuß pro
Sekunde (460 und 520 m/s) fortbewegen, wurde bestätigt, dass
weiche Schutzbekleidung Schutz bietet. Die ballistische Grenze,
V50, steht für
die Geschwindigkeit, bei der die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Durchdringung
und die einer unvollständigen Durchdringung
gleich groß sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das geoffenbarte ballistische Multi-Struktur-Widerstandsmaterial
weist eine Vielzahl von Schichten auf, die jeweils zumindest eine
Unterschicht umfassen. Zumindest eine Schicht aus einem biegbaren,
gemischten Vliesverbundmaterial aus zumindest zwei unterschiedlichen
Fasern wird verwendet. Das Vliesmaterial ist so gemischt, dass es
beinahe in Zufallsorientierung innerhalb derselben Unterschicht
liegt, wobei jede der zumindest zwei unterschiedlichen Faserarten
verschiedene Deformationseigenschaften aufweist. Eine der Faserarten
ist ein Thermoplast, gekennzeichnet durch das Durchlaufen einer
Phasenänderung
innerhalb des Temperaturbereichs, der durch die Wärme des
ballistischen Aufpralls erzeugt worden ist. Die andere Faserart
ist ein Nicht-Thermoplast, gekennzeichnet durch das Deformieren
bei einer zumindest um 80°C
höheren
Temperatur als die der Phasenänderungsfasern.
Die gemischten Fasern sind vernadelt, um die Fasern zu verbinden,
wodurch durch Faser-an-Faser Reibungs-Zusammenschluss der zwei unterschiedlichen Fasern
ein einlagiger Stoff erzeugt wird. Die einzelnen Fasern bleiben
in Bezug zueinander beweglich. Der Aufprall eines ballistischen
Objekts führt
dazu, dass das Material als anfänglichen
Widerstand auf den ballistischen Aufprall mit einem inhärenten.
Faserzugverhalten reagiert. Die Phasenänderung an den Faserschnittstellen
vernichtet die Energie des ballistischen Aufpralls. Die nach der
Phasenänderung
an den Schnittstellen zwischen thermoplastischen und nicht-thermoplastischen
Fasern auftretende Faserbewegung tritt unter dem bremsend wirkenden
Einfluss von viskosem Schmelzfließen auf, da die Energie-Zufuhr
des ballistischen Aufpralls eine Schmelzfaserbewegung erzeugt. Eine
der Schichten aus ballistischem Vliesmaterial umfasst zumindest eine
Schicht aus einer Vielzahl an darin eingebetteten Ablenkungsmitteln.
Jedes der Ablenkungsmittel weist eine ballistische geometrische
Ablenkungsform auf. Die Ablenkungsmittel befinden sich in physikalischem
Kontakt miteinander, um Energie entlang der Ablenkungsmittel-Schichten
zu übertragen
und zu absorbieren. Vorzugsweise umfassen die Schichten außerdem zumindest
eine Schicht aus einem biegbaren oder halbbiegbaren, gewebten ballistischen
Widerstandsmaterial mit harter Oberfläche, die Schuss und Kette aufweist.
Alternativ dazu kann das ballistische Material auch eine Außenschicht
aus einem steifen, festen Oberflächenmaterial
umfassen. Zur Verwendung mit Lasern weisen die ballistischen geometrischen
Ablenkungsformen eine Reflexions- und/oder Brechungsoberfläche auf.
Eine Reflexionsoberfläche
kann anliegend an die Schicht mit geometrischen Formen platziert
werden und Laserstrahlen vom Körper
des Trägers
zurück
in die Schicht mit geometrischen Formen reflektieren.
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Das ballistische Multi-Struktur-Widerstandsmaterial
kann eine Vielzahl von Schichten zumindest einer Schicht aus ballistischen
Vliesmaterial und einer Schicht mit vielen in einem ballistischen
Vliesstoff eingebetteten geometrischen Formen umfassen. Der erste
Aufprall eines ballistischen Objekts beim Eintreten in das ballistische
Multi-Struktur-Widerstandsmaterial
wird gebremst, indem Widerstand gegen das Objekt aufgebaut wird.
Die Energie des ballistischen Objekts wird durch zumindest eine
Schicht ballistischen Vliesstoffs absorbiert, indem das Material
als anfänglichen Widerstand
auf den ballistischen Aufprall mit einem inhärenten Faserzugverhalten reagiert.
Das ballistische Objekt wird von seinem ursprünglichen Weg abgelenkt, indem
es mit der Schicht aus einer Vielzahl von Ablenkungsmitteln in Kontakt
kommt, die durch Kontakt mit dem Vliesstoff Energie des ballistischen
Objekts absorbiert. Die vom ballistischen Objekt erzeugte Energie
wird horizontal durch alle Schichten des Multi-Struktur-Materials
verteilt, wodurch zumindest ein Teil der Energie vernichtet wird,
bevor das ballistische Objekt das Material durchdringt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ABBILDUNGEN
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Die Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden
durch die Beschreibung und die Abbildungen klarer ersichtlich, worin:
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1 eine
Querschnittansicht einer Ausführungsform
der mehrlagigen Struktur der vorliegenden Erfindung ist, bei der
Kugeln in der geometrischen Schicht verwendet werden;
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2 eine
Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der mehrlagigen
Struktur der vorliegenden Erfindung ist, bei der Pyramiden in der geometrischen
Schicht verwendet werden.
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3 eine
Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der mehrlagigen
Struktur der vorliegenden Endung ist, bei der rechteckige Polygone
in der geometrischen Schicht verwendet werden;
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4 eine
Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der mehrlagigen
Struktur der vorliegenden Erfindung ist, bei der kristalline Pyramiden
in der geometrischen Schicht in Kombination mit einer Reflexionsschicht
verwendet werden;
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5 eine
Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der mehrlagigen
Struktur der vorliegenden Erfindung ist, bei der stark reflektierende
Kugeln in der geometrischen Schicht in Kombination mit einer Reflexionsschicht
verwendet werden.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung offenbart ein ballistisches
Multi-Struktur-Material, das dazu dient, Patronen und andere Projektile
mit starkem Aufprall und großer
Energie zu stoppen. Zur klareren Erläuterung der Erfindung werden
hierin die folgenden Definitionen verwendet:
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Ballistischer Widerstand bezieht
sich hierin auf den Widerstand gegen ein beliebiges energiereiches
Medium, das in den Körper
eintreten und dort Verletzungen verursachen kann. Dazu gehören Metallpatronen,
Laserstrahlen, Eispickel, Schrapnelle, usw.
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Schicht bezieht sich auf eine oder
mehrere Lagen oder Unterschichten aus demselben Material.
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Geometrische Schicht bezieht sich
auf eine einzelne Schicht eines Vliesmaterials mit darin eingebetteten
geometrischen Formen.
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Harte Oberfläche bezieht sich auf ein beliebiges
herkömmliches
gewebtes ballistisches Widerstandsmaterial.
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Feste Oberfläche bezieht sich auf eine beliebige
Faserverbundstruktur aus gehärtetem
Harz sowie herkömmlicherweise
verwendete Plattenstrukturen, wie beispielsweise Stahl oder Keramik.
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Gewebe bezieht sich auf ein herkömmliches ballistisches
Material, wie es beispielsweise unter den Markennamen Kevlar® und
Spectra® erhältlich ist.
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Großkalibrige Geschosse haben
einen größeren Durchmesser
und erreichen eine geringere Geschwindigkeit als viele kleinkalibrigere
Geschosse. Kleinkalibrige Projektile mit starkem Aufprall oder großer Energie
weisen einen kleinen Durchmesser auf, werden durch die hohe Geschwindigkeit
jedoch schwer. Ein Kaliber .243 ist lang und schwer und bewegt sich
mit 900 ms–1 (2950
Fuß pro
Sekunde) fort. Die 7,62 mm NATO und die russische 7,62 mm Rundpatrone
sind bei Kontakt mit einem Ziel inhärent instabil und richten mehr
Schaden an, als das mit einem Hohlspitzgeschoss möglich wäre, weil
sie beim Durchtritt durch das Opfer taumeln. Derzeitige ballistische
Widerstandsmaterialien bringen solche Projektile mit hoher Geschwindigkeit
zum taumeln, sobald sie aus der Weste austreten und in das Opfer eintreten,
und erhöhen
so eigentlich die Instabilitätswirkung.
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Schließlich wurden Projektile mit
geringerer Geschwindigkeit, wie beispielsweise Munition für Pistolen,
entwickelt, die ballistische Schutzwesten durchdringen konnten.
Das wurde erreicht, indem der Oberflächenreibungskoeffizient in
Bezug auf das ballistische Widerstandsmaterial verringert wurde.
Eine Außenbeschichtung
mit Polytetrafluorethylen (PTFE) ergibt ein Projektil, das viele
ballistische Widerstandsmaterialien durchdringen kann.
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Fasern sind die Basis aller ballistischen
Textilstrukturen, und um den höchsten
ballistischen Widerstand zu erreichen, muss die Festigkeit der Fasern
auf die wirksamste Weise genutzt werden. Wenn ein Projektil auf
die Oberfläche
eines Materials trifft, wird seine Energie in Kraft umgewandelt,
sobald die Oberfläche
des Projektils mit der Oberfläche
der Struktur in Kontakt kommt. Die Kraft des Aufpralls auf einem
ballistischen Widerstandsmaterial wird entlang der Faser- oder Garnachse
und an jedem Verflechtungspunkt absorbiert, wo sie weiter abgeleitet
wird. Die Ableitung erfolgt somit durch die Dehnungsmechanismen
in den Fasern selbst und durch die Faser-an-Faser-Reibung an den
Kontaktpunkten zwischen den Faseroberflächen, insbesondere an den Faser-
oder Garn-Kreuzungspunkten. Die Energie, die erforderlich ist, damit
ein Material eine Phasenänderung
durchläuft,
kann auch dazu dienen, Aufprallenergie zu absorbieren oder abzuleiten.
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In einem Gewebe kommen Fasern oder
Filamente enthaltende Garne an Kreuzungspunkten, so genannten Verflechtungspunkten,
miteinander in Kontakt. Der Dehnungsmechanismus zur Energieabsorption
kann mechanisch durch das Materialzugverhalten beschrieben werden,
bei dem Fasern mit sehr großer
Festigkeit fast Hookesches Verhalten aufweisen, somit als primär als s = E × εreagieren,
worin
s = die Spannung oder Lastkraft pro Flächeneinheit der
Fasern ist,
ε =
die Verformung oder das Dehnungsausmaß der Fasern aufgrund der darauf
wirkenden Last ist, und
E = der Elastizitätsmodul ist, ein Materialmerkmal, das
für jedes
Material einzigartig ist und von seiner chemischen und physikalischen
Zusammensetzung abhängt.
Wenn die Querschnittfläche
des Materials bekannt ist, kann Spannung in Kraft umgewandelt werden.
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Die Verflechtungspunkte erfordern
eine weitere Absorption der Kraft eines auftreffenden Projektils,
weil die Bewegung von Fasern oder eines Garns entlang dem Körper einer
anderen, damit in Kontakt stehenden Faser oder eines solchen Garns
nur stattfinden kann, wenn die für
die Bewegung erforderliche Kraft größer ist als die vorliegende
Reibung. Die Reibungskraft in einer verflochtenen Faserstruktur
kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: F2 = F1eworin
F2 = die zur Bewegung von Fasern an den Verflechtungspunkten
erforderliche Kraft ist,
F1 = die inhärente Kraft
in der Materialstruktur, die sie zusammenhält, ist,
e = die natürliche Logarithmus-Basiszahl
ist, eine Natur-Konstante
= der Reibungskoeffizient des Materials
ist
= der Winkel ist, in dem sich die Fasern oder Garne an
den Verflechtungspunkten um die Oberfläche der anderen wickeln.
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Die Materialien können Gewebe oder Vliesstoffe
sein. Ein Gewebe wird aus Garnen hergestellt, die aus verzwirnten
Fasern oder aneinander gefügten
Filamenten bestehen, die der Breite und Länge der Materials entlang laufen
und miteinander verwoben sind. Ein Vliesstoft wird aus Fasern hergestellt, die
nicht in Garnen zusammengefügt
sind und die in der Materialstruktur in verschiedene Richtungen
angeordnet sind. Die faserartige Gewebestruktur kann unter Einsatz
von thermischen, inhärenten,
chemischen oder mechanischen Techniken verbunden werden.
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Die meisten gewebten Kevlar®-Strukturen weisen
Garnfestigkeits-Translationseffizienzen zwischen 60 und 80% auf,
was bedeutet, dass zwischen 60 und 80% des Aufpralls entlang der
Fasern abgeleitet werden. Die Translationseffizienz ist die Energiemenge,
die entlang der Faserachse absorbiert wird. Der Verlust an Festigkeit
wird daran gemessen, wie viel Kraft erforderlich ist, um das Material
in Längs-
oder Achsenrichtung zu zerreißen.
Die Faser-an-Faser-Reibung unterstützt die Absorption von Energie
in allen Textilarten, wobei die Dehnungs-Wellengeschwindigkeit eines
Fasersystems genutzt wird. Diese Art der Aufprallableitung ist vor allem
bei einer Vliesstoffstruktur von Vorteil, weil in einem Vliesstoff
eine große
Anzahl an Faserkontaktpunkten vorhanden ist und diese in der Struktur
viele verschiedene Richtungen angeordnet sein können.
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Die Dehnungs-Wellengeschwindigkeit
ist die Geschwindigkeit, mit der Fasern oder eine Struktur Dehnungsenergie
absorbieren und ableiten können. Sie
kann wie folgt ausgedrückt
werden: V = F/m
worin
v = die Dehnungs-Wellengeschwindigkeit
ist,
F = die Kraft des Projektils ist, die auf die Fasern wirkt,
und
m = die lineare Dichte in kg/m ist.
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v kann auch wie folgt ausgedrückt werden: v = E/ρworin
ρ = die relative
Dichte eines Materials ist.
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Durch die Kombination der Gleichungen kann
ein Ausdruck für
die optimale Dissipation der Aufprallenergie erhalten werden: F = Em/ρ
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Je mehr Aufprallenergie eine Struktur
ableitet, desto wirksamer ist der Energieabsorptionsmechanismus.
In einer vernadelten Struktur finden drei Reaktionen statt, wenn
ein Projektil darauf auftrifft. Diese Reaktionen sind Faserdehnung,
Faserbewegung (Verrutschen) und Faserbrechen. Je besser diese Merkmale
optimiert sind, desto besser sind die ballistischen Eigenschaften
des Textilstoffs. Denier und Länge
der Fasern sind wichtig, wenn die Faser-an-Faser-Reibungseigenschaften
innerhalb einer vernadelten Struktur in Betracht gezogen werden.
Denier ist ein Maß für die Feinheit
von Fasern, definiert als die Masse in Gramm pro 9.000 Metern Länge. Je
kleiner der Denier-Wert und je größer die Länge, desto besser sind die
Reibungseigenschaften, die in der Struktur erzeugt werden können. Der Grund
dafür ist,
dass ein größerer Oberflächenbereich
der Fasern in Kontakt miteinander ist, wenn diese klein und lang
sind. Bewegung in Gegenwart von ausreichend Reibung kann Energie
durch die Erzeugung von Wärme
ableiten. Je mehr Reibung in einer Struktur erzeugt wird, ohne dass
es zu katastrophalen Faserbrüchen
kommt, desto mehr Aufprallenergie kann absorbiert werden. Ein Vliesstoff
zwingt das Projektil aufgrund der weiten Streuung der Filamente im
unverzwirnten Garn, beim ersten Aufprall viel mehr Fasern miteinzubeziehen
als das bei einem Gewebe der Fall ist. Die Übertragung von Körperwärme und
Dunst ist bei ballistischen Vliesstoften besser, sowie auch die
Flexibilität
des Materials. Der ballistische Vliesstoff bringt außerdem geringere
Produktionskosten mit sich, da weniger Rohmaterial und weniger Verarbeitungsschritte
erforderlich sind.
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Die zwei wichtigsten Textilstoffe,
die derzeit zum ballistischen Schutz eingesetzt werden, sind Polyaramid-Filamentgarne
(Kevlar®)
als Gewebe und Spectra Shield® als Verbundstoff. Kevlar®-Westen werden
im Allgemeinen aus Kevlar 29-, 49- oder 129-Filamentgarn hergestellt,
das mit 12,2 × 12,2
pro cm (31 × 31
pro Zoll) zu einer Leinwandbindung verarbeitet wird, wobei 16 bis
24 Schichten übereinander
gelegt werden, was ein Gewicht von 1,6 bis 2,5 kg (3,5 bis 5,5 Pfund)
ergibt, um den gewünschten ballistischen
V50-Schutz von 1.500 bis 1.700 Fuß pro Sekunde (460 bis 520
Meter/Sekunde) zu erhalten. Die Weste ist normalerweise 0,5 bis
0,84 cm (0,2 bis 0,33 Zoll) dick.
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Kevlar®-Fasern
sind sehr hitzebeständig
und schmelzen daher nicht aufgrund der durch Faser-Faser- oder Faser-Fragment-Reibung
entstehenden Hitze. Kevlar®-Fasern verformen sich nur durch den Fibrillierungsmechanismus.
Die Fasern werden kontinuierlich verschoben, bis sie festsitzen,
und brechen dann, bis zu dem Punkt, an dem der Textilstoff die Projektilenergie
absorbiert oder das Projektil aus der Struktur austritt.
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Die Spectra®-Fasern
verformen sich anders als Kevlar®. Die
Fasern, die über
die Oberfläche
anderer Fasern gezogen werden, erhöhen die Oberflächentemperatur
der Fasern bis zu einem Punkt, an dem sie erweicht und permanent
verformt sind. Da das Spectra® auf den Schmelzpunkt
erhitzt wird, wird bei der Faserüberkreuzung
lokal beträchtliche
Energie verbraucht, um eine Phasenänderung in der Polyethylenfaser
auszulösen.
Wenn das Geschoss durch die Schichten dringt, werden mehr Fasern
mit viel höherer
Geschwindigkeit übereinander
gezogen, wodurch mehr Hitzeenergie durch Faser-an-Faser-Reibung
und Zustandsveränderungen
verbraucht wird. Dieser Energieabsorptionsmechanismus trägt teilweise
zur im Vergleich mit 100% Kevlar auftretenden Steigerung der ballistischen
V50-Widerstandswerte bei, die bei Hochmodul-Fasermischungen zu beobachten
sind.
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Das hierin geoffenbarte Mufti-Struktur-Material
nutzt die ballistischen Eigenschaften von herkömmlichen Geweben mit harter
Oberfläche
und harzimprägnierten
Verbund- und/oder
festen Plattenstrukturen. Die vorliegende Erfindung verbessert den V50-Wert dramatisch,
indem Schichten aus ballistischem Vliesgewebe und eine Schicht mit
in einem ballistischen Vliesstoff eingebetteten geometrischen Formen
aufgenommen werden. Durch die Variierung der Kombinationen dieser
Schichten kann der optimale ballistische Widerstand zum Schutz gegen
spezifische Projektilkategorien bereitgestellt werden. Die hierin
angeführten
Kombinationen sind nur Beispiele und dienen nicht der Einschränkung der
Anmeldung.
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Das in 1 dargestellte
Multi-Struktur-Material 10 umfasst drei Schichten aus einem
Gewebe mit harter Oberfläche
oder einem Verbundmaterial 12, 18 und 20,
doppelte Schichten aus ballistischem Vliesstoff und eine mittlere
Schicht aus ballistischen Vliesstoff mit darin eingebetteten geometrischen
Formen 22. Die Schichten sind von außen nach innen wie folgt angeordnet: äußere harte
Oberflächenschicht 12,
erster ballistischer Vliesstoff 14, innere harte Oberflächenschicht 18,
geometrische Schicht 22 aus in einem ballistischen Vliesstoff
eingebetteten geometrischen Formen, harte Unterlagsschicht 20 und
Ausfütterung
aus ballistischen Vliesstoff 16. Obwohl hierin nur eine
geometrische Schicht 22 dargestellt ist, können auch
mehrere geometrische Schichten vorhanden sein, falls dies gewünscht ist.
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Die äußere harte Oberflächenschicht 12 dient
dazu, die Abbremsung der Projektilbewegung und eine Deformation
der Projektiloberfläche
zu beginnen. Wie oben schon erwähnt
wurde, schmilzt Spectra® bei relativ niedrigen
Temperaturen. Deshalb wird vorgeschlagen, dass ein Flammschutzmittel
in Kombination mit dem Spectra® verwendet wird, um zu
verhindern, dass das Spectra aufgrund der hohen Temperaturen in
Zusammenhang mit einem Mündungsknall
in großer
Nähe einer
Zielperson zu brennen beginnt oder schmilzt. In Fällen, in
denen die Endanwendung Geschossen oder Projektilen mit extrem großer Energie,
wie beispielsweise russischer 7,62 mm Munition, 7,62 mm NATO, Kaliber
.243 oder .30-06 Kalibermunition, standhalten soll, kann ein festes
Oberflächenmaterial
durch das harte Oberflächenmaterial
ersetzt oder mit diesem kombiniert werden. Da das feste Oberflächenmaterial
die normale Flexibilität
des ballistischen Multi-Struktur-Materials aufhebt, wären Drehgelenke
erforderlich, um die Bewehrung um den Körper des Trägers zu krümmen.
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Die erste ballistische Vliesstoffschicht 14 stellt
die erste von mehreren Verbesserungen dar, welche die vorliegende
Erfindung im Vergleich zu den herkömmlichen ballistischen Geweben
aufweist. Die Vliesstofffasern reagieren von Natur aus auf die Energie
und die Hitze, die vom Geschoss durch Phasenänderung und Fibrillierung übertragen
werden. Diese Kettenreaktionen entziehen dem Geschoss mehr und mehr
Energie, wenn es durch die Schicht 14 tritt. Der durch
das Geschoss produzierte Aufprall zwingt die Fasern in der Vliesstoftschicht 14,
sich in Bezug auf einander zu bewegen, wodurch ausreichend Reibung
entsteht, um Hitze zu erzeugen und die Spectra®-Fasern über ihren
vergleichsweise niederen inhärenten
Schmelzpunkt zu erhitzen. Die Fasern absorbieren die mit dem ballistischen
Aufprall auftretende Energiekonzentration, indem sie sie durch die
oben beschriebenen Mechanismen der Verformung, der Reibung und der
durch Reibung erzeugten Hitze ableiten, die dazu führen, dass
die Spectra®-Fasern
eine Phasenänderung
durchlaufen, d. h. schmelzen, während
sie in Kontakt mit den angrenzenden Kevlar®-Fasern
sind. Wenn Kevlar® von einem Projektil getroffen
wird, dann fibrilliert es und bricht entlang der Längsachse
der Fasern, wodurch weitere Energie absorbiert wird. Da das Vliesgewebe vernadelt
ist, wird die Mischung aus Fasern durch Obertlächenkontaktreibung zusammen
gehalten, wodurch keine Bindematerialien erforderlich sind und eine
freie Faser-an-Faser-Bewegung möglich
ist. Wenn die Deformation des Projektils durch einen Aufprall auf
die ersten, harten Schichten begonnen wird, wird der Weg des Projektils
beim Durchtritt durch das Vliesstoffmedium weiter abgelenkt. Das Ausmaß der Deformation
des Projektils hängt
von der Materialzusammensetzung des Projektils (z. B. FMJ, Weichblei,
Hohlspitze usw.) und der Zusammensetzung der harten Schichten ab.
Die Wahl des Materials für
die ersten Schichten hängt
davon ab, welcher Bedrohung der Träger ausgesetzt ist. Im Falle
von Hohl- oder Weichspitzmunition kann der Vliesstoff die gewünschte Aufpilzung
des Projektils verhindern oder sogar rückgängig machen, wodurch die Wirkung
des Projektils aufgehoben wird.
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Die Zwischenschicht 18 ist
ein optionale Schicht, wird jedoch empfohlen, wenn Geschosse mit
großer
Energie erwartet werden. Die Zwischenschicht 18 ist ein
Gewebematerial mit harter Oberfläche,
das der ersten Schicht 12 ähnelt. Die Zwischenschicht 18 muss
jedoch keine so harte Oberfläche aufweisen
wie die erste Schicht 12 und kann flexibler sein. Die Zwischenschicht 18 dient
dazu, die Geschwindigkeit des Geschosses weiter abzubremsen und
weitere Energie zu absorbieren.
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Die geometrische Schicht 20 umfasst
eine einzelne geometrische Form oder eine Kombination von geometrischen
Formen, die in eine ballistische Vliesstoffschicht eingebettet sind.
Die geometrischen Formen sind vorzugsweise miteinander in Kontakt, um
die zweckdienliche Übertragung
von Energie von einer Form auf die andere zu ermöglichen. Die geometrischen
Formen können,
in Abhängigkeit
von Gewichtsbeschränkungen
und Eigenschaften der Projektile, die das Material stoppen soll,
aus Keramik, Stahl, Polyethylen oder gleichwertigen Materialien bestehen.
Die Polyeder können
fest sein oder auf einer Seite offen und hohl sein. Die hohle Form
verringert nicht nur das Gewicht, sondern erhöht außerdem die Wirkung des Vliesstoffmaterials
bei der Energieabsorption. Die offene Seite weist in Richtung des Trägers und
dient beim Aufprall als Fallschirm.
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Unterschiedliche Formen führen zu
verschiedenen Ergebnissen, und diese sind vorzugsweise so kombiniert,
dass sie die Bedürfnisse
des Trägers
erfüllen.
Obwohl durch die Verwendung spezialisierter Formen andere Ergebnisse
erzielt werden, ist das keine Alles-oder-Nichts-Frage, sondern eine
Frage der Optimierung der Schutzmöglichkeit für den Träger. Eine Weste, die eine .22
stoppt, würde
auch eine .38 stoppen, nicht jedoch eine russische 7,62 mm. Außerdem richtet
sich die Optimierung nach einer Reihe verschiedenster Kriterien
und spezieller Endzwecke. Streitkräfte brauchen beispielsweise
einen höheren
Grad an Schutz gegen eine erwartete Bedrohung als ein Stadtpolizist,
und ein Polizist braucht einen höheren
Grad an Schutz als ein Gefängniswärter.
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Durch die Verwendung von Kugelformen
in der geometrischen Schicht 20 wird die Wahrscheinlichkeit,
dass ein eintretendes Projektil eine Oberfläche trifft, die genau im rechten
Winkel zur Tangentialebene der Oberfläche steht, auf ein Minimum
reduziert, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass das Projektil
von seinem Weg abgelenkt wird. Die Kugeln sind vorzugsweise in Kontakt
miteinander, wobei der Aufprall des Projektils und die Ablenkung
zur einer Rotation der Kugeln und einer Dissipation der Aufprallenergie
führen.
Nachdem vom abgelenkten Projektil ausreichend Oberflächen getroffen
wurden, kann dieses zu einer Oberflächengeometrie geleitet werden,
die sich vorteilhafter auf die Bremswirkung der ballistischen Widerstandsmaterialien
auswirkt. Die Gesamt-Wirkung entspricht etwa der, wenn eine Anordnung
von Billardkugeln mit hoher Geschwindigkeit von einer Kugel getroffen
wird. Energie wird gleichzeitig in alle Richtungen auf die Kugeln übertragen.
Bei Kugeln erzeugen Kugeloberflächen
mit ausreichender Härte,
die in einen ballistischen Vliesstoff eingebettet sind, ausreichend
Rotation und Ablenkung des Projektils, um das Projektil auseinander
zu schneiden. Wenn die geometrischen Formen aus einem Thermoplast
hergestellt werden, führt
die Hitze dazu, dass die Oberflächen
der Formen schmelzen, da ein Teil der Energie des Geschosses vom
Kunststoff absorbiert wird.
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Die Verwendung von mehrseitigen Polyedern,
beispielsweise einer hexagonalen Pyramide, von herkömmlichen
Pyramiden oder von anderen spitzwinkeligen Formen, dient dazu, das
Geschoss von seinem Weg abzulenken. Obwohl ein Geschoss, das direkt
in die geometrische Schicht geschossen wird, eventuell nicht angemessen
abgelenkt wird, absorbiert die Kombination der Gewebe- und Vliesstoffschichten
vor dem Eintritt in die geometrische Schicht eine ausreichende Menge
Energie, so dass die mit Winkeln versehenen geometrischen Formen
das Geschoss von seinem Weg ablenken können. Um optimale Ergebnisse
zu erhalten, werden die mehrseitigen Polyeder nebeneinander platziert.
Außerdem
ist anzumerken, dass die einzelnen geometrischen Formen das Geschoss
nicht weit ablenken müssen,
da jede Form, mit der das Geschoss in Kontakt kommt, das Geschoss
weiter vom seinem Weg ablenkt. Das wird im Folgenden genauer erläutert.
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In 2 sind
die geometrischen Formen Pyramiden 52, die in den ballistischen
Vliesstoff 54 eingebettet sind, wobei die Basis 56 der
einzelnen Pyramiden 52 in Kontakt mit den jeweils benachbarten Basen 56 sind.
Wie hieraus ersichtlich ist, sind die Pyramiden 52 in unterschiedlichen
Höhen im
ballistischen Vliesstoff 54 angeordnet, um eine weitere
Ablenkung des Geschosses 66 zu ermöglichen. Diese Konfiguration
optimiert die inhärenten
ballistischen Merkmale von spitzen Hochgeschwindigkeitsgeschossen,
wie beispielsweise russische 7,62 mm, 7,62 mm NATO, Kaliber .243
oder .30-06 Kalibermunition, um das Projektil abzuwehren. Die Spitzen
der Pyramiden 52 weisen zur Außenseite des Multi-Struktur-Materials 50.
Das Geschoss 66 tritt in das Multi-Struktur-Material 50 ein
und wird durch die erste harte Oberflächenschicht 60 gebremst.
Beim Eintritt in die ballistische Vliesstoftschicht 62 wird
durch die Phasenänderung
und Deformation zusätzliche Energie
abgeleitet, wodurch das Geschoss 66 weiter gebremst wird.
Eine Zwischenschicht mit harter Oberfläche 64 bremst das
Geschoss 66 weiter ab und lenkt es von seinem Weg ab. Die
Kettenreaktion im Vliesstoft 62 ist extrem schnell, und
je länger
das Geschoss 66 im Vliesstoff 62 verbleibt, desto
mehr Energie wird dem Geschoss 66 entzogen, um die Phasenänderung
der Vliesstoffschicht 62 zu ermöglichen. Bei Kontakt mit der
Pyramide 52 nimmt das Geschoss 66 den Weg des
geringsten Widerstandes folgt dem Weg A entlang der Seite der Pyramide 52, bis
es in Kontakt mit einer angrenzenden Pyramide 52 kommt.
Das Geschoss 66 verbraucht weiter Energie, während es
seinen Weg durch die in den Vliesstoff eingebetteten Pyramiden 52 sucht.
Wenn es durch die Schicht mit den geometrischen Formen 68 durch
ist, ist das Geschoss 66 abgebremst und abgedreht worden,
wodurch es in einem bestimmten Winkel in die Unterlagsschicht 70 aus
ballistischem Gewebe eintritt. Wenn das Geschoss 66 die
Unterlagsschicht 70 durchdringen kann, tritt es in die
letzte innere Schicht 72 aus ballistischem Vliesstoft ein.
An diesem Punkt ist das Geschoss 66 abgebremst und nähert sich
dem Körper
in einem Winkel und nicht frontal. Der Winkel zwingt das Geschoss 66 außerdem dazu,
der letzten inneren Vliesstoffschicht 72 zusätzliche
Oberfläche
zu zeigen, sowie in der letzten Innenschicht 72 länger zu
verweilen. Die zusätzliche Oberfläche und
Zeit ermöglichen
der letzten inneren Vliesstoffschicht 72 die Absorption
von mehr Energie vom Projektil. Je nach anfänglicher Eintrittsgeschwindigkeit,
Anzahl an Schichten aus Vliesstoff und gewebtem ballistischem Widerstandsmaterial und
dem Projektilmaterial kann das Projektil auf seinem Weg durch die
vorliegenden Schichten gestoppt oder zerlegt werden.
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Besteht das Ziel darin, ein Geschoss
mit abgeflachter Spitze zu stoppen, ist ein Polyeder, wie beispielsweise
ein quadratischer oder rechteckiger Festkörper optimal. Obwohl hierin
nur ein rechteckiges Polyeder dargestellt und beschrieben ist, kann jedes
beliebige Polyeder mit flacher Oberfläche verwendete werden, das
den gewünschten
Widerstand bereitstellt. Beim ersten Aufprall kann die abgeflachte Spitze
des Geschosses 102 in 3 nicht
leicht zwischen den Verflechtungen der Gewebestruktur eindringen,
und die breite Spitze tritt eher mit einer größeren Anzahl an Fäden in Kontakt,
wodurch sie auf mehr Widerstand stößt. Sobald sie die Gewebeschicht
durchdrungen hat, trifft die abgeflachte Spitze 102 auf
die erste Vliesstoffschicht. Das Geschoss mit abgeflachter Spitze 102 stellt
der Vliesstoffschicht eine große
Oberfläche
gegenüber,
wodurch die Deformationskettenreaktion gespeist wird. Die Polyeder-Konfiguration
verringert die Geschwindigkeit des Geschosses, und in vielen Fällen stoppt
sie es sogar. Wie aus 3 ersichtlich
ist, sind die rechteckigen Polygone 106 und 108 auf
zwei Ebenen angeordnet. Die obere Ebene 106 fängt den
anfänglichen
Aufprall des Geschosses 102 auf, wobei die Kraft des Geschosses 102 die
rechteckigen Polygone 106 nach unten in den Vliesstoff
104 drückt. Die
Aufprallkraft der rechteckigen Polygone 106 und des Geschosses 102 führt dazu,
dass der umliegende Vliesstoff 104 eine Phasenänderung
durchläuft,
wodurch dem Geschoss 102 die Energie entzogen wird. Wenn
die rechteckigen Polygone 106 nach unten gedrückt werden,
treten sie auch mit den Rechtecken 108 in Kontakt, die
Energie entlang der Reihen von rechteckigen Polygonen 106 übertragen.
Bei ausreichend dicht gepackten rechteckigen Polygonen oder Kombinationen
von rechteckigen Polygonen vor einer Schicht aus Kugeln wird das
Projektil vollkommen gestoppt, und Energie wird in einem rechten
Winkel zum Weg des Projektils vom Träger weg geleitet. Der Aufprall
des Geschosses 102 auf den Rechtecken 106 und 108 führt dazu,
dass die Spitze des Geschosses auseinander geht, wodurch der Vliesstoff 104 einer
noch größeren und
unregelmäßigen Oberfläche ausgesetzt
wird.
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Eine Art Schrotflintenmunition, die
leicht erhältlich
ist, umfasst eine Bleispitze mit einem darin eingebetteten Stahlstab.
Das Gewicht der Bleispitze wirft das Opfer um, und der Stahlstab
durchdringt die Spitze am Ende des Projektils, um in den Körper des Opfers
einzudringen, was herkömmliche
Westen nicht stoppen konnten. Das Multi-Struktur-Material der vorliegenden
Erfindung wird zumindest das direkte Eindringen des Stahlstabs,
und optimalerweise den Stahlstab komplett stoppen. Der ballistische Vliesstoff
dient dazu, scharfe Objekte, wie beispielsweise den Stahlstab, durch
die Überlappung
der willkürlich
angeordneten Fasern dramatisch abzubremsen. Die Schicht mit geometrischen
Formen dient dazu, den Stahlstab von seinem direkten Weg abzulenken.
Wenn die Kraft des Stahlstabs ausreicht, um durch die geometrischen
Formen durchzudringen, bewegt er sich doch in einem bestimmten Winkel zum
ursprünglichen
Weg fort. Die letzte innere Vliesstoffschicht bremst den Stahlstab
weiter ab und lenkt ihn von seinem Weg ab. Wie weit dieser eindringt, hängt vom
Kaliber, von der Form und von der Härte des Geschosses sowie von
der Wirkgeschwindigkeit mit der ballistischen Widerstandsstruktur
ab.
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Hoffnungen für die nächste Generation von Waffen
konzentrieren sich auf Laser. Um Laser abzuwehren und den Träger zu schützen, kann
die vorliegende Erfindung durch die Verwendung von Reflexions- und
Brechungsmaterialien angepasst werden. Laser sind, als konzentrierte
Lichtstrahlen, dazu ausgerichtet, jedes Material zu durchschneiden.
Die einzige Möglichkeit,
die Schneidewirkung eines Laserstrahls umzuleiten, besteht darin,
seinen Weg durch Reflexion zu ändern.
Brechung dient dazu, die Intensität des Strahls zu "verdünnen". Wie in 5 dargestellt ist, werden
hochglanzpolierte Kugeln 252 in Kombination mit einem Reflexionsmaterial 254 verwendet,
um einen Laserstrahl vom Körper
des Träger weg
zu reflektieren. Die Verwendung von kristallinen Materialien in
den Pyramiden 202 aus 4 in
Kombination mit der Reflexionsbeschichtung 204 führt dazu,
dass der Laserstrahl in den kristallinen Pyramiden 202 und
der Reflexionsbeschichtung 204 reflektiert und gebrochen
wird, was verhindert, dass der Laser in Kontakt mit dem Körper des
Trägers
kommt. Leichte Strahlung vom Laser wird von einer polierten Kugeloberfläche in dem
Ausmaß reflektiert,
wenn die Oberfläche
glatt ist und kein Licht absorbiert. Wenn thermoplastische Materialien
vorhanden sind, wird die Laserstrahlung in den Frequenzen absorbiert,
die der molekularen Zusammensetzung und den vorhandenen Konfigurationen
entsprechen, und Hitze, Phasenänderung
und Zersetzung werden ausgelöst.
In nichtthermoplastische Materialien findet eher direkte Zersetzung
als Fibrillierung statt, im Einklang mit der Wirkung, die Kinetische-Energie-Waffen auf
solche Materialien haben. Obwohl die Wirkung das Schutzmaterial
letztendlich zerstört,
verhindert das Schutzmaterial, dass das Opfer verletzt wird, indem
es die Strahlungsenergie absorbiert, so dass diese das Opfer nicht
treffen kann. Obwohl hierin Pyramiden dargestellt sind, können auch
andere auf dem Gebiet der Erfindung bekannte geometrische Formen
verwendet werden, die Lichtreflexion und -brechung verbessern. Die
besten Ergebnisse werden erzielt, wenn Polygone und Kugeln in der
geometrischen Schicht kombiniert werden. Die Kombination von Formen kann
entweder in separaten Unterschichten oder in homogenen Gemischen
erfolgen.
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TESTPARAMETER
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Bei allen Tests wurde 115 Grain schwere 9-mm-Munition
mit Kupfermantel unter Verwendung einer europäischen Polizeipistole aus einer
Entfernung von 1,5 m (5 Fuß)
abgeschossen. Die 30,5 × 30,5 × 1,9 cm
(12'' × 12'' × 0,75'') großen Proben wurden auf einem
Träger
aus weichem Ton platziert, um die Deformation des Materials durch
den Aufprall bewerten zu können.
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BEISPIEL I
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Ein Multi-Struktur-Material wurde
aus fünf
(5) Schichten Mischvliesstoff 54 hergestellt. Die geometrische
Schicht 56 bestand aus Stahlkugeln, die in einer Schicht
aus ballistischem Vliesstoff eingebettet waren. Eine dritte Schicht 58,
die aus fünf
(5) Unterschichten aus ballistischem Vliesstoff bestand, lag direkt
auf der Zielträger
auf.
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Drei Magazine Munition wurde in das
Multi-Struktur-Material 50 gefeuert. Das Geschoss trat
in die Vliesstoffschicht 54 ein, wo es abgebremst wurde.
Beim Eintritt in die geometrische Schicht 56 prallte das
Geschoss auf eine der Kugeln auf, wurde abgelenkt und löste eine
Rotation und Verlagerung der Kugel in der Struktur aus; die Kugeln
waren von ballistischem Widerstandsvliesstoff umgeben. Die Bewegung
der getroffenen Kugel(n) löste
eine Rotation in den benachbarten Kugeln aus, so dass alle Kugeln zu
rotieren begannen, während
das Geschoss kontinuierlich abgelenkt wurde. In diese Beispiel wurden die
9-mm-Geschosse in der geometrischen Schicht vollkommen zerlegt und
konnte so nicht weiter eindringen. Restliche Kugelfragmente bestanden
aus Stücken
dünner
Kupfer-Beschichtungsfragmente und Bleipulverfragmenten. Die durch
das Geschoss erzeugte Kraft wurde in der gesamten Probe verteilt, zuerst
von den ersten Vliesstoffschichten, dann von den rotierenden Kugeln,
und schließlich
von den letzten Vliesstoffschichten. Beim Entfernen des Testmaterials
vom Tonträger,
war kaum eine Deformation erkennbar, was zeigt, dass die Kraft des
Aufpralls transversal umgeleitet wurde.
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BEISPIEL II
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Ein Multi-Struktur-Material wurde
auf ähnliche
Weise wie in Beispiel I hergestellt, mit der Ausnahme, dass die
geometrische Schicht aus unregelmäßigen, willkürlichen
geometrischen Polygonen aus Polyethylen bestand. Zwei Magazine 9-mm-Munition
wurde in die Probe gefeuert. Die Projektile wurden in der ersten
Vliesstoftschicht abgebremst. Beim Eintreten in die Schicht mit
den unregelmäßigen Polyethylen-Polyedern lenkten
die unregelmäßigen geometrischen
Oberflächen
das Geschoss von seinem Weg ab und verteilten Energie auf benachbarte
Polygone und das umliegende Vliesstoffmaterial. Auch eine Phasenänderung
der unregelmäßigen Polyethylen-Polygone
aufgrund der Energieübertragung
vom Projektil konnte nachgewiesen werden. Alle Geschosse wurden
in der geometrischen Schicht gestoppt, wobei sowohl unregelmäßige Polyethylen-Polygone
als auch Geschosse leicht in eine Schicht der zweiten Vliesstoffschicht
eintraten. Die Geschosse waren intakt, nachdem sie gestoppt worden
waren, aber die Spitzen der Geschosse wiesen starke Oberflächendeformationen
auf. Deformationen auf der Rückseite
wiesen eine Tiefe von 3–4
mm auf und waren über
einen Radius von 30 mm verteilt.
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BEISPIEL III
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Ein Multi-Struktur-Material wurde
wie in den vorangegangenen Beispielen hergestellt, wobei jedoch
anstelle des Polyethylens unregelmäßige Polygone aus Polycarbonat-Material in der geometrischen
Schicht verwendet wurden. Zwei Magazine Munition wurden in die Probe
gefeuert und traten durch das gesamte Multi-Struktur-Material hindurch.
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Wie aus Beispiel III ersichtlich
ist, können
die verwendeten Materialien nicht willkürlich gewählt werden. Polycarbonat besitzt
einen viel höheren Schmelzpunkt
als Polyethylen. Das Versagen von Polycarbonat ist wahrscheinlich
auf seinen hohen Schmelzpunkt zurückzuführen, der einen Phasenänderung
verhindert. Somit wird das Geschoss einfach durch die Polygone gedrückt und
nicht durch die Phasenänderung
des Polyethylens aufgehalten.
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BEISPIEL IV
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Tests wurden durchgeführt, um
zu verhindern, dass runde 7,62 × 39
mm Mantelgeschosse ballistische Westen durchdringen. Das Vergleichsmuster
umfasste 2 Bahnen aus gewobenen Kevlar-Westen Level-II, hergestellt
von Point Blank und erhalten von der Polizei von Auburn, Alabama,
USA. Das Projektil war ein rundes 74,62 × 39 mm Mantelgeschoss vom
Zieltyp, das aus einem russischen SKS-Karabiner aus einer Entfernung von 4,6
m (15 Fuß)
abgefeuert wurde. Der Test ergab 2 komplette Durchdringungen, keine
Aufpilzung des Projektils und Beweise für das Austreten des Projektils.
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BEISPIEL V
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Das Testbeispiel V bestand aus einer
(1) Vergleichsmusterbahn wie in Beispiel IV, sechs (6) Schichten
eines Kevlar/Spectra-Mischvliesstoffs, einer (1) Schicht mit geometrischen
Einlagen, die sechs (6) 0,95 cm (3/8'')
große
hexagonale Polyeder umfassten, achtzehn (18) 0,64 cm (1/4'') großen Kugeln, sieben (7) Schichten
Kevlar/Spectra-Mischvliesstoff und einer (1) Vergleichsmusterbahn.
Die Schichten wurden unter Verwendung von herkömmlichem Verpackungsklebeband
miteinander verbunden. Ein rundes 7,62 × 39 mm Mantelgeschoss vom Zieltyp
wurde aus einem russischen SKS-Karabiner aus einer Entfernung von
4,6 m (15 Fuß)
abgefeuert. Es kam zu keiner kompletten Durchdringung. Die geometrischen
Einlagen und das Geschoss wurden zerstört. Einige Fragmente durchdrangen
jedoch alle Vliesstoffschichten. Ein Fragment durchdrang auch die äußeren Ränder der
Vergleichsmusterbahn.
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BEISPIEL VI
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Das Testbeispiel VI bestand aus einer
(1) Vergleichsmusterbahn (Beispiel IV), sechs (6) Schichten eines
Kevlar/Spectra-Mischvliesstoffs, einer (1) Schicht mit geometrischen
Einlagen, die sechs (6) 1,3 cm (1/2'')
große
hexagonale Polyeder umfassten, achtzehn (18) 0,95 cm (3/8'') großen Kugeln, sieben (7) Schichten
Kevlar/Spectra-Mischvliesstoff
und einer (1) Vergleichsmusterbahn. Die Probe wurde unter Verwendung
von herkömmlichem Verpackungsklebeband
miteinander verbunden. Ein rundes 7,62 × 39 mm Mantelgeschoss vom
Zieltyp wurde aus einem russischen SKS-Karabiner aus einer Entfernung
von 4,6 m (15 Fuß)
abgefeuert. Die Kombination von Beispiel VI führte zu keiner kompletten Durchdringung.
Die geometrischen Einlagen und das Geschoss wurden zerstört. Einige
Fragmente durchdrangen drei (3) der hinteren Vliesstoffschichten.
Keine Fragmente drangen zur hinteren Kontrollbahn durch.