DE4042341A1 - Verbundpanzerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundpanzerung, die zum Schutz vor Kleinkaliber-Wuchtgeschossen und insbesondere vor Ge­ schossen mit Splitterwirkung geeignet ist, sich aber auch als Sicherheitseinrichtung in einer Situation eignet, in der die Möglichkeit des Hochgeschwindigkeits-Ausstoßes von Splittern besteht, beispielsweise im Betrieb von Zweikreistriebwerken von Flugzeugen.

Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke "V₅₀-Schutz­ grenzwert" und "Gütefaktor" sind wie folgt definiert:

V₅₀-Schutzgrenzwert (m/s) bezieht sich auf einen Angriff mit einem bestimmten Geschoßtyp und bezeichnet die Auftreffge­ schwindigkeit, die eine 50% Chance der Panzerungszerstörung (durch irgendeine Ausfallart) bietet.

Der Gütefaktor ermöglicht eine Normierung von V₅₀-Resultaten, die den Vergleich von Panzerungen mit unterschiedlichen Flä­ chendichten erlaubt (es ist zu beachten, daß ein realisti­ scher Vergleich von verschiedenen Panzerungen nur unter An­ wendung des Gütefaktors vorgenommen werden kann, und zwar unter der Voraussetzung, daß die Flächendichten gleiche Grö­ ßenordnung haben).

Bei einem Angriff mit panzerbrechenden Geschossen oder Splittern etwa von einer Splitterbombe unterliegt eine Pan­ zerung mit relativ geringem Gewicht einer Anzahl von ver­ schiedenen Ausfallarten, und zwar:
a. Pfropfenbildung - wobei ein lokaler Scherbruch durch die Gesamtdicke erfolgt, der in einem Materialpfropfen resul­ tiert, dessen Durchmesser von gleicher Größenordnung wie derjenige des aus der Panzerung entfernten Geschosses ist. Der Pfropfen selbst kann dabei mit einer Restwucht ausge­ stoßen werden und stellt ein gefährliches sekundäres Geschoß dar. Pfropfenbildung ist ein Mechanismus mit geringer Ener­ gieabsorption, weil nur eine geringfügige plastische Verfor­ mung der Panzerung stattfindet, und aus diesem Grund ist die Vermeidung dieser Ausfallart sehr erwünscht.
b. Scheiben- oder Schülpenbildung - dabei wird eine von der rückwärtigen Oberfläche der Panzerung abgesplitterte Materi­ alscheibe ausgestoßen. Dies ist ebenfalls ein Ausfallmecha­ nismus mit niedriger Energie und nach Möglichkeit ebenfalls zu vermeiden, da er die Ausnützung des vollen Panzerungs­ potentials nicht erlaubt.
c. Segmentbildung - dabei werden radiale Risse gebildet, die Panzerungssegmente definieren, die sich vom angreifenden Ge­ schoß bei dessen Eintritt in die Panzerung weg nach rückwärts biegen. Da hierbei eine erhebliche plastische Verformung und Ermüdungsbrüche auftreten, handelt es sich um einen Ausfall­ mechanismus mit höherer Energie als Pfropfen- oder Scheiben­ bildung.

Es wurden bereits Panzerungssysteme mit zweifacher Härte vorgeschlagen, die eine harte Keramikschicht zum Abstumpfen oder Zersplittern des Geschosses auf der Angriffsseite der Panzerung aufweisen, die mit einer glasfaserverstärkten Kunststoffstützschicht hinterlegt ist, die die Funktion hat, die Wucht bzw. kinetische Energie des Geschosses durch Ver­ formung zu absorbieren. Beispiele solcher Panzerungen sind in der FR-PS 8 23 284 und der US-PS 41 31 053 beschrieben. Vor einiger Zeit wurde in der EP-PS 2 37 095 vorgeschlagen, in das oben beschriebene Panzerungssystem ein faserverstärktes me­ tallisches Laminat einzubauen. Alle diese Panzerungssysteme sind jedoch nur zur Applikation geeignet, d. h. sie sind nur dazu geeignet, auf eine Konstruktion aufgebracht zu werden. Sie sind nicht geeignet, selbst als strukturelle Panzerungen zu dienen.

Es wurden bereits Strukturpanzerungen mit dualer Verformbar­ keit vorgeschlagen, die eine harte Oberflächenschicht auf der einem Angriff ausgesetzten Seite aufweisen, die mit einer verformbaren Absplitterungshemmschicht als Stützschicht ver­ sehen ist. Um zu verhindern, daß eine solche Panzerung sich unter Lasteinwirkung verzieht, nimmt die rückwärtige Schicht aus verformbarem, geringe Festigkeit aufweisendem Metall normalerweise 50 Vol.-% oder mehr der Panzerung ein, was zu einer Verringerung des Gütefaktors der Panzerung führt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer struktu­ rellen Panzerung mit hohem Splittereindringwiderstand.

