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WO2000006966A1 - Leichtpanzerungselement - Google Patents

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Publication number
WO2000006966A1
WO2000006966A1 PCT/DE1999/002135 DE9902135W WO0006966A1 WO 2000006966 A1 WO2000006966 A1 WO 2000006966A1 DE 9902135 W DE9902135 W DE 9902135W WO 0006966 A1 WO0006966 A1 WO 0006966A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fiber composite
layers
element according
armor element
light armor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE1999/002135
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg ACKERMANN
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.)
Sachsenring Entwicklungs GmbH
Original Assignee
Sachsenring Entwicklungs GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sachsenring Entwicklungs GmbH filed Critical Sachsenring Entwicklungs GmbH
Priority to AU59666/99A priority Critical patent/AU5966699A/en
Priority to DE59903185T priority patent/DE59903185D1/de
Priority to EP99963149A priority patent/EP1099089B1/de
Publication of WO2000006966A1 publication Critical patent/WO2000006966A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F41H5/0471—Layered armour containing fibre- or fabric-reinforced layers
    • F41H5/0485—Layered armour containing fibre- or fabric-reinforced layers all the layers being only fibre- or fabric-reinforced layers

Definitions

  • the invention relates to a light armor element, in particular for special protection vehicles, from at least two bullet-resistant layers.
  • Armor elements are also known, which consist of different composite materials.
  • a light armor according to DE 43 00 746 AI formed in a multilayer construction from two armor elements.
  • Each armor element consists of a composite of a fiber composite layer and a highly hard metal layer. This metal layer is applied over the entire surface, which also increases the weight and makes three-dimensional deformation difficult.
  • WO 96/18089 describes an element for absorbing the energy of a projectile, which also consists of there are several different layers.
  • the first layer pointing in the weft direction is harder than 25 HRC, the second layer has a hardness of 20-40% of the first layer.
  • a thin third layer absorbs or accumulates the energy of the projectile due to its deformation.
  • the third layer consists of carbon steel, fiberglass or carbon-based materials.
  • DE 34 26 458 AI describes a bullet-resistant laminate made from a large number of aramid fabric layers.
  • the aramid fabric has the property of keeping the projectiles deformed or broken up into fragments by the impact or penetration of the hard material.
  • very expensive tools are required to produce three-dimensional shapes from aramid fiber fabric.
  • a bulletproof mat for covering vehicle walls is known from DE 195 43 127 AI. This consists of flexible, bulletproof fabric layers and is provided with a liquid-tight surface protection.
  • the invention has for its object to develop a light armor element, in particular for special protection vehicles, which can be easily adapted to the requirements for bulletproofness, at the same time can be easily brought into three-dimensional shapes and can easily be adapted to the structural conditions of the vehicle.
  • This object is achieved by the features of the first claim, which are further developed by the features of the subclaims.
  • the light armor element consists of at least two bullet-resistant layers, at least two layers of different fiber composite layers being used which can be shaped three-dimensionally and are suitable for preventing the penetration of a projectile over the entire surface. It ensures at least the security against fire when using a handgun in the manner of a 357 Magnum caliber, with a solid-shell bullet-headed projectile with a soft core with a projectile mass of 10.2g and a speed of 430 ⁇ 10 m / s at a shooting distance of 5m, this corresponds to one Standard bombardment class B3 according to the classification of the European test standard EN 1063 (which corresponds to DIN EN 1063) and according to DIN EN 1522-1, or the stress type 2 for the bombardment of substances that inhibit attack according to DIN 52290 and - at least the bullet resistance when using a
  • the penetration of the projectile is also avoided with a triangular bombardment with triple caliber spacing (multihit), when using solid shell bullet-head projectiles with soft core in conjunction with caliber 357 Magnum and solid-shell flat-head projectiles with soft core in conjunction with caliber 44 Remington Magnum.
  • it has at least one first high-strength, high-strength fiber composite layer - hereinafter referred to as a hard fiber composite layer - and at least one second high energy absorption capacity even when the fiber composite layer has an impact load - hereinafter referred to as an elastic fiber composite layer.
  • a plurality of first hard fiber composite layers and then a plurality of second elastic fiber composite layers are preferably arranged in the bombardment direction, so that a hard area composed of a plurality of hard fiber composite layers, which preferably restricts the projectile energy, is inserted
  • Projectile restrained elastic area preferably consisting of several second elastic fiber composite layers follows.
  • an area made of hard fiber composite layers may be followed by an area made of elastic fiber composite layers and then followed by an area made of hard fiber composite layers and in turn followed by an area made up of preferably several elastic fiber composite layers, etc., until it is ensured that the projectile is the light armor element no longer penetrates.
  • a further, but not preferred variant also consists in first arranging one or more of the second fiber composite layers in the weft direction.
  • the total number of fiber composite layers is to be varied in accordance with the required bullet security.
  • the fiber composite layers preferably consist of organic and / or inorganic fibers embedded in binders. Flax fibers, hemp fibers, Sisal fibers, aramid fibers, glass fibers, carbon fibers, polyethylene fibers or combinations of these fiber materials (eg aramid glass fibers, araitiid carbon fibers, natural aramid fibers, aramid polyethylene fibers) or other suitable fiber materials are used.
