DE10323082A1

DE10323082A1 - Schichtverbundwerkstoff aus Metall und Faserverstärkter Keramik

Info

Publication number: DE10323082A1
Application number: DE2003123082
Authority: DE
Inventors: Bodo Benitsch; Rainer Dr. Zimmermann-Chopin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-12-16

Abstract

Schichtverbundwerkstoff, enthaltend eine Schicht aus einem Metall, ausgewählt aus Titan, Aluminium und Stahl, und eine Schicht aus faserverstärkter Keramik, wobei die Schicht aus faserverstärkter Keramik Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff und/oder Carbiden, Nitriden oder Boriden enthält, und die Matrix der Keramik Phasen von Carbiden enthält, die zumindest teilweise durch Schmelzphaseninfiltration von carbidbildenden Elementen in eine Kohlenstoff enthaltende Matrixschicht gebildet sind, wobei zwischen der Metallschicht und der Schicht aus faserverstärkter Keramik eine Verbindungsschicht ausgebildet ist, die eine Legierung aus mindestens einem der in der Metallschicht enthaltenden Metalle und mindestens einem der carbidbildenden Elemente ist, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung als Panzerungsplatten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtverbundwerkstoff aus Metall und faserverstärkter Keramik.
Faserverstärkte Keramiken zeichnen sich gegenüber unverstärkten Keramiken durch ein duktiles Bruchverhalten aus. Dies ist bei allen Anwendungen erwünscht, bei denen es bei mechanischer Belastung zum katastrophalen Bruch kommen kann.
Zum Schutz vor Projektilen werden neben Hartmetallen und Gewebelagen aus hochfesten Fasern wie beispielsweise Aramidfasern auch keramische Verbundwerkstoffe eingesetzt. Zur Verbesserung der Eigenschaften insbesondere bei Mehrfachbeschuss werden keramische Schutzplatten häufig mit einer rückwärtigen Verstärkung aus Fasergewebelagen oder Metallblechen versehen, die üblicherweise aufgeklebt werden. Ihre wesentliche Funktion ist das Verhindern des Splitterns und das Auffangen des abgelösten Splitter. Wegen ihrer höheren Festigkeit und ihrer Duktilität werden rückwärtige Verstärkungen aus Metallen bevorzugt.
Dabei ist die Klebeverbindung bei einer Mehrfachbelastung meist die Schwachstelle in diesem Verbund.
Aus der EP-A 0 994 084 ist eine mehrlagige Struktur bekannt, bei der eine mit Kohlenstoffasern verstärkte Siliciumcarbidkeramik auf eine Stützstruktur aufgebracht wird, wobei diese auch aus Metall-Formkörpern bestehen kann. Die Verbindung wird durch Kleben bewirkt.
Aus der DE-A 29 43 680 ist ein plattenförmiges Panzerelement bekannt umfassend eine Platte aus einem geschossbrechenden Hartstoff und einen geschosshemmenden Stützstoff auf der dem Beschuss abgewandten Seite. Als geschosshemmender Stützstoff werden spezielle Aramidfasergewebe vorgeschlagen, die mehrere lose geschichtete Lagen bilden und nur schwach miteinander verbunden sind. Dieses Stützgewebe hat die Aufgabe, den durch einen Beschuss zerstörten bzw. verformten Hartstoff im Gesamtaufbau zusammenzuhalten. Die Schutzwirkung derartiger Elemente ist noch verbesserungsbedürftig.
Aus der DE-A 35 08 848 ist ein Panzerelement bekannt, das eine oberste Schicht aus mosaikförmig aneinandergefügten Hartstoffplatten aus Keramik aufweist. Diese oberste Schicht ist mit einer darunter angeordneten energieaufnehmenden Trägerschicht verbunden, die nur so steif ausgebildet ist, dass sie gerade den Verbund mit den Hartstoffplatten zu tragen vermag. Gleichzeitig kann die energieaufnehmende Trägerschicht grobporig sein, damit beim Eindringen des Geschosses in die Panzerplatte weniger Material weggedrängt werden muss. Die geringe Steifigkeit dieser Trägerschicht wird durch eine weitere Trägerschicht aus Metall oder Kunststoff kompensiert. Ein auf das Panzerelement auftreffendes Geschoss zertrümmert die Hartstoffplatten und wird durch die Hartstoffplatten und die erste und zweite Trägerschicht abgebremst, wobei sich diese beiden Trägerschichten verformen. Eine schlagzähe Umhüllung verbindet die Hartstoffplatten mit den Trägerschichten und soll einen allseitigen Splitterschutz bieten. Der Aufbau dieser Schutzpanzerung ist kompliziert.
