DE102015115201A1 - Component for ballistic protection applications and method for its production - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft Bauteile aus keramischen oder nichtkeramischen Materialien für ballistische Schutzanwendungen. Insbesondere werden derartige Bauteile zur Panzerung von Fahrzeugen und für Schutzwesten verwendet. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass zwei oder mehrere keramische oder nichtkeramische Materialien im Herstellungsprozess schichtförmig oder in Form eines Materialgradienten 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. ImpulsübertragungThe invention relates to components made of ceramic or non-ceramic materials for ballistic protection applications. In particular, such components are used for arming vehicles and for lifejackets. The core of the invention is that two or more ceramic or non-ceramic materials are bonded in the production process in a layer or in the form of a material gradient, whereby stresses are induced in the layer structure in a targeted manner. With the proposed component thus both functions (destruction of the projectile and interception of the splitter) are united in a composite and there is an optimal energy destruction or impulse transmission

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft Bauteile aus keramischen oder nichtkeramischen Materialien für ballistische Schutzanwendungen. Insbesondere werden derartige Bauteile zur Panzerung von Fahrzeugen und für Schutzwesten verwendet.The invention relates to components made of ceramic or non-ceramic materials for ballistic protection applications. In particular, such components are used for arming vehicles and for lifejackets.

Keramik wird seit vielen Jahren in Kombination mit anderen Werkstoffen als ballistischer Schutz von Personen und Objekten eingesetzt. 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. 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 derDE 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.Ceramic has been used for many years in combination with other materials as ballistic protection of persons and objects. 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). However, optimum protection, especially with multi-hit stress, can only be achieved through a combination of materials with high hardness (front) and high toughness (behind). 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. With the DE 103 03 351 B3 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil für ballistische Schutzanwendungen vorzuschlagen, das gegenüber dem Stand der Technik einen effektiveren Schutz gewährleistet. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen.The invention has for its object to propose a component for ballistic protection applications, which ensures more effective protection over the prior art. In addition, the invention has for its object to propose a method for its production.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Bauteil für ballistische Schutzanwendungen mit Vorder- und Rückseite, bestehend aus einem mehrschichtigen Funktionskomposit oder einem Funktionskomposit der zwischen Vorder- und Rückseite einen Werkstoffgradienten aufweist dadurch gelöst, dass das Funktionskomposit eingebrachte mechanische Spannungszustände aufweist. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Vorder- und Rückseite für ballistische Schutzanwendungen, wobei zwei oder mehrere keramische oder nichtkeramische Materialien im Herstellungsprozess schichtförmig oder in Form eines Materialgradienten verbunden werden, so dass funktional die Vorderseite große Härte und Druckfestigkeit zur Erosion und Verminderung der Eindringtiefe eines Projektils aufweist und die hinterliegende Schicht Richtung Rückseite zum Abfangen der Reste des Projektils und der Materialsplitter ausgebildet wurde dadurch gelöst, dass in den Schichtaufbau gezielt mechanische Spannungen induziert werden.According to the invention, the object is achieved by a component for ballistic protective applications with front and rear side consisting of a multi-layered functional composite or a functional composite which has a material gradient between front and rear side in that the functional composite has introduced mechanical stress states. Further, the object is achieved by a method for producing a front and rear component for ballistic protection applications, wherein two or more ceramic or non-ceramic materials are bonded in the manufacturing process in a layered or in the form of a material gradient, so that functionally the front side great hardness and compressive strength for erosion and reduction of the penetration depth of a projectile and the underlying layer towards the back to trap the remnants of the projectile and the material splitter was formed in that targeted mechanical stresses are induced in the layer structure.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass zwei oder mehrere keramische oder nichtkeramische Materialien im Herstellungsprozess schichtförmig oder in Form eines Materialgradienten 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. ImpulsübertragungThe core of the invention is that two or more ceramic or non-ceramic materials are bonded in the production process in a layer or in the form of a material gradient, whereby stresses are induced in the layer structure in a targeted manner. With the proposed component thus both functions (destruction of the projectile and interception of the splitter) are united in a composite and there is an optimal energy destruction or impulse transmission

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.The advantages achieved by the invention are, in particular, that the first layer of material facing the stress (e.g., projectile) has a high hardness and mainly leads to deformation, fragmentation and erosion of the impacting body. The underlying material or materials have a higher toughness and thus hinder the crack propagation and thereby limit the damaged volume of the armor.

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.Due to the conservation of momentum, 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. By releasing or freeing of tension, 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. If a curved, non-planar geometry is generated by tension, this can also be used to deflect the primary pulse. This behavior can improve the energy conversion and thus the protective effect especially in multi-hit stress and z. B. to a Reduce the material thickness or the basis weight of an armor lead.

Die verschiedenen Materialschichten oder der Materialgradient des Komposits werden in der Regel bereits bei der Formgebung im Grünzustand vor dem Sintern erzeugt. Das Bauteil kann aus dichten und porösen Materialschichten bestehen oder einen Dichtegradienten besitzen.The different material layers or the material gradient of the composite are usually already produced during the molding in the green state before sintering. The component can consist of dense and porous material layers or have a density gradient.

Poröse Schichten können nach dem Sintern mit Kunststoffen, Gläsern oder Metallen zur Modifizierung bestimmter Eigenschaften gefüllt bzw. infiltriert werden.Porous layers can be filled or infiltrated after sintering with plastics, glasses or metals to modify certain properties.

Die Formgebung kann durch uniaxiales Trockenpressen oder andere in der keramischen Industrie übliche Formgebungsverfahren (z.B. Gießen, Foliengießen, Spritzen, isostatisches Pressen, Drucken) erfolgen.Shaping may be by uniaxial dry pressing or other conventional molding techniques (e.g., casting, tape casting, spraying, isostatic pressing, printing).

Bei der Formgebung können die verschiedenen Materialien getrennt bzw. nacheinander in das Werkzeug oder die Form gegeben und gleichzeitig zum Grünkörper geformt werden.In the shaping, the various materials can be separated or successively added to the tool or the mold and simultaneously formed into a green body.

Die Fertigung kann auch durch zwei oder mehr nacheinander folgende Formgebungsprozesse erfolgen.The production can also be carried out by two or more successive shaping processes.

Es ist auch möglich verschiedene Formgebungsverfahren zu kombinieren. Alle oder einzelne Schichten des Komposits können alternativ durch Fügen von Formkörpern oder Folien aus unterschiedlichen Materialien durch Versintern, Löten oder Kleben hergestellt werden.It is also possible to combine different shaping methods. All or individual layers of the composite may alternatively be prepared by joining molded articles or sheets of different materials by sintering, soldering or gluing.

Die Spannungen können durch die gezielte Auswahl bzw. Beeinflussung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der im Schichtaufbau verwendeten Materialien, die bei der Formgebung eingestellten Gründichten der Schichten bzw. Materialgradienten, das bei der Entbinderung und Sinterung angewendete Temperatur-Zeit Profil oder die zum Aufbau des Komposits verwendeten Fügeprozesse in die den Schichtaufbau eingebracht werden.The stresses can be achieved by the targeted selection or influencing of the coefficients of thermal expansion of the materials used in the layer structure, the greening of the layers or material gradients during shaping, the temperature-time profile used in debinding and sintering or the joining processes used to construct the composite in which the layer structure are introduced.

Werden Materialien mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten versintert, verklebt oder verlötet, so entstehen beim Abkühlen des Formkörpers oder Laminates in den Schichten Druck- oder Zugspannungen. Eine Schicht mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten zieht sich beim Abkühlen stärker zusammen und es bildet sich in dieser Schicht eine Zugspannung aus. In der angrenzenden Schicht mit geringerem Ausdehnungskoeffizienten entsteht dadurch eine Druckspannung.If materials with different coefficients of thermal expansion are sintered, bonded or soldered, compressive or tensile stresses are produced in the layers as the molded article or laminate cools. A layer with a higher coefficient of thermal expansion contracts more during cooling and a tensile stress forms in this layer. In the adjacent layer with a lower coefficient of expansion thereby creates a compressive stress.

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.In the ceramic molding of a material, e.g. the green density before sintering can be influenced by 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. By adjusting the green density, the shrinkage can be varied in the range of almost 0% to 5% without significantly affecting the final density after sintering. If the green densities of one or more materials are influenced as described during the shaping of the layer system, tensile or compressive stresses can be set by the different shrinkages.

Durch schnelles Aufheizen oder Abkühlen können sich in den zu sinternden Materialien aufgrund der begrenzten Wärmeleitfähigkeit im Formkörper Temperaturgradienten ausbilden. Diese Temperaturgradienten können dazu führen, dass Bereiche mit höherer Temperatur schneller schwinden als Bereiche mit geringerer Temperatur, wodurch wieder Spannungen im Formkörper bzw. Schichtaufbau ausgebildet werden. Durch schnelles Abkühlen können durch die thermische Ausdehnung ebenfalls Spannungen zwischen der Oberfläche und dem Volumen eines Formkörpers erzeugt werden.Due to the limited heat conductivity in the molded body, temperature gradients can form in the materials to be sintered by rapid heating or cooling. These temperature gradients can cause areas with a higher temperature to disappear faster than areas with a lower temperature, which in turn leads to tensions being formed in the molded body or layer structure. By rapid cooling, thermal expansion can also create stresses between the surface and the volume of a molded article.

Bei der Herstellung eines Schichtaufbaus durch Löten können in der Fügezone:

• – durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Lot und Schichtmaterialien,
• – durch die Schwindung der Lotschicht oder
• – durch chemische Reaktionen des Lotes mit den zu fügenden Materialien Spannungen in der Grenzschicht induziert werden.

In the production of a layer structure by soldering, in the joining zone:

• By different coefficients of expansion of solder and layer materials,
• - By the shrinkage of the solder layer or
• - induced by chemical reactions of the solder with the materials to be joined stresses in the boundary layer.

Vergleichbare Spannungen können z. B. beim Trocknen von Klebern durch eine dabei auftretende Schwindung erzeugt werden.Comparable voltages can z. B. when drying adhesives are produced by an occurring shrinkage.

Die erzeugten Spannungen müssen so „justiert“ werden, dass diese im Schichtsystem nicht zu Rissen oder einer Delamination führen.The generated stresses must be "adjusted" so that they do not lead to cracks or delamination in the coating system.

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.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.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and figures. Showing:

1 ein aus drei Schichten bestehendes Bauteil, 1 a three-layer component,

2 ein Bauteil gemäß1 mit einer weiteren Schicht und 2 a component according to 1 with another layer and

3 gekrümmtes Bauteil. 3 curved component.

In den1 bis3 sind Bauteile mit unterschiedlichen Schichtaufbauten gezeigt. Gemäß1 besteht das Bauteil aus einer ersten Schicht1, einer zweiten Schicht2 und einer dritten Schicht3. Erste Schicht1 und dritte Schicht3 bestehen dabei aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen. Die zweite Schicht2 besteht aus einem Gemisch der Materialien von der ersten Schicht1 und der dritten Schicht3. Die erste Schicht1 ist dabei funktionell die besonders harte Schicht, die das Projektil zerstört und die folgenden Schichten fangen die Splitter ab. Das Bauteil gemäß2 hat zusätzlich zum Aufbau gemäß1 eine über eine Fügezone4 angebundene poröse Schicht5, die mit einem Kunststoff gefüllt ist. In das Bauteil gemäß3 sind die Spannungen derart eingebracht, dass eine gewölbte Geometrie des Schichtaufbaus erzeugt wird. Die derart gestaltete Geometrie trägt zur gezielten Impulsumlenkung bei.In the 1 to 3 are shown components with different layer structures. According to 1 If the component consists of afirst layer 1 , asecond layer 2 and athird layer 3 ,First shift 1 andthird layer 3 consist of different ceramic materials. Thesecond layer 2 consists of a mixture of materials from thefirst layer 1 and thethird layer 3 , Thefirst shift 1 is functionally the extra hard layer that destroys the projectile and the following layers catch the splinters. The component according to 2 has in addition to the structure according to 1 one over a joining zone 4 Tetheredporous layer 5 which is filled with a plastic. In the component according to 3 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.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

erste Schicht first shift

22

zweite Schicht second layer

33

dritte Schicht third layer

44

Fügezone joint zone

55

poröse Schicht porous layer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 10303351 B3[0002]DE 10303351 B3[0002]

Claims (8)

Translated fromGerman

Bauteil für ballistische Schutzanwendungen mit Vorder- und Rückseite, bestehend aus einem mehrschichtigen Funktionskomposit oder einem Funktionskomposit der zwischen Vorder- und Rückseite einen Werkstoffgradienten aufweist,dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionskomposit eingebrachte mechanische Spannungszustände aufweist.Component for ballistic protective applications with front and back, consisting of a multi-layered functional composite or a functional composite which has a material gradient between the front and back,characterized in that the functional composite has introduced mechanical stress states.Bauteil nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionskomposit eine gewölbte Geometrie aufweist.Component according to claim 1,characterized in that the functional composite has a curved geometry.Bauteil nach einem der Ansprüche 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche der Schichten gegenüber der Vorder- oder Rückseite nicht parallel verlaufen.Component according to one of claims 1,characterized in that the boundary surface of the layers with respect to the front or back are not parallel.Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Vorder- und Rückseite für ballistische Schutzanwendungen, wobei zwei oder mehrere keramische oder nichtkeramische Materialien im Herstellungsprozess schichtförmig oder in Form eines Materialgradienten verbunden werden, so dass funktional die Vorderseite große Härte und Druckfestigkeit zur Erosion und Verminderung der Eindringtiefe eines Projektils aufweist und die hinterliegende Schicht Richtung Rückseite zum Abfangen der Reste des Projektils und der Materialsplitter ausgebildet wurde,dadurch gekennzeichnet, dass in den Schichtaufbau gezielt mechanische Spannungen induziert werden.A method of making a front and back component for ballistic protection applications wherein two or more ceramic or non-ceramic materials are layered or in the form of a material gradient in the manufacturing process, such that the front side has high hardness and compressive strength to erode and reduce the penetration depth of a projectile has formed and the underlying layer towards the back to intercept the remnants of the projectile and the material splitter,characterized in that in the layer structure targeted mechanical stresses are induced.Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen dadurch induziert werden, dass für die verschiedenen Schichten Materialien mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt werden und dann zu einem Bauteil versintert oder verklebt oder verlötet werden.A method according to claim 4,characterized in that the voltages are induced by the fact that materials with different coefficients of thermal expansion are selected for the different layers and then sintered into a component or glued or soldered.Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen bei der Formgebung des Bauteils durch unterschiedliche Gründichten der benachbarten Schichten induziert werden.A method according to claim 4,characterized in that the stresses in the shaping of the component are induced by different green densities of the adjacent layers.Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen bei der Entbinderung und Sinterung durch gezielte Anwendung eines Temperatur-Zeitprofils induziert werden.A method according to claim 4,characterized in that the stresses in the debinding and sintering are induced by targeted application of a temperature-time profile.Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen durch einbringen von Fügezonen zwischen zwei benachbarte Schichten induziert werden, wobei für die Fügezone ein Material gewählt wird welches einen anderen Ausdehnungskoeffizienten als die zu fügenden Schichten aufweist.A method according to claim 4,characterized in that the stresses are induced by introducing joining zones between two adjacent layers, wherein for the joining zone, a material is selected which has a different coefficient of expansion than the layers to be joined.

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