Es wurde gefunden, daß dann, wenn die Angriffsfläche einer laminierten Verbundpanzerung durch Metallbleche gebildet ist, die durch Zwischenlagen voneinander getrennt sind, sowohl die Dicke als auch die Elastizität der Zwischenlagen eine starke Auswirkung auf den Gütefaktor des strukturellen Panzerungs­ materials haben. Durch Wahl einer innerhalb eines speziellen Bereichs liegenden Zwischenlagendicke und durch Wahl eines Zwischenlagenmaterials mit ausreichend niedrigem Youngschen Elastizitätsmodul kann eine Optimierung des Gütefaktors der Panzerung erreicht werden.

Gemäß der Erfindung ist daher eine laminierte Verbundpanze­ rung vorgesehen mit einem ersten Teil, der auf derjenigen Seite der Panzerung liegt, auf der einem Angriff standgehal­ ten werden soll, und einem zweiten Teil, der umfangsgleich mit dem ersten Teil ist, wobei:
(i) der erste Teil ein Laminat von ersten Metallblechen umfaßt, die jeweils eine mittlere Dicke t haben und durch Zwischenlagen miteinander verklebt sind, die eine Dicke zwischen 0,4 t und 0,9 t und unter Kompression einen Youngschen Elastizitätsmodul von weniger als 4 GPa, senk­ recht zu den Lagen gemessen, haben;
(ii) der zweite Teil wenigstens ein Metallblech aufweist, das duktiler als das Metall der ersten Metallbleche ist.

Die Dicke und der niedrige Youngsche Elastizitätsmodul der Zwischenlagen des ersten Teils ermöglichen es dem ersten Teil der Panzerung, die Energieabsorptionsfähigkeiten der ersten Metallbleche maximal zu nützen, indem ein hohes Maß an unab­ hängiger Verformung ermöglicht wird. Eine Rißfortpflanzung senkrecht zu den ersten Metallblechen (die schließlich zur Pfropfenbildung führen würde) kann auf die ersten Metall­ bleche beschränkt werden, so daß der zweite Teil der Pan­ zerung jegliche Restenergie absorbieren und außerdem das Auftreten von Scheibenbildung verhindern kann. Eine Ablösung der Panzerungslagen trägt ebenfalls zur Energieabsorption bei, indem durch plastische Verformung die Fläche verbreitert wird, über die Energie absorbiert wird.

Bevorzugt haben die Lagen des ersten Teils unter Kompression einen Youngschen Elastizitätsmodul von weniger als 3,5 GPa, senkrecht zu den Lagen gemessen.

Da typische polymere Verstärkungsfasern den Youngschen Ela­ stizitätsmodul einer typischen Kunststoffmatrix erhöhen, sind die Zwischenlagen des ersten Teils bevorzugt frei von Fasern.

Der zweite Teil der Panzerung kann ein einziges Blech aus duktilem Metall umfassen, umfaßt aber bevorzugt wenigstens zwei duktile Metallbleche, die miteinander und mit dem ersten Teil der Panzerung mit einem durch Aramidfasern verstärkten Klebstoff verbunden sind. Der Einbau von Fasern in den zwei­ ten Teil der Panzerung erhöht dessen Energieabsorptions­ fähigkeit ganz bedeutend. Die Duktilität der Bleche erlaubt es den Fasern, die bevorzugt ein Gewebe bilden, sich zu strecken und dabei Energie durch Reibung zwischen den ein­ zelnen Fadenkabeln zu absorbieren. Außerdem resultiert die Verwendung von zwei oder mehr duktilen Metallblechen und fa­ serverstärkten Klebstofflagen in einer unerwarteten Steige­ rung des Gütefaktors der Panzerung gegenüber der Verwendung nur eines duktilen Blechs und einer Lage von faserverstärktem Klebstoff.

Der selektive Einbau von Fasern in den zweiten Teil der Pan­ zerung kann außerdem die Zuglastaufnahmefähigkeit des zweiten Teils auf die gleiche Größenordnung wie diejenige des ersten Teils anheben. Daraus resultiert die Möglichkeit der Herstel­ lung eines ausgeglichenen technischen Konstruktionsmaterials, bei dem eine geringere Gefahr eines Verziehens unter Lastein­ wirkung besteht. Ein weiterer Vorteil dieses Merkmals besteht darin, daß ein höherer Anteil der Panzerung durch höhere Fe­ stigkeit (niedrigere Duktilität) aufweisendes Metall gebildet sein kann, was zu einer entsprechenden Erhöhung des Güte­ faktors der Panzerung führt. Der erste Teil nimmt bevorzugt wenigstens 75 Vol.-% der Panzerung ein. Um eine Scheibenbil­ dung zu verhindern, verwenden bekannte Panzerungssysteme mit dualer Duktilität allgemein relativ dicke duktile Rückflä­ chen, die normalerweise 50 Vol. -% oder mehr der Panzerung einnehmen. Das führt zu einer entsprechenden Verringerung des Gütefaktors der Panzerung, weil der Eindringwiderstand der Panzerung nicht maximiert ist.

Um einem Angriff mit typischen kleinen Splittern standzuhal­ ten, beträgt die Dicke t jedes ersten Metallblechs bevorzugt weniger als 2 mm. Die Dicke t kann jedoch bis zu 6 mm betra­ gen, um einem Angriff mit größeren Splittern standzuhalten. Die Bleche sind bevorzugt jeweils unabhängig aus Aluminium, Titan oder Magnesium oder Legierungen davon ausgewählt. Der erste Teil der Panzerung umfaßt bevorzugt vier bis zehn erste Metallbleche.

Die Faserverstärkung im zweiten Teil ist bevorzugt durch zwei orthogonal miteinander verwebte Faseranordnungen gebildet. Bei dieser Verstärkungskonfiguration ist die Gefahr der Rißbildung und -fortpflanzung innerhalb der Klebstofflagen minimiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beilie­ genden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, das zeigt, wie der Gütefaktor einer nach der Erfindung aufgebauten Panzerung sich mit der Zwischenlagendicke der Panzerung ändert;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Panzerung nach der Erfindung; und

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt der Panzerung nach der Erfindung nach einem Angriff mit einem stumpfen Hochgeschwindigkeits-Splittersimulationsgeschoß.

Die in Fig. 2 gezeigte Panzerplatte wird wie folgt her­ gestellt:
(a) Sechs erste Metallbleche 1 aus Aluminiumlegierung 7075 T6 (Dicke 1,02 mm) und zwei zweite Metallbleche 2 der duktileren Aluminiumlegierung 5083 (Dicke 1,0 mm) werden entfettet und bei Raumtemperatur für 1 h in einem Natriumcarbonatbad (Na₂CO₃ 80 g/l in entsalztem Wasser) vorbehandelt;
(b) die Bleche 1 und 2 werden für 10 min mit Leitungswasser abgespült;
(c) die Bleche 1 und 2 werden für 4 h in eine mit Kupferionen konditionierte Ätzlösung, H₂SO₄ (Sg 1,84, 150 ml/l), Na₂Cr₂O₇·2H₂O (75 g/l), CuSO₄·5H₂O (4 g/l), mit entsalztem Wasser auf 1 l aufgefüllt, getaucht;
(d) dann mit Leitungswasser abgespült;
(e) dann mit Warmluft getrocknet;
(f) das Verkleben erfolgt innerhalb von 6 h nach den Vorbe­ handlungsschritten (a)-(e);
(g) Stücke eines in Leinwandbindung gewebten Kevlar(Wz)- Gewebes 4, die vorher entschlichtet wurden, werden auf die gewünschte Größe zugeschnitten;
(h) gleiche Mengen von Klebstoff werden auf die Verbindungs­ flächen jedes Blechs gestrichen (hochschlagfestes, zwei Teile Epoxid enthaltendes Hysol-Dexter(Wz) 9309.3(NA));
(i) eine Einzellage des Kevlargewebes wird zwischen und auf die beiden zweiten Metallbleche 2 aus Aluminiumlegierung 5083 gelegt;
(j) die ersten Metallbleche 1 werden dann zusammengefügt, wie Fig. 2 zeigt. Sämtliche Verbindungen sind mit dickenregelnden Abstandshaltern 5 versehen.
Die Dicke t₁ (0,51 mm) jeder Zwischenlage 8 zwischen den ersten Metallblechen 1 beträgt 50% der Dicke t₂ der zweiten Metallbleche.
Die Dicke t₃ der Klebstofflage, die die zweiten Metallbleche voneinander und vom Rest der Panzerung trennt, beträgt 0,5 mm, diese Dicke genügt für die vorher beschriebene Faser­ belegung.
(k) Die Panzerplatte wird dann in einer Presse mit einem Druck von 21092 kg/m² (30 psi) gepreßt und für eine Stunde bei 60°C gehalten, um die Fluidität des Klebstoffs zu för­ dern und das Gewebe somit gründlich zu tränken.

Eine Anzahl von verschiedenen Panzerplatten, die grundsätz­ lich in der oben beschriebenen Weise aufgebaut waren und jeweils verschiedene Zwischenlagendicke t₁ hatten, wurde zum Erhalt des Gütefaktors der Panzerung geprüft, indem Hochge­ schwindigkeits-Splitter 13 jeweils mit verschiedenen Ge­ schwindigkeiten zum Auftreffen gebracht wurden. Die Ergebnis­ se sind in Fig. 1 gezeigt; dieses Diagramm zeigt die Änderung des Gütefaktors MR (MR - m³/kg s) gegenüber dem Verhältnis von t₁/t₂ (Zwischenlagendicke dividiert durch Dicke des ersten Metallblechs). Der Gütefaktor ist im Bereich von t₁/t₂=0,5 optimiert und im Bereich von 0,4-0,9 nicht signifikant reduziert. Der Gütefaktor fällt ab, wenn das Verhältnis t₁/t₂ unter 0,4 reduziert ist und man sich einer Situation nähert, in der die Zwischenlagen ungenügende Dicke haben, um eine im wesentliche unabhängige Verformung von ersten Metallblechen 1 zu erlauben, und infolgedessen tritt ein Ausfall durch Pfropfbildung mit geringer Energie in Dickenrichtung auf. Wenn eine Panzerung mit dem optimalen Verhältnis von t₁/t₂ gerade noch einem vollständigen Ausfall standhalten konnte, der Schadensverlauf gemäß Fig. 3 auf. Die ersten Metallbleche 1 absorbieren eine große Ener­ giemenge durch plastische Verformung bei 9. Dies ist möglich (a) durch die Dicke der Zwischenlagen 8 und (b) wegen des niedrigen Youngschen Elastizitätsmoduls der Zwischenlagen 8 (3 GPa). Die zweiten Metallbleche 2 in Kombination mit dem Aramidgewebe 4 verhindern das Auftreten einer Scheibenbildung und absorbieren ebenfalls Energie aufgrund von plastischer Verformung und Reibung zwischen den Fadenkabeln.

Durch die Vermeidung einer Pfropfenbildung durch die Dicke der Panzerung tritt eine stärkere Ablösung der Panzerplatte aufgrund der Bildung von Rissen 10 auf. Dies hat den vorteil­ haften Effekt einer Vergrößerung der Panzerungsfläche, die zur Absorption der Energie eines Geschosses wirksam ist.

Die resultierenden Gütefaktoren sind gegenüber dem Gütefaktor einer monolithischen Aluminiumpanzerung vergleichbarer Flä­ chendichte, deren Gütefaktor am Punkt A in Fig. 1 gezeigt ist, sämtlich besser.

Um zu ermöglichen, daß die Panzerplatte ein einsatzfähiges selbständiges ausgeglichenes Konstruktionsmaterial bilden kann, sind der erste Teil 11 der Panzerung und der zweite Teil 12 so ausgelegt, daß sie in gleicher Weise auf einwir­ kende Belastungen ansprechen, wodurch die Verzugstendenz der Panzerung minimiert ist.

Claims (10)

1. Verbundpanzerung, umfassend einen ersten Teil, der erstes Metallblechmaterial aufweist und auf der einem Angriff standhaltenden Seite der Panzerung liegt, und einen zweiten Teil, der umfangsgleich mit dem ersten Teil ist und zweites Metallblechmaterial aufweist, das duktiler als das Metall des ersten Teils ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
(i) der erste Teil (11) ein Laminat von ersten Metall­ blechen (1) mit jeweils einer mittleren Dicke (t) ist, die durch Zwischenlagen (8) miteinander verbunden sind, deren Dicke zwischen 0,4 t und 0,9 t liegt und die unter Kompression einen Youngschen Elastizitätsmodul unter 4 GPa senkrecht zu den Lagen haben;
(ii) der zweite Teil (12) wenigstens ein zweites Metall­ blech (2) umfaßt, das duktiler als das Metall der ersten Metallbleche ist.

2. Panzerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlagen (8) des ersten Teils unter Kompression einen Youngschen Elastizitätsmodul unter 3,5 GPa senkrecht zu den Lagen haben.

3. Panzerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlagen (8) des ersten Teils faserfreies Harz umfassen.

4. Panzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (11) vier bis zehn erste Metallbleche (1) umfaßt.

5. Panzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausfallformänderungspunkt der ersten Metallbleche (1) kleiner als 14% und derjenige von im zweiten Teil (12) der Panzerung enthaltenem Material größer als 14% ist.

6. Panzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (12) ein Laminat aus wenigstens zwei zweiten Metallblechen (2) umfaßt, die duktiler als die ersten Metallbleche (1) sind.

7. Panzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbleche (1, 2) jeweils unabhängig aus Aluminium, Titan oder Magnesium oder Legierungen davon ausgewählt sind.

8. Panzerung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Metallbleche (2) miteinander und mit dem er­ sten Teil (11) der Panzerung mit Klebstoff verbunden sind, von dem wenigstens ein Teil Verstärkungsfasern (4) enthält.

9. Panzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (11) wenigstens 75 Vol.-% der Panzerung einnimmt.

10. Panzerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Teil im wesentlichen die glei­ chen strukturellen Zugbelastungsaufnahmefähigkeits-Eigen­ schaften haben.