Es besteht daher die Aufgabe, Verbunde von faserverstärkter Keramik mit einer rückwärtigen Verstärkung (sogenanntes "backing'") aus Metallen zu schaffen, die ohne Klebung miteinander verbunden werden und deren Verbindung auch bei Beanspruchung soweit erhalten bleibt, dass die Funktion nicht beeinträchtigt wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Schichtverbundwerkstoff enthaltend eine Schicht aus einem Metall ausgewählt aus Titan, Aluminium und Stahl, und eine Schicht aus faserverstärkter Keramik, wobei die Schicht aus faserverstärkter Keramik Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff und/oder Carbiden, Nitriden oder Boriden enthält, und die Matrix der Keramik Phasen von Carbiden enthält, die zumindest teilweise durch Schmelzphaseninfiltration von carbidbildenden Elementen in eine Kohlenstoff enthaltenden Matrixschicht gebildet sind, wobei zwischen der Metallschicht und der Schicht aus faserverstärkter Keramik eine Verbindungsschicht ausgebildet ist, die eine Legierung aus mindestens einem der in der Metallschicht enthaltenen Metalle und mindestens einem der carbidbildenden Elemente ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoffs durch Aufbringen einer Schicht aus einem carbonisierbaren Material, das Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff und/oder Carbiden, Nitriden oder Boriden enthält, auf ein Blech aus einem Metall ausgewählt aus Titan, Aluminium und Stahl, Verpressen zu einem Formkörper, Carbonisieren des Formkörpers durch Erhitzen auf ca. 750 °C bis ca. 1300 °C unter Ausschluss von oxydierenden Gasen, und Infiltrieren des Verbundes unter vermindertem Druck mit einem flüssigen carbidbildenden Element oder einer Mischung mehrerer Elemente, von denen mindestes eines Carbide bildet, bevorzugt Silicium oder dessen Legierungen, bei einer Temperatur, die mindestens 10 K über der Schmelztemperatur des betreffenden Elements oder der Mischung liegt, mit Reaktion zumindest eines Teils des Kohlenstoffs der Matrix zu dem betreffenden Carbid und Bildung einer Verbindungsschicht zwischen der Metallschicht und der Schicht aus faserverstärkter Keramik, die eine Legierung aus mindestens einem der in der Metallschicht enthaltenen Metalle und mindestens einem der carbidbildenden Elemente ist.
Das carbonisierbare Material der Matrix ist bevorzugt ausgewählt aus thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffen. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, mehrere faserverstärkte Körper aus porösem Kohlenstoff insbesondere CFC-Körper (engl. "CFRC", "carbon fibre reinforced carbon") auf einem Metallblech bündig aneinander anschließend anzuordnen und diese Anordnung einer Infiltration mit einem flüssigen carbidbildenden Element oder einer Mischung mehrerer Elemente, von denen mindestes eines Carbide bildet, zu unterwerfen.
Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung der erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoffe als Panzerplatte oder Schutzplatte gegen stoßartige Beanspruchungen wie die Einwirkung von Projektilen.
Die Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff und/oder Carbiden, Nitriden oder Boriden wie Siliciumcarbid, Siliciumnitrid oder gemischten Carbiden und Nitriden wie Siliciumborcarbid oder Siliciumbornitrid haben bevorzugt einen Durchmesser von 4 μm bis 12 μm, besonders bevorzugt 5 μm bis 10 μm, und insbesondere 6 μm bis 8 μm und eine mittlere Länge von 1 μm bis 30 mm, besonders bevorzugt 0,1 mm bis 15 mm, und insbesondere 0,2 mm bis 5 mm. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Fasern aus Kohlenstoff eine zusätzliche Beschichtung aus Kohlenstoff auf, die durch Aufbringen von carbonisierbaren Stoffen und Behandlung der damit beschichteten Fasern bei vorzugsweise ca. 850 °C bis ca. 950 °C gemäß der in der DE-A 197 10 105 beschriebenen Verfahrensweise unter Ausschluss von oxydierenden Gasen herstellbar ist. In der faserverstärkten Keramik beträgt der Massenanteil an Verstärkungsfasern bevorzugt 10 % bis 70 %, besonders bevorzugt bis zu 35 %.
Der Massenanteil an Carbiden in der Matrix beträgt bevorzugt 5 % bis 90 %, besonders bevorzugt 25 % bis 85 %, und insbesondere 30 % bis 80 %; der Massenanteil an dem unreagierten carbidbildenden Element oder der dieses enthaltenden Mischung beträgt bevorzugt 0 % bis 30 %, besonders bevorzugt 2 % bis 25 %. Daneben kann die Matrix noch unreagierten Kohlenstoff in einem Massenanteil von bis zu 15 % enthalten. Bevorzugt werden Silicium oder dieses enthaltende Mischungen zur Schmelzinfiltration eingesetzt; die Matrix enthält dann bevorzugt die genannten Massenanteile an Siliciumcarbid und an unreagiertem Silicium.
Bevorzugt umfassen die erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoffe jeweils eine Lage aus Metall und eine Lage aus faserverstärkter Keramik.
