Kerami scher Werkstoff und ei ne aus di esem Werkstoff hergestel l te Panzerpl atte

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff sowie eine Panzerplatte für ballistische Schutzpanzerungen. Derartige Panzerungen werden zum Personen- oder Sachschutz eingesetzt.

Ein sehr häufig für Panzerungen und insbesondere in Fahrzeugen verwendetes Material sind Stahlplatten. Diese haben jedoch den Nachteil, daß sie zur Erreichung der erwünschten Schutzwirkung eine relativ große Dicke aufweisen müssen. Üblicherweise sind solche Stahlplatten bis zu 10 cm stark. Damit ausgestattete Fahrzeuge sind dementsprechend schwer und müssen entsprechend aufwendige Motoren, Rahmen und Lagerungen etc. aufweisen.

Es wurden daher Schutzpanzerungen entwickelt, die weniger Gewicht aufweisen und auch zum Personenschutz in Form von kugelsicheren Westen etc. verwendet werden können. Derartige "Leichtbaupanzerungen" bestehen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien. Es sind beispielsweise Verbund-Panzerplatten bekannt, die aus relativ dünnen Metallplatten bestehen, zwischen die Keramikmaterialien eingelagert sind.

Die bisher zur Verfügung stehenden Keramikmaterialien weisen eine relativ geringe Stabilität und Schutzwirkung beim Auftreffen von Geschoßprojektilen auf und werden daher in der Regel nur im Verbund mit anderen Materialien, in "Sandwich-Bauweise" verwendet.

Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Keramikmaterial und eine Panzerplatte bereitzustellen, die eine gegenüber herkömmlichen Keramikmaterialien verbesserte Schutzwirkung gegen die Einwirkung von Geschoß-Projektilen aufweisen.

Die bisher für Schutzpanzerungen eingesetzten Keramikmaterialen sind beispielsweise Aluminiumoxid, Bor-, Silizium- und Wolframcarbide sowie Aluminium -, Bor- und Siliziumnitride. Die gängige Lehrmeinung war bisher, daß für Schutzpanzerungen

geeignete Keramikmaterialien eine möglichst geringe Porosität aufweisen müssen, um die gewünschte Bruchfestigkeit bzw. Energieabsorptionsfähigkeit zu erhalten. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß die genannten Keramikmaterialien bzw. daraus hergestellte Panzerplatten eine gesteigerte ballistische Schutzwirkung haben, wenn sie eine Porosität aufweisen, die einem Bereich von 2-15 % liegt.

Ein bevorzugtes Material ist Si3N4. Es zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß es ein relativ geringes spezifisches Gewicht hat und eine gegenüber anderen keramischen Materialien erhöhte Festigkeit bzw. Schutzwirkung aufweist. Das geringe Gewicht des genannten Materials ist insbesondere bei der Herstellung von mobilen Panzerungen, etwa von kugelsicheren Schutzwesten, von Bedeutung. Es können aber prinzipiell auch Materialien, wie BN, AIN, TiB2, B4C, SiC, WC, Sialone, Venwendung finden. MgO, AI2O3, Y203, Zrθ2 oder Oxide der seltenen Erden kommen ebenfalls infrage.

Während bei Materialien wie Aluminiumoxid oder Borcarbid eine Sinterung ohne Zusatzstoffe möglich ist, müssen bei Materialien wie Siliziumnitrid Sinterhilfsmittel zugegeben werden, um eine ausreichende Verbindung der Einzelkörner des Ausgangsmaterials zu erhalten. Nach Anspruch 4 bzw. Anspruch 11 werden Aluminiumoxid und/oder Yttriumoxid vorgeschlagen. Es können aber auch Stoffe wie MgO, Oxide der seltenen Erden etc. Verwendung finden. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Anteil dieser Sinterhilfsmittel von 0,5-15 Gew.% herausgstellt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 5-7 und 12-14 angegeben.

Die erfindungsgemäßen Werkstoffe bzw. Panzerplatten eignen sich für Panzerplatten bzw. Panzerungen, die nur aus Keramikmaterial bestehen oder die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffs hergestellte Verbundmaterialien sind.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen keramischen Werkstoffe basiert auf her¬ kömmlichen Standardmethoden. Die Ausgangsmischung kann beispielsweise mit dem Heißpreßverfahren oder auch mit dem Gasdruck-Sinterverfahren weiter verarbeitet werden. Die Herstellung wird anhand des folgenden Beispiels exemplarisch erläutert:

Es werden 93 Gew.-% Si3N4, 6 Gew.-% Y2O3 und 1 Gew.-% AI2O3 in einer Trommelmühle 24 Stunden lang auf eine Korngröße < 1μm gemahlen. Die

Ausgangsstoffe liegen in einer Reinheit von mindestens 99,5% vor. Als Mahlmedium wird Ethanol verwendet. Nach dem Mahlen wird die Masse getrocknet und granuliert. Anschließend wird die Masse auf einer Trockenpresse zu plattenförmigen Vorformlingen verpreßt. Die Vorformlinge werden bei ca. 1850 bis 1900°C bei einer Haltezeit von 0,5 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre von 5 bis 10 bar gesintert.

Zur Ermittlung der Schutzwirkung des erfindungsgemäßen Materials wurden vergleichende Versuche mit unterschiedlichen ballistischen Schutzmaterialien durchgeführt. Das Ergebnis dieser Vergleichsuntersuchungen geht aus dem in Fig.1 dargestellten Balkendiagramm hervor. Die Schutzpanzerung mit der Nr. 5, die aus dem erfindungsgemäßen Material besteht und eine Dicke von ca. 1 cm aufweist, zeigt eine gegenüber den Referenzmaterialien bzw. -platten mit vergleichbarer Dicke eine deutlich erhöhte Absorptionsfähigkeit für die Energie auftreffender Projektile. Besonders zu beachten ist der Vergleich mit einem dichten Si3N4-Material (Nr.6). Während dieses herkömmliche Siliziumnitrid eine Gesamtenergie-Absorption (in %/kg) von etwa 1,1 aufweist, ist der Wert für das erfindungsgemäße Material (Nr.5) etwa doppelt so hoch, in Fig.2 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme des Gefüges eines erfindungsgemäßen Materials dargestellt. In dieser Aufnahme sind deutlich die die Porosität des Materials verursachenden Hohlräume 1 erkennbar. Die Kömer des keramischen Grundmaterials sind untereinander über "Brücken" miteinander verbunden und stützen sich an diesen Verbindungsstellen gegenseitig einander ab.

Der Entstehung der "Brücken" liegen je nach Art des verwendeten keramischen Materials unterschiedliche Sintermechanismen zugrunde. Bei Materialien wie Aluminiumoxid oder Borcarbid erfolgt die Verbindung der Einzelkörner zu einem Raum- Netzwerk durch Feststoff-Diffusionsvorgänge. Bei Materialien wie Siliziumnitrid findet dagegen unter Zusatz von Sinterhilfsmitteln eine sog. Fiüssigphasensinterung statt. Dabei verflüssigen sich die Sinteradditive bei der erhöhten Termperatur des Sinterprozesses unter Bildung einer Schmelzphase. Nach dem Abkühlen gehen diese Schmelzphasen in den festen Zustand über und verbinden die Keramikkörner bzw. -kristalle untereinander nach Art eines dreidimensionalen Netzwerkes. Es wird angenommen, daß dieses auf die eine oder andere oben beschriebene Art entstandene Netzwerk aus Keramikkörnern bzw. -kristallen verantwortlich ist für die gesteigerte ballistische Widerstandsfähigkeit. Beim Auftreffen eines Projektils wird die dabei freiwerdende mechanische Energie vom Einschlagpunkt aus in das Netzwerk weiter¬ geleitet und dadurch großflächig bzw. großräumig verteilt. Das dreidimenionale Netz¬ werk des erfindungsgemäßen Keramikmaterials besitzt aufgrund seiner Netz-

werksrtuktur auch eine erhöhte Schwingungsfähigkeit, die für den beobachteten Energieabsorptions- und -Verteilungseffekt ebenfalls mitverantwortlich sein dürfte.

Bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen wurde auch eine hohe Tempe¬ raturwechselbeständigkeit beobachtet. Dieser Eigenschaft dürften die gleichen Ursachen zugrundeliegen, wie der der gesteigerten ballistischen Schutzwirkung.