  • thermosetting or thermoplastic it being possible to use, for example, phenolic resins, melamine resins or epoxy resins as thermosetting binders and, for example, polyethylene, polypropylene or polyamide or else polyvinyl butyral and polyurethanes as thermoplastic binders.
  • the fiber composite layers are preferably manufactured as woven, laid, knitted or knitted fabrics with an amorphous, directional, bidirectional or unidirectional structure and can also be provided with 3-D entanglements or designed as three-dimensional knitted fabrics or molded parts for the highest requirements for bulletproofing.
  • the first fiber composite layer which is said to have high-strength, high-strength properties, preferably consists of carbon fiber fabric
  • the second fiber composite layer which is said to have a high energy absorption capacity even when subjected to an impact, preferably consists of aramid fiber fabric. Due to the properties of the first layer, this high-strength layer also solidifies when it hits the projectile. Due to the high energy absorption capacity, the second layer holds the projectile or its splinter firmly and prevents it from penetrating.
  • a light armor element is created, which can be easily adapted to the respective requirements of bullet resistance and the structural conditions of the respective vehicle by combining the number, sequence and composition of the different fiber composite layers.
  • Another important advantage is the weight saving compared to conventional armor.
  • the use of flexible fiber composite layers with different properties guarantees good three-dimensional deformability compared to bullet-proof mats made of aramid fiber fabrics (even with radius areas with small radii or in corner areas of angles) and thus easy adaptation to the desired surface contours. Equipping vehicles with armor is thus made considerably easier and improved.
  • the light armor elements give the impression of standard interior linings.
  • the carbon fiber layers ensure better stabilization of the light armor elements overall, which also achieves more favorable properties in crash situations.
  • the wall thickness of the light armor element can be reduced in a simple manner by omitting fiber composite layers.
  • the novel armor element has a mat-like structure. Due to the excellent ballistic properties of the light armor element according to the invention, it is possible to significantly reduce the wall thicknesses compared to armor made of polymeric materials and combinations with them (e.g. aramid fiber fabric) and to withstand firing classes of at least B3 and B4 as well as the edge bombardment and the bombardment at a 45 ° angle .
  • Known types of fabric and binders are combined in such a way that they form a light armor element, which, due to its strength and elasticity, is light in weight, low in wall thickness and good three-dimensional Formability is suitable to meet the highest requirements for bullet security.
  • Fig. 1 Light armor element with 3 fiber composite layers made of carbon fiber fabric and 13 fiber composite layers made of aramid fiber fabric
  • Fig. 2 Light armor element with 6 fiber composite layers made of carbon fiber fabric and 13 fiber composite layers made of aramid fiber fabric
  • Fig. 3 Light armor element with 6 fiber composite layers made of carbon fiber fabric and 29 fiber composite layers made of aramid fiber fabric
  • Fig. 4 Light armor element with two hard areas made of 3 layers of 3 carbon each and from 17 fiber composite layers made of aramid fiber fabric
  • FIG. 5 Light armor element with first alternating areas of different fiber composite layers and a subsequent area of similar layers.
  • FIG. 6 Light armor element with reinforced edge zone
  • Fig. 1 a section of a light armor element is shown, as it can be used for example for standard fire (triangular fire at a distance of 120mm, with a 44 Remington Magnum), fire class B4 according to EN 1063, DIN EN 1063 and stress type 3 according to DIN 52290 .
  • the direction of the arrow indicates the direction of casting.
  • three layers of hard fiber composite layers 1 in the form of carbon fiber fabric are arranged in the firing direction, followed by thirteen layers of elastic fiber composite layers made of aramid fiber fabric.
  • the 3 fiber composite layers 1 made of carbon fiber fabric had a total weight of 788 g / m 2 and the thirteen layers of fiber composite layers 2 made of aramid fiber fabric had a total weight of 6,474 g / m 2 .
  • the fiber composite layers 1 and 2 have been connected to one another by 88 g / m 2 phenolic resin. The weight of the light armor element could thus be reduced to only 8.7 kg / m 2 .
  • a light armor element with 6 layers of carbon fiber fabric (hard fiber composite layers 1) and 20 layers of aramid fiber fabric 2 (elastic fiber composite layers 2) is shown in FIG. 2. First are in Arranged the 6 layers of carbon fiber fabric and then the 20 layers of aramid fiber fabric.
  • Multihit is the technical term for a triangular shot with three times the caliber spacing, which places increased demands on the armor element to prevent the projectile from penetrating.
  • FIG. 3 shows a further embodiment variant with 6 carbon fiber layers (hard fiber composite layers 1) and 29 aramid fiber layers (elastic fiber composite layers 2), which are arranged in the same order as in the two aforementioned examples.
  • Multihit with a Magnum 357 have 6 layers of carbon fiber and 29 layers of aramid fiber sufficient to reliably intercept the projectiles.
  • the carbon fiber fabric was likewise a basis weight of a total of 1.664g / m 2 and the aramid fiber fabric has a basis weight of a total of 14,442 g / m 2.
  • the combination with 88 g / m 2 phenolic resin resulted in a weight of 19.3 kg / m 2 .
  • three fiber composite layers 2 made of aramid fiber fabric are arranged between each 3 fiber composite layers 1 made of carbon fiber fabric.
  • a hard area made of 3 carbon fiber layers which absorbs the energy of the projectile at least partially, follows an elastic area made of 3 aramid fiber layers, which tries to hold back the deformed projectile or projectile splinter.
  • the wall thicknesses of the new types of lightweight armor elements are between 5 and 20 mm, and in some cases fall significantly short of the wall thicknesses of known armor made of glass fiber reinforced plastics, aramid fabrics or other known combinations in a multi-layer construction.
  • Hard fiber composite layers and less hard fiber composite layers as well as elastic and less elastic fiber composite layers can also be combined accordingly in accordance with further embodiments not shown.
  • the following material shapes can be arranged one after the other from the projectile direction in the opposite direction:
  • the number of fiber composite layers in the corresponding areas must be selected in accordance with the required bullet security. If a conventional steel armor element is used, its wall thickness is generally not adapted to the respective bulletproofness, since a corresponding gradation of the sheet thickness would be too expensive.
  • the edge region 3 according to FIG. 6 can also be reinforced in the bombardment direction. In this case, 10 additional elastic fiber composite layers 2 arranged over the entire area were added in the edge region 3, a further 10 elastic fiber composite layers 2.
  • the hard fiber composite layer 3 is located above all fiber composite layers 2 in the bombardment direction.
  • the weapon classes and calibers are assigned to the bullet classes B1 to B7 according to DIN EN 1026.
  • the continuous upper line indicates the use of steel
  • the dashed lower line the use of the new light armor elements.
  • these can also withstand fire class B7, with a significantly lower weight than steel and with better processability and variability.
  • the light armor elements can be designed in the manner of mats or molded parts. Thanks to their flexibility, they can be easily shaped into the desired surface contours, i.e. good drapability is guaranteed, which means that even complex contours can be reproduced. At the same time, instability is avoided by the layers with a higher strength (carbon fiber layers).
  • the fiber composite layers 1 and / or 2 can, depending on the requirement, also be less than in the aforementioned exemplary embodiments.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leichtpanzerungselement aus mehreren beschusshemmenden Lagen. Mindestens eine in Beschussrichtung weisende erste Faserverbundschicht weist eine Festigkeit auf, die die Energie des Geschosses aufnimmt. Die zweite Faserverbundschicht weist eine hohe Elastizität auf und hält dadurch das Geschoss fest. Die mattenartige Kombination der unterschiedlichen Faserverbundschichten ermöglicht deren gute dreidimensionale Verformbarkeit, die einfache Anpassung an konstruktiven Gegebenheiten und die Beschusssicherheit auch bei Randbeschuss und im Winkel von 45 DEG .

Description

Beschreibung
Leichtpanzerungselement
Die Erfindung betrifft ein Leichtpanzerungselement, insbesondere für Sonderschutzfahrzeuge, aus mindestens zwei beschußhemmenden Lagen.
Bei derartigen Sonderschutzfahrzeugen ist es üblich, die Karosserieteile in Richtung zum Fahrgastraum mit beschußsicheren Panzerelementen auszukleiden. Bekannt ist dazu die Anwendung von Panzerstahlplatten. Diese gewährleisten die Beschußsicherheit bis zur höchsten Beschußklasse B7, weisen jedoch ein hohes Gewicht auf und können nur aufwendig und mit relativ kostenintensiven Werkzeugen in eine gewünschte Oberflächenkontur geformt werden. Die Anpassung an unterschiedliche Beschußstärken ist ebenfalls nicht einfach möglich.
Weiterhin sind Panzerungselemente bekannt, die aus verschiedenen Verbundmaterialien bestehen. Dabei wird eine Leichtpanzerung gem. DE 43 00 746 AI in Mehrschichtbauweise aus zwei Panzerungselementen gebildet. Jedes Panzerungselement besteht aus einem Verbund einer Faserverbundschicht und einer hochharten Metallschicht. Diese Metallschicht ist ganzflächig aufgebracht, wodurch sich das Gewicht ebenfalls erhöht und eine dreidimensionale Verformung schwer möglich ist. In WO 96/18089 wird ein Element zum Absorbieren der Energie eines Projektils beschrieben, welches ebenfalls aus mehreren unterschiedlichen Lagen besteht. Die erste in BeSchußrichtung weisende Lage ist härter als 25 HRC, die zweite Schicht hat eine Härte von 20-40% der ersten Schicht. Eine dünne dritte Schicht absorbiert oder akkumuliert durch ihre Deformation die Energie des Projektils. Die dritte Schicht besteht dabei aus Kohlenstoffstahl, Fiberglas oder aus auf Kohlenstoffbasis basierenden Werkstoffen. Nachteilig dabei ist ebenfalls, daß eine Anpassung dieses Elements an eine gewünschte Oberflächenkontur nicht einfach möglich ist. Weiterhin ist dessen Herstellung relativ aufwendig und eine unkomplizierte Anpassung an verschiedene Beschußstärken nicht ohne weiteres möglich. In DE 34 26 458 AI wird ein geschoßhemmendes Laminat aus einer Vielzahl von Aramidgewebelagen beschrieben. Das Aramidgewebe hat dabei die Eigenschaft, die durch den Aufprall bzw. das Durchdringen am harten Material verformten oder in Splitter zerlegten Geschosse gut aufzuhalten. Nachteilig ist jedoch, daß zur Herstellung dreidimensionaler Formen aus Aramidfasergewebe sehr kostenintensive Werkzeuge erforderlich sind. Eine beschußsichere Matte zum Abdecken von Fahrzeugwandungen ist aus DE 195 43 127 AI bekannt. Diese besteht aus biegsamen beschußsicheren Gewebeschichten und ist mit einem flüssigkeitsdichten Oberflächenschutz versehen. In DE G 92 15 781.5 TJ1 wird eine Panzerung für Fahrzeuge beschrieben, bei welcher die dem Innenraum des Fahrzeuges zugekehrte Oberfläche zusätzlich zu Panzerplatten aus Panzerstahl mit Gewebematten an Stoßstellen großflächig übergreifend überdeckt ist. Auch die Gewebematten überlappen sich an ihren Stoßstellen. Bei den vorgenannten Panzerungselementen, die Matten aus Aramidgeweben oder andere beschußsicheren Gewebearten verwenden, ist die BeschüßSicherheit bei Randbeschuß und im Winkel von 45° nicht gewährleistet. Eine flexible Anpassung an verschiedene Beschußklassen und die konstruktiven Besonderheiten eines Fahrzeuges ist ebenfalls nicht einfach möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leichtpanzerungselement, insbesondere für Sonderschutz- fahrzeuge, zu entwickeln, das den Anforderungen an die Beschußsicherheit einfach angepaßt werden kann, dabei gleichzeitig leicht in dreidimensionale Formen bringbar und den konstruktiven Gegebenheiten des Fahrzeugs einfach anpaßbar ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst, welche durch die Merkmale der Unteransprüche weiter ausgebildet werden.
Das Leichtpanzerungselement besteht dabei aus mindestens zwei beschußhemmenden Lagen, wobei mindestens zwei Lagen aus unterschiedlichen Faserverbundschichten Anwendung finden, die dreidimensional formbar und geeignet sind, das Durchdringen eines Projektils ganzflächig zu verhindern. Dabei gewährleistet es mindestens die Beschußsicherheit bei Verwendung einer Handfeuerwaffe in der Art einer Kaliber 357 Magnum, mit einem Vollmantel-Kugelspitzkopfgeschoß mit Weichkern mit einer Geschoßmasse von 10,2g und einer Geschwindigkeit von 430±10 m/s bei einer BeSchußentfernung von 5m dies entspricht einem Normbeschuß der Beschußklasse B3 nach der Klassifikation der Europäischen Prüfnorm EN 1063 (welche der DIN EN 1063 entspricht) und nach DIN EN 1522-1, bzw. der Beanspruchungsart 2 für den Beschüß angriffshemmender Stoffe nach DIN 52290 sowie - mindestens die Beschußsicherheit bei Verwendung einer
Handfeuerwaffe in der Art einer Kaliber 44 Remington
Magnum, mit einem Vollmantel-Flachkopfgeschoß mit
Weichkern mit einer Geschoßmasse von 15, 6g und einer
Geschwindigkeit von 440±10 m/s bei einer Beschuß- entfernung von 5m, dies entspricht einem Normbeschuß der Beschußklasse B4 nach der Klassifikation der Europäischen Prüfnorm EN 1063
(welche der DIN EN 1063 entspricht) und nach DIN EN 1522-1, bzw. der Beanspruchungsart 3 für den Beschüß angriffshemmender Stoffe nach DIN 52290 Mit dem Leichtpanzerungselement wird auch bei dessen Randbeschuß im Abstand von 10mm seines Randes und bei Beschüß im Winkel von 45°, 10mm vom Kantenabstand des Bauteils, bei der Verwendung von Vollmantel-Kugelspitzkopfgeschossen mit Weichkern in Verbindung mit Kaliber 357 Magnum und von Vollmantel-Flachkopfgeschoß mit Weichkern in Verbindung mit Kaliber 44 Remington Magnum, das Durchdringen von Geschossen verhindert. Auch bei einem Dreiecksbeschuß mit dreifachem Kaliberabstand (Multihit) , bei der Verwendung von Vollmantel-Kugelspitzkopfgeschossen mit Weichkern in Verbindung mit Kaliber 357 Magnum und von Vollmantel-Flachkopfgeschossen mit Weichkern in Verbindung mit Kaliber 44 Remington Magnum wird das Durchdringen des Projektils vermieden. Dazu weist es mindestens eine erste hochverfestigende hochfeste Faserverbundschicht - nachfolgend als harte Faserverbundschicht bezeichnet- und mindestens eine zweite hohe Energieabsorptionsfähigkeit auch bei Impactbelastung aufweisende Faserverbundschicht - nachfolgend als elastische Faserverbundschicht bezeichnet- auf .
In Beschußrichtung werden dabei vorzugsweise mehrere erste harte Faserverbundschichten und anschließend mehrere zweite elastische Faserverbundschichten angeordnet, so daß auf einen die Geschoßenergie bremsenden harten Bereich aus vorzugsweise mehreren harten Faserverbundschichten ein das Projektil zurückhaltender elastischer Bereich aus vorzugsweise mehreren zweiten elastischen Faserverbundschichten folgt.
Es ist jedoch auch möglich, daß auf einen Bereich aus harten Faserverbundschichten ein Bereich aus elastischen Faserverbundschichten und danach ein Bereich aus harten Faserverbundschichten folgt und sich wiederum daran ein Bereich aus vorzugsweise mehreren elastischen Faserverbundschichten anschließt usw. , bis gewährleistet wird, daß das Projektil das Leichtpanzerungselement nicht mehr durchdringt .
Eine weitere, jedoch nicht bevorzugte Variante besteht auch darin, in BeSchußrichtung zuerst eine oder mehrere der zweiten Faserverbundschichten anzuordnen. Die Anzahl der Faserverbundschichten ist insgesamt entsprechend der geforderten Beschußsicherheit zu variieren.
Es ist auch möglich, bereichsweise die Anzahl der harten Faserverbundschichten und/oder der elastischen Faserverbundschichten zu erhöhen. Dies erfolgt vorzugsweise im Randbereich örtlich oder umlaufend. Die Erhöhung weist dabei vorzugsweise in BeSchußrichtung. Durch diese randseitige Erhöhung der Faserverbundschichten wird insbesondere dem Randbeschuß und dem 45° Beschüß besser Rechnung getragen. Die Faserverbundschichten bestehen vorzugsweise aus in Bindemitteln eingebetteten organischen und/oder anorganischen Fasern. Dabei können Flachsfasern, Hanffasern, Sisalfasern, Aramidfasern, Glasfasern, Carbonfasern, Poly- ethylenfasern oder Kombinationen dieser Faserwerkstoffe (z.B. Aramid-Glas-Fasern, Araitiid-Carbon-Fasern, Aramid- Naturfasern, Aramid-Polyethylen-Fasern) oder andere geeignete Faserwerkstoffe zur Anwendung kommen. Um eine sichere Verbindung zwischen den Faserverbundschichten zu gewährleisten, werden diese ebenfalls untereinander mit Bindemittel verbunden. Diese Matrixsysteme können auf duroplastischer oder thermoplastischer Basis beruhen, wobei als duroplastische Bindemittel z.B. Phenolharze, Melaminharze oder Epoxy-Harze und als thermoplastische Bindemittel z.B. Polyethylen, Polypropylen oder Polyamid oder auch Polyvinylbutyral und Polyurethane eingesetzt werden können. Die Faserverbundschichten werden vorzugsweise als Gewebe, Gelege, Gewirke oder Gestricke mit einer amorphen, direktionalen, bidirektionalen oder unidirektionalen Struktur gefertigt und können für höchste Anforderungen an die Beschußsicherheit auch mit 3-D-Verstrickungen versehen oder als dreidimensionale Gestricke oder Formteile ausgebildet sein.
Die erste Faserverbundschicht, die hochverfestigende hochfeste Eigenschaften aufweisen soll, besteht vorzugsweise aus Carbonfasergewebe und die zweite Faserverbundschicht, die eine hohe Energieabsorptionsfähigkeit auch bei Impactbelastung aufweisen soll, besteht vorzugsweise aus Aramidfasergewebe . Durch die Eigenschaften der ersten Schicht verfestigt sich diese hochfeste Schicht zusätzlich bei Auftreffen des Projektils. Durch die hohe Energieabsorptionsfähigkeit hält die zweite Schicht das Projektil oder dessen Splitter gut fest und verhindert dessen Durchdringen.
Mit der Erfindung wird ein Leichtpanzerungselement geschaffen, das durch Kombination von Anzahl, Reihenfolge und Zusammensetzung der unterschiedlichen Faserverbundschichten den jeweilige Anforderungen der Beschußsicherheit und den konstruktiven Gegebenheiten des jeweiligen Fahrzeuges einfach angepaßt werden kann. Dazu kommt als ein weiterer wesentlicher Vorteil die Gewichtseinsparung gegenüber herkömmlichen Panzerungen. Die Anwendung der flexiblen Faserverbundschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften gewährleistet gegenüber beschußsicheren Matten aus Aramidfasergeweben eine gute dreidimensionale Verformbarkeit (auch bei Radienbereichen mit kleinen Radien oder in Eckenbereichen von Winkeln) und damit eine einfache Anpassung an die gewünschten Oberflächenkonturen. Die Ausrüstung von Fahrzeugen mit Panzerungen wird somit wesentlich erleichtert und verbessert. Die Leicht- panzerungselemente erwecken optisch den Eindruck serienmäßiger Innenauskleidungen. Zusätzlich wird durch die Carbonfaserschichten insgesamt eine bessere Stabilisierung der Leichtpanzerungselemente gewährleistet, wodurch auch günstigere Eigenschaften in Crash-Situationen erzielt werden. Durch Hinzufügen oder Weglassen von Schichten kann nicht nur eine Anpassung hinsichtlich der Beschußsicherheit erfolgen, es ist damit auch möglich, den konstruktiven Gegebenheiten des jeweiligen Fahrzeuges besser zu entsprechen, indem die jeweilige Blechstärke und Anzahl des Fahrzeugbleches bei der Festlegung der Anzahl der Lagen (Faserverbundschichten) und somit der Wandstärke des Leichtpanzerungselements berücksichtigt wird. Bei einer beispielsweise dreifachen Blechstärke im Türbereich kann die Wandstärke des Leichtpanzerungselements durch Weglassen von Faserverbundschichten auf einfache Art und Weise verringert werden.
Gegenüber herkömmlichen Panzerelementen aus Stahl ist nicht mehr zu erkennen, daß ein Fahrzeug mit einer Panzerung versehen wurde, da das neuartige Panzerelement eine mattenartige Struktur aufweist. Durch die hervorragenden ballistischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Leichtpanzerungselements ist es möglich, gegenüber Panzerungen aus polymeren Materialien und Kombinationen mit diesen (z.B. Aramidfasergewebe), die Wandstärken wesentlich zu verringern und Beschußklassen von mindesten B3 und B4 sowie dem Randbeschuß und dem Beschüß unter einem 45° Winkel standzuhalten. Dabei werden bekannte Gewebearten und Bindemittel so kombiniert, daß sie ein Leichtpanzerungselement bilden, das durch seine Festigkeit und Elastizität bei geringem Gewicht, geringer Wanddicke und guter dreidimensionaler Formbarkeit geeignet ist, höchsten Anforderungen an die Beschußsicherheit gerecht zu werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: Leichtpanzerungselement mit 3 Faserverbundschichten aus Carbonfasergewebe und 13 Faserverbundschichten aus Aramidfasergewebe
Fig. 2: Leichtpanzerungselement mit 6 Faserverbundschichten aus Carbonfasergewebe und 13 Faserverbundschichten aus Aramidfasergewebe Fig. 3: Leichtpanzerungselement mit 6 Faserverbundschichten aus Carbonfasergewebe und 29 Faserverbundschichten aus Aramidfasergewebe Fig. 4: Leichtpanzerungselement mit zwei harten Bereichen aus jeweils 3 Schichten Carbonfasergewebe sowie zwei elastischen Bereichen aus 3 und aus 17 Faserverbundschichten aus Aramidfasergewebe
Fig. 5: Leichtpanzerungselement mit sich zuerst abwechselnden Bereichen unterschiedlicher Faserverbundschichten und einem sich anschließenden Bereich gleichartiger Schichten Fig. 6: Leichtpanzerungselement mit verstärkter Randzone In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Leichtpanzerungselementes dargestellt, wie es beispielsweise für den Normbeschuß (Dreiecksbeschuß im Abstand von 120mm, mit einer 44 Remington Magnum) , Beschußklasse B4 nach EN 1063, DIN EN 1063 und Beanspruchungsart 3 nach DIN 52290, Anwendung finden kann. Die Pfeilrichtung deutet die Besc ußrichtung an. Es hat sich bei zahlreichen Untersuchungen für diesen Anwendungsfall als ausreichend für das Verhindern des Durchdringen des Projektils erwiesen, daß in Beschußrichtung drei Lagen harte Faserverbundschichten 1 in Form von Carbonfasergewebe angeordnet sind, an die sich dreizehn Lagen elastische Faserverbundschichten aus Aramidfasergewebe anschließen. Die 3 Faserverbundschichten 1 aus Carbonfasergewebe wiesen dabei ein Flächengewicht von insgesamt 788g/m2 und die dreizehn Lagen Faserverbundschichten 2 aus Aramidfasergewebe ein Flächengewicht von insgesamt 6.474 g/m2 auf. Die Faserverbundschichten 1 und 2 sind dabei durch 88g/m2 Phenolharz untereinander verbunden worden. Das Gewicht des Leichtpanzerungselementes konnte somit auf nur 8,7 kg/m2 reduziert werden.
Ein Leichtpanzerungselement mit 6 Lagen Carbonfasergewebe (harte Faserverbundschichten 1) und 20 Lagen Aramidfasergewebe 2 (elastische Faserverbundschichten 2) ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei sind zuerst in Beschußrichtung die 6 Lagen Carbonfasergewebe und anschließend die 20 Lagen Aramidfasergewebe angeordnet. Versuche haben ergeben, daß ein derartiges Leichtpanzerungselement mit maximal 6 Lagen Carbonfaser- gewebe mit einem Flächengewicht von insgesamt 1.664 g/m2 und mit maximal 20 Lagen Aramidfasergewebe mit einem Flächengewicht von insgesamt 9.960 g/m2 (die mit 88g/m2 Phenolharz untereinander verbunden wurden) genügen, um zuverlässig die Beschußsicherheit ohne Außenblech bei Multihit mit Kaliber 44 Remington Magnum (Beschußklasse B4 nach EN 1063) und bei Normbeschuß mit Kaliber 357 Magnum (Beschußklasse B3 nach EN 1063) zu gewährleisten.
Multihit ist dabei der Fachbegriff für einen Dreiecksbeschuß mit dreifachem Kaliberabstand, der erhöhte Anforderungen an das Panzerungselement zur Vermeidung des Durchschlagens des Projektils stellt.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsvariante mit 6 Carbonfaserschichten (harte Faserverbundschichten 1) und 29 Aramidfaserschichten (elastische Faserverbundschichten 2) dargestellt, die in gleicher Reihenfolge wie bei den beiden vorgenannten Beispielen angeordnet sind.
Bei Multihit mit einer Magnum 357 haben 6 Lagen Carbonfasergewebe und 29 Lagen Aramidfasergewebe ausgereicht, um die Projektile zuverlässig abzufangen. Das Carbonfasergewebe hatte dabei ebenfalls ein Flächengewicht von insgesamt 1.664g/m2 und das Aramidfasergewebe ein Flächengewicht von insgesamt 14.442 g/m2. Durch die Verbindung mit 88g/m2 Phenolharz ergab sich ein Gewicht von 19,3kg/m2.
Aus den Versuchsergebnissen ist erkennbar, daß ein mehrschichtiger Faserverbundwerkstoff aus Materialien unterschiedlicher Festigkeit und Elastizität sowohl bei Normbeschuß der Beschußklassen mindestens B3 und B4 als auch bei Multihit die erforderliche Sicherheit gewährleistet .
In Fig. 4 sind drei Faserverbundschichten 2 aus Aramidfasergewebe zwischen jeweils 3 Faserverbundschichten 1 aus Carbonfasergewebe angeordnet. Aus der Beschußrichtung (Pfeilrichtung) folgt somit auf einen harten Bereich aus 3 Carbonfaserschichten, der die Energie des Projektils zumindest teilweise aufnimmt, ein elastischer Bereich aus 3 Aramidfaserschichten, der das deformierte Projektil oder Projektilsplitter versucht zurückzuhalten. An diesen schließt sich wiederum ein harter Bereich aus 3 Carbonfaserschichten an, der die Energie des Projektils und der Projektilsplitter weiter reduziert, bis in dem sich anschließenden elastischen Bereich aus 17 Ara idfaserschichten das Projektil und dessen Splitter vollständig aufgehalten werden.
Im Ausführungsbeispiel gem. Fig. 5 liegt in Beschußrichtung ein Bereich, in dem jeweils abwechselnd eine Carbonfaserschicht (Faserverbundschicht 1) und eine Aramidfaserschicht (Faserverbundschicht 2) angeordnet sind. Der Beschußrichtung entgegengesetzt schließen sich die restlichen Aramidfaserschichten an, die das Projektil oder dessen Splitter auffangen. Die Wanddicken der neuartigen Leichtpanzerungselemente liegen je nach Anzahl der verwendeten Faserverbundschichten zwischen 5 und 20mm und unterschreiten dabei teilweise wesentlich die Wandstärken bekannter Panzerungen aus glasfaserverstärkten Kunststoffen, Aramidgeweben oder anderen bekannten Kombinationen in Mehrschichtbauweise.
Es können ebenfalls gemäß weiterer nicht dargestellter Ausführungsformen harte Faserverbundschichten und weniger harte Faserverbundschichten sowie elastische und weniger elastische Faserverbundschichten entsprechend kombiniert werden. So können aus der Geschoßrichtung in die entgegengesetzte Richtung nacheinander folgende Materialformen bereichsweise angeordnet sein:
1. ein Bereich mit harten Carbonfaserschichten,
2. ein Bereich mit weniger harten Carbonfaserschichten, 3. ein Bereich mit weniger elastischen Aramid-Carbon- Faserschichten, 4. ein Bereich mit elastischen Ara id-Faserschichten um optimale ballistische Werte zu erzielen.
Die Anzahl der Faserverbundschichten in den entsprechenden Bereichen muß entsprechend der geforderten Beschußsicherheit gewählt werden. Bei Einsatz eines herkömmlichen Panzerungselementes aus Stahl wird dessen Wandstärke im Regelfall nicht der jeweiligen Beschußsicherheit angepaßt, da eine entsprechende Abstufung der Blechdicke zu aufwendig wäre. Um den Randbeschuß und den Beschüß im Winkel von 45° zu sichern kann der Randbereich 3 gemäß Figur 6 auch in Beschußrichtung verstärkt sein. In diesem Fall wurden 10 ganzflächig angeordneten elastischen Faserverbundschichten 2 im Randbereich 3 weitere 10 elastische Faserverbundschichten 2 hinzugefügt. Über allen Faserverbundschichten 2 befindet sich in Beschußrichtung die harte Faserverbundschicht 3.
Im nachfolgenden Diagramm sind den Beschußklassen Bl bis B7 nach DIN EN 1026 die Waffen und die Kaliber zugeordnet. Die durchgehende obere Linie kennzeichnet dabei die Verwendung von Stahl, die gestrichelte untere Linie die Verwendung der neuartigen Leichtpanzerungselemente. Diese können bei entsprechender Kombination der Faserverbundschichten ebenfalls bis Beschußklasse B7 standhalten, bei wesentlich geringerem Gewicht als Stahl und bei besserer Verarbeitbarkeit und Variabilität. Mit der Erfindung ist es erstmalig möglich, nur durch Weglassen oder Hinzufügen von Faserverbundschichten ein Leichtpanzerungselement herzustellen, das den spezifischen Anforderungen der Beschußsicherheit und den konstruktiven Gegebenheiten des jeweiligen Fahrzeuges entspricht.
Die Leichtpanzerungselemente können in der Art von Matten oder Formteilen gestaltet sein. Durch ihre Flexibilität lassen sie sich einfach in gewünschte Oberflächenkonturen formen, d.h., es ist eine gute Drapierfähigkeit gewährleistet, wodurch auch komplizierte Konturen nachgebildet werden können. Dabei wird gleichzeitig durch die Schichten mit einer höheren Festigkeit (Carbonfaserschichten) eine Instabilität vermieden.
Neben den beschriebenen Ausführungsformen ist es auch möglich, eine andere Reihenfolge der Faserverbundschichten zu wählen, z.B. können auch bei Anwendung von 6 harten und 20 elastischen Schichten zuerst abwechselnd jeweils eine harte und eine elastische Schicht angeordnet werden und dann darauf folgend die übrigen elastische Schichten. Gleichfalls kann die Anzahl der Faserverbundschichten 1 und/oder 2 je nach Anforderung auch geringer sein als bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen. Wichtig ist jedoch immer, daß beim Auftreffen des Projektils zuerst dessen kinetische Energie aufgenommen und in Verformungsenergie umgewandelt wird und anschließend das Projektil oder Projektilsplitter mit der verbleibenden Energie in den nachfolgenden Schichten aufgefangen werden. Im Vergleich zu allen bekannten Panzerungselementen für den Innenraum von Sonderschutzfahrzeugen ist es erstmalig möglich, das neuartige Leichtpanzerungselement auf einfache Art und Weise allen Anforderungen anzupassen. Durch eine flächendeckende Ermittlung der festen und elastischen Anteile der Materialverbunde ist dabei erstmalig eine optimierte Energieaufnahme bei Auftreffen eines Projektils gegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Panzerungselement, insbesondere für Sicherheitskraft- fahrzeuge, aus mehreren beschußhemmenden Lagen, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Lagen von Faserverbundschichten Anwendung finden, die geeignet sind, das Durchdringen eines Geschosses zu verhindern, ein geringes Gewicht aufweisen und leicht in gewünschte Konturen bringbar sind.
2. Leichtpanzerungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine in Beschußrichtung weisende erste Faserverbundschicht eine Festigkeit aufweist, die geeignet ist, die Energie eines Geschossen aufzunehmen und daß durch mindestens eine nachfolgende zweite Faserverbundschicht das Durchdringen des durch die mindestens erste Schicht verformten oder in Splitter zerlegten Geschosse verhindert.
3. Leichtpanzerungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Beschußrichtung mehrere erste Faserverbundschichten und anschließend mehrere zweite Faserverbundschichten angeordnet sind oder daß deren Reichenfolge wechselt.
4. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Faserverbundschichten entsprechend der geforderten Beschußsicherheit variierbar ist.
5. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundschichten untereinander mit Bindemittel verbunden sind.
6. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundschichten aus mit Bindemitteln versetzten organischen und/oder oder anorganischen Fasern bestehen.
7. Leichtpanzerungselement nach einem der Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Flachsfasern, Hanffasern, Sisalfasern, Aramidfasern, Glasfasern, Gewebefasern Kohleffasern oder Kombinationen dieser Faserwerkstoffe oder andere geeignete Faserwerkstoffe Anwendung finden.
8. Leichtpanzerungselement nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittel auf duroplastischer oder thermoplastischer Basis beruhen.
9. Leichtpanzerungselement nach Anspruch 5, 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als duroplastische Bindemittel Phenolharze, Melaminharze oder Epoxy-Harze und als thermoplastische Bindemittel Polyethylen, Polypropylen oder Polyamid Anwendung finden.
10. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundschichten als Gewebe, Gelege oder Gewirke ausgebildet sind.
11. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Faserverbundschichten eine bidirektionale oder unidirektionale Gewebestruktur aufweisen.
12. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide
Faserverbundschichten eine Gewebestruktur mit 3-D- Verstrickungen aufweisen.
13. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Faserverbundschicht ein Kohlefasergewebe ist.
14. Leichtpanzerungselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengewicht des Kohlefasergewebes in der Größenordnung von 200g/m3 liegt.
15. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Faserverbundschicht ein Aramidfasergewebe ist.
16. Leichtpanzerungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Flächengewicht des Aramidfasergewebes in der Größenordnung von 90g/m3 liegt.
17. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, es in Beschußrichtung 3
Lagen der ersten Faserverbundschicht und sich daran anschließend 13 Lagen der zweiten Faserverbundschicht aufweist.
18. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, es in Beschußrichtung 6 Lagen der ersten Faserverbundschicht und sich daran anschließend 20 Lagen der zweiten Faserverbundschicht aufweist .
19. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, es in Beschußrichtung 6 Lagen der ersten Faserverbundschicht und sich daran anschließend 29 Lagen der zweiten Faserverbundschicht aufweist.
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