In dem Schichtverbundwerkstoff beträgt die Dicke der Metallschicht bevorzugt 0,2 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt 0,5 mm bis 5 mm, und insbesondere 1,0 mm bis 4 mm. Die Dicke der Keramikschicht beträgt bevorzugt 1 mm bis 100 mm, besonders bevorzugt 2 mm bis 50 mm, und insbesondere 3 mm bis 25 mm. Damit wird die Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoffs 1,2 mm bis 120 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Keramiklage des Schichtverbundwerkstoffs aus einer Vielzahl von einzelnen Platten, die zwickelfrei aneinandergefügt sind. Solche zwickelfreien Anordnungen lassen sich beispielsweise realisieren mit Kreisen, an die jeweils zwei Dreieckszwickel angeformt sind, dreieckigen, viereckigen oder sechseckigen Platten, die auf Stoß im Sinne einer Parkettierung aneinandergelegt sind. Durch diese Ausführungsform lässt sich die Zerstörung durch eine Schlageinwirkung auf die Größe der betroffenen Keramikplatte limitieren.
Bei der Infiltration des faserverstärkten porösen Kohlenstoff-Körpers mit der Schmelze eines carbidbildenden Metalls, bevorzugt der Silicierung, bildet sich durch die Reaktion des Metalls aus dem Blech mit dem flüssigen zur Infiltration verwendeten Element auch eine Schicht aus einer Legierung oder einer intermetallischen Verbindung des Infiltrations-Elements mit dem Metall des Backing (im Falle von Silicium also dem Silicid des betreffenden Metalls) aus, das im Sinne eines Hartlots die mechanische Verbindung zwischen den Schichten verbessert.
Es ist auch möglich, die Temperatur bei der Infiltration soweit zu erhöhen, dass auch das Metallblech zumindest partiell schmilzt, dabei können sich auch neben den genannten Legierungen oder intermetallischen Verbindungen, bevorzugt den Siliciden, auch Carbide des Metalls sowie gemischte ternäre Verbindungen bilden. Durch eine derartige Reaktion kann die Festigkeit der Anbindung zwischen der Metallschicht und der Keramikschicht verbessert werden.
Es ist weiter möglich, die CFC-Körper oder deren Vorläufer, nämlich das mit Kohlenstofffasern verstärkte Harz derart auszuführen, dass die dem Metallblech abgewandte Seite arm an oder gänzlich frei von Verstärkungsfasern ist. Dies lässt sich realisieren durch eine faserfrei formulierte oberste Harz- oder Kunststoffschicht, durch entsprechend aufgebaute faserverstärkte (CFC-) Vorkörper, oder durch Auflegen von Folien aus Kohlenstoff Graphit oder expandiertem Graphit. Bei der Behandlung beispielsweise mit flüssigem Silicium wird diese Schicht zu einer nahezu ausschließlich aus Siliciumcarbid sowie aus geringen Mengen an unreagiertem Silicium und/oder unreagiertem Kohlenstoff bestehenden Schichtumgewandelt, deren Zusammensetzung bevorzugt so eingestellt wird, dass sie denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie die Schicht aus Metallblech. Ein derartiger Dreischichtaufbau bietet den Vorteil, dass bei Temperaturänderungen keine Durchbiegung des Schichtverbundwerkstoffs auftritt im Sinne eines "Bimetalleffekts". Unter "arm an Verstärkungsfasern" wird hier verstanden, dass der Massenanteil an Verstärkungsfasern in der betreffenden Schicht höchstens 30 % beträgt, bevorzugt höchstens 10 %, und insbesondere höchstens 2 %.
Die Schichtverbundwerkstoffe gemäß der Erfindung lassen sich verwenden zur Panzerung von Fahrzeugen wie Automobilen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen, Panzern, Schiffen und in Personenschutzausrüstungen.
Gegenüber den bekannten Panzerungsplatten aus Metallen oder Metallverbunden haben sie den Vorteil eines geringeren Gewichts, und gegenüber den bekannten Panzerungsplatten aus Keramik ergibt sich durch diesen Aufbau eine erhöhte Stabilität, die bis zu Beschussklasse FB7 führt.

Claims

Schichtverbundwerkstoff enthaltend eine Schicht aus einem Metall ausgewählt aus Titan, Aluminium und Stahl, und eine Schicht aus faserverstärkter Keramik, wobei die Schicht aus faserverstärkter Keramik Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff und/oder Carbiden, Nitriden oder Boriden enthält, und die Matrix der Keramik Phasen von Carbiden enthält, die zumindest teilweise durch Schmelzphaseninfiltration von carbidbildenden Elementen in eine Kohlenstoff enthaltenden Matrixschicht gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Metallschicht und der Schicht aus faserverstärkter Keramik eine Verbindungsschicht ausgebildet ist, die eine Legierung aus mindestens einem der in der Metallschicht enthaltenen Metalle und mindestens einem der carbidbildenden Elemente ist.
Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht ein Blech mit einer Dicke von 0,2 mm bis 20 mm ist.
Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil an Verstärkungsfasern in der Keramikschicht 10 % bis 70 % beträgt.
Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern ausgewählt sind aus Kohlenstofffasern und Graphitