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EP3141863B1 - Bauteil für ballistische schutzanwendungen und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Bauteil für ballistische schutzanwendungen und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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EP3141863B1
EP3141863B1 EP16185816.2A EP16185816A EP3141863B1 EP 3141863 B1 EP3141863 B1 EP 3141863B1 EP 16185816 A EP16185816 A EP 16185816A EP 3141863 B1 EP3141863 B1 EP 3141863B1
Authority
EP
European Patent Office
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component
composite
layers
layer
ceramic
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP16185816.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3141863A1 (de
EP3141863B8 (de
Inventor
Alexander Dohn
Ulf Herrmann
René Söllner
Alberto Garcia
Tobias Prüger
Jaime Schmitt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
QSIL Ceramics GmbH
Original Assignee
Barat Ceramics GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3141863B1 publication Critical patent/EP3141863B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0414—Layered armour containing ceramic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
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    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0414—Layered armour containing ceramic material
    • F41H5/0421—Ceramic layers in combination with metal layers

Definitions

  • the invention relates to components made of ceramic materials for ballistic protection applications.
  • such components are used for arming vehicles and for lifejackets.
  • Ceramic has been used for many years in combination with other materials as ballistic protection of persons and objects ( DE 1 578 333 A1 ).
  • the decisive advantage of a ceramic armor is a significant weight saving of the ceramic composite systems of more than 50% compared to conventional armor steels.
  • the properties of a ceramic material for ballistic or similar protection applications can be varied by the choice of the raw materials used, their composition and the process parameters during production (hardness, strength, toughness, density).
  • An optimal protective effect, especially in multi-hit stress can only be achieved by a combination of materials with high hardness (front) and high toughness (behind) ( US 2009/0217813 A1 ).
  • the hard layer in the front area has the task to deform or break the projectile.
  • the underlying layer or layers serve to intercept the projectile or its debris and the splinters of the destroyed ceramic.
  • Crucial is that the entire kinetic energy of the projectile is converted during the penetration into the ballistic protection by the destruction of the material into work and heat. So far, the problem is usually solved by a sandwich construction of ceramic materials and / or synthetic fibers and / or metals.
  • Such a component is disclosed in an intermetallic matrix metal / ceramic composite, its use as an armor material, and the method of making the same.
  • the EP 0 260 235 A2 discloses a molded article consisting of alternating layers of hard and tough (preferably steel) materials made by an extrusion process. The powdery ceramic hard materials of the hard layer are filled in a metal tube. By extrusion or isostatic pressing, the hard materials are distributed in a metallic matrix. The layer structure in the molding is not formed by a sintering process. There must always be a metal used as a matrix.
  • the invention has for its object to realize a component for ballistic protection applications, which ensures a more effective protection over the prior art.
  • the present invention is therefore a method for producing a front-back component according to independent claim 1. Furthermore, a manufactured by this method component for ballistic protection applications according to claim 2 and the dependent therefrom claims 3 and 4 subject of the present Invention.
  • the core of the invention is that two or more ceramic materials are layered in the manufacturing process, wherein in the layer structure targeted voltages are induced.
  • both functions detruction of the projectile and interception of the splitter
  • the stress (eg projectile) facing material layer has a high hardness and mainly leads to deformation, fragmentation and erosion of the impinging body.
  • the underlying materials or materials have a higher Toughness and thus hinder the crack propagation and thereby limit the damaged volume of armor.
  • the primary impulse of an impinging projectile is transferred to the protective body made up of layers or material gradients and split into as many small individual impulses as possible in different directions (billiard balls principle).
  • the compressive and tensile stresses introduced into the layer structure contribute to increasing the mechanical strength of one or more layers.
  • a targeted distribution and deflection of the impulse of the impinging body on the layer structure or the resulting fragments can take place.
  • the taut formed from layers or material gradients shaped body thus takes over an active function, so to speak.
  • the mechanical energy is converted into work for fragmentation or comminution of the composite in the vicinity of the impact. The smaller the fragments produced in a given volume, the more energy can be absorbed.
  • the various material layers are already produced in the green state before sintering.
  • the component may consist of dense and porous material layers. Porous layers can be filled or infiltrated after sintering with plastics, glasses or metals to modify certain properties.
  • Shaping may be by uniaxial dry pressing or other conventional molding techniques used in the ceramic industry (eg, casting, tape casting, spraying, isostatic pressing, printing).
  • the various materials can be separated or successively added to the tool or the mold and simultaneously formed into a green body.
  • the production can also be carried out by two or more successive shaping processes.
  • the stresses are introduced into the layer structure by the green densities of the layers set during shaping and the subsequent sintering process.
  • the green density before sintering can be influenced via the pressing pressure or the binder system.
  • a higher green density reduces the shrinkage during the sintering process, a low green density leads to a greater shrinkage.
  • the shrinkage can be varied in the range of almost 0% to 5% without significantly affecting the final density after sintering.
  • Are the green levels of a or different materials in the shaping of the layer system influenced as described, can be adjusted by the different shrinkages targeted tensile or compressive stresses.
  • the generated stresses must be “adjusted” so that they do not lead to cracks or delamination in the coating system.
  • the introduced stresses can be used during sintering or during joining processes to form curved contours of the finished molded bodies.
  • the resulting geometry contributes to the targeted impulse deflection.
  • FIGS. 1 to 3 are shown components with different layer structures.
  • the component consists of a first layer 1, a second layer 2 and a third layer 3.
  • First layer 1 and third layer 3 consist of different ceramic materials.
  • the second layer 2 consists of a mixture of the materials of the first layer 1 and the third layer 3.
  • the first layer 1 is functionally the particularly hard layer which destroys the projectile and the following layers intercept the splinters.
  • the component according to Fig. 2 has in addition to the structure according to Fig. 1 a connected via a joining zone 4 porous layer 5, which is filled with a plastic.
  • the stresses are introduced in such a way that a curved geometry of the layer structure is generated.
  • the geometry designed in this way contributes to targeted impulse deflection.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Aiming, Guidance, Guns With A Light Source, Armor, Camouflage, And Targets (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft Bauteile aus keramischen Materialien für ballistische Schutzanwendungen. Insbesondere werden derartige Bauteile zur Panzerung von Fahrzeugen und für Schutzwesten verwendet.
  • Keramik wird seit vielen Jahren in Kombination mit anderen Werkstoffen als ballistischer Schutz von Personen und Objekten eingesetzt ( DE 1 578 333 A1 ). Der entscheidende Vorteil einer keramischen Panzerung besteht in einer deutlichen Gewichtseinsparung der Keramikverbundsysteme von mehr als 50% im Vergleich zu den konventionellen Panzerstählen. Die Eigenschaften eines keramischen Werkstoffes für ballistische oder ähnliche Schutzanwendungen können durch die Auswahl der eingesetzten Rohstoffe, deren Zusammensetzung und die Prozessparameter bei der Fertigung variiert werden (Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Dichte). Eine optimale Schutzwirkung, insbesondere bei Multi-Hit-Beanspruchung, kann allerdings nur durch eine Kombination von Materialien mit hoher Härte (vorn) und hoher Zähigkeit (dahinter) erzielt werden ( US 2009/0217813 A1 ). Die harte Schicht im Frontbereich hat die Aufgabe das Projektil zu deformieren bzw. zu brechen. Die dahinter liegende Schicht oder Schichten dienen dem Abfangen des Projektils bzw. dessen Trümmer und der Splitter der zerstörten Keramik. Entscheidend dabei ist, dass die komplette kinetische Energie des Projektils während des Eindringens in den ballistischen Schutz durch die Zertrümmerung des Materials in Arbeit und Wärme umgewandelt wird. Bisher wird das Problem in der Regel durch einen Sandwich-Aufbau aus keramischen Materialien und / oder Kunstfasern und / oder Metallen gelöst. Mit der DE 103 03 351 B3 wird ein derartiges Bauteil aus einem Metall/Keramik-Verbundwerkstoff mit intermetallischer Matrix, dessen Verwendung als Panzermaterial und das Verfahren zu dessen Herstellung offenbart. Mit der EP 0 260 235 A2 wird ein Formkörper bestehend aus aus alternierenden Schichten von harten und zähen (bevorzugt Stahl) Materialien offenbart, der über ein Extrusionsverfahren hergestellt wird. Die pulverförmigen keramischen Hartstoffe der harten Schicht werden in ein Metallrohr gefüllt. Durch Extrusion oder isostatisches Pressen werden die Hartstoffe in einer metallischen Matrix verteilt. Der Schichtaufbau im Formkörper wird nicht über einen Sinterprozess gebildet. Es muss immer ein Metall als Matrix verwendet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil für ballistische Schutzanwendungen zu realisieren, das gegenüber dem Stand der Technik einen effektiveren Schutz gewährleistet. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Vorder-Rückseite gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Weiterhin ist ein mittels dieses Verfahrens hergestelltes Bauteil für ballistische Schutzanwendungen gemäß dem Anspruch 2 bzw. den von diesem abhängigen Ansprüchen 3 und 4 Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
  • Der Kern der Erfindung liegt darin, dass zwei oder mehrere keramische Materialien im Herstellungsprozess schichtförmig verbunden werden, wobei in den Schichtaufbau gezielt Spannungen induziert werden. Mit dem vorgeschlagenen Bauteil werden somit beide Funktionen (Zerstörung des Projektils und Abfangen der Splitter) in einem Komposite vereint und es erfolgt eine optimale Energievernichtung bzw. Impulsübertragung
    Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die erste, der Beanspruchung (z.B. Projektil) zugewandte Materialschicht eine hohe Härte besitzt und hauptsächlich zur Deformation, Fragmentierung und Erosion des auftreffenden Körpers führt. Das dahinter liegende Materialie bzw. Materialien haben eine höhere Zähigkeit und behindern so die Rissausbreitung und begrenzen dadurch das geschädigte Volumen der Panzerung.
  • Der Primär-Impuls eines auftreffenden Projektils wird aufgrund der Impulserhaltung auf den aus Schichten oder Materialgradienten aufgebauten Schutzkörper übertragen und in möglichst viele kleine einzelne Impulse mit verschiedenen Richtungen aufgespalten (Prinzip Billard-Kugeln). Die in den Schichtaufbau eingebrachten Druck- und Zugspannungen tragen zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit einzelner oder mehrerer Schichten bei. Durch das Lösen bzw. frei werden von Verspannungen kann eine gezielte Verteilung und Umlenkung des Impulses des auftreffenden Körpers auf den Schichtaufbau bzw. die entstehenden Bruchstücke stattfinden. Der verspannte aus Schichten oder Materialgradienten aufgebaute Formkörper übernimmt dadurch sozusagen eine aktive Funktion. Die mechanische Energie wird in Arbeit zur Zertrümmerung bzw. Zerkleinerung des Komposits in der näheren Umgebung des Einschlages umgewandelt. Je kleiner die in einem bestimmten Volumen erzeugten Bruchstücke sind, desto mehr Energie kann aufgenommen werden. Wird durch Spannungen gezielt eine gewölbte, nicht planare Geometrie erzeugt, kann diese ebenfalls zur Umlenkung des Primär-Impulses eingesetzt werden. Dieses Verhalten kann die Energieumwandlung und damit die Schutzwirkung insbesondere bei Multi-Hit Beanspruchung verbessern und z. B. zu einer Reduzierung der Materialstärke bzw. des Flächengewichtes einer Panzerung führen.
  • Die verschiedenen Materialschichten werden erfindungsgemäß bereits bei der Formgebung im Grünzustand vor dem Sintern erzeugt. Das Bauteil kann aus dichten und porösen Materialschichten bestehen. Poröse Schichten können nach dem Sintern mit Kunststoffen, Gläsern oder Metallen zur Modifizierung bestimmter Eigenschaften gefüllt bzw. infiltriert werden.
  • Die Formgebung kann durch uniaxiales Trockenpressen oder andere in der keramischen Industrie übliche Formgebungsverfahren (z.B. Gießen, Foliengießen, Spritzen, isostatisches Pressen, Drucken) erfolgen.
  • Bei der Formgebung können die verschiedenen Materialien getrennt bzw. nacheinander in das Werkzeug oder die Form gegeben und gleichzeitig zum Grünkörper geformt werden.
  • Die Fertigung kann auch durch zwei oder mehr nacheinander folgende Formgebungsprozesse erfolgen.
  • Es ist auch möglich verschiedene Formgebungsverfahren zu kombinieren.
  • Die Spannungen werden erfindungsgemäß durch die bei der Formgebung eingestellten Gründichten der Schichten und den nachfolgenden Sinterprozess in den Schichtaufbau eingebracht.
  • Bei der keramischen Formgebung eines Materials kann z.B. über den Pressdruck oder das Bindemittelsystem die Gründichte vor dem Sintern beeinflusst werden. Eine höhere Gründichte reduziert die Schwindung während des Sinterprozesses, eine niedrige Gründichte führt zu einer größeren Schwindung. Durch die Einstellung der Gründichte kann die Schwindung im Bereich von fast 0% bis 5% variiert werden, ohne die Enddichte nach dem Sintern wesentlich zu beeinflussen. Werden die Gründichten eines oder verschiedener Materialien bei der Formgebung des Schichtsystems wie beschrieben beeinflusst, können durch die unterschiedlichen Schwindungen gezielt Zug- oder Druckspannungen eingestellt werden.
  • Die erzeugten Spannungen müssen so "justiert" werden, dass diese im Schichtsystem nicht zu Rissen oder einer Delamination führen.
  • Die eingebrachten Spannungen können während der Sinterung oder bei Fügeprozessen zur Ausbildung von gekrümmten Konturen der gefertigten Formkörper genutzt werden. Die dadurch erhaltene Geometrie trägt zur gezielten Impulsumlenkung bei.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    ein aus drei Schichten bestehendes Bauteil,
    Fig. 2
    ein Bauteil gemäß Fig. 1 mit einer weiteren Schicht und
    Fig. 3
    gekrümmtes Bauteil.
  • In den Figuren 1 bis 3 sind Bauteile mit unterschiedlichen Schichtaufbauten gezeigt. Gemäß Fig. 1 besteht das Bauteil aus einer ersten Schicht 1, einer zweiten Schicht 2 und einer dritten Schicht 3. Erste Schicht 1 und dritte Schicht 3 bestehen dabei aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen. Die zweite Schicht 2 besteht aus einem Gemisch der Materialien von der ersten Schicht 1 und der dritten Schicht 3. Die erste Schicht 1 ist dabei funktionell die besonders harte Schicht, die das Projektil zerstört und die folgenden Schichten fangen die Splitter ab. Das Bauteil gemäß Fig. 2 hat zusätzlich zum Aufbau gemäß Fig. 1 eine über eine Fügezone 4 angebundene poröse Schicht 5, die mit einem Kunststoff gefüllt ist. In das Bauteil gemäß Fig. 3 sind die Spannungen derart eingebracht, dass eine gewölbte Geometrie des Schichtaufbaus erzeugt wird. Die derart gestaltete Geometrie trägt zur gezielten Impulsumlenkung bei.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    erste Schicht
    2
    zweite Schicht
    3
    dritte Schicht
    4
    Fügezone
    5
    poröse Schicht

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Vorder- und Rückseite für ballistische Schutzanwendungen bestehend aus einem Komposit, wobei das Komposit aus zwei oder mehreren keramischen Schichten schichtförmig hergestellt wird, wobei funktional die Vorderseite große Härte und Druckfestigkeit zur Erosion und Verminderung der Eindringtiefe eines Projektils aufweist und eine hinterliegende Schicht Richtung Rückseite zum Abfangen der Reste des Projektils und der Materialsplitter ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Formgebung des Komposits durch Schichten von keramischen Materialien mit schichtweisen unterschiedlichen Gründichten erfolgt und abschließend das Komposit zum Bauteil gesintert wird, wobei gezielt mechanische Spannungen durch die unterschiedlichen Gründichten in das Bauteil induziert werden.
  2. Bauteil für ballistische Schutzanwendungen mit Vorder- und Rückseite, bestehend aus einem mehrschichtigen keramischen Funktionskomposit, hergestellt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Schichten des Funktionskomposits entweder eingebrachte Druckspannungen oder Zugspannungen aufweisen.
  3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionskomposit eine gewölbte Geometrie aufweist.
  4. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzflächen der Schichten gegenüber der Vorder- oder Rückseite nicht parallel verlaufen.
EP16185816.2A 2015-09-09 2016-08-26 Bauteil für ballistische schutzanwendungen und verfahren zu dessen herstellung Not-in-force EP3141863B8 (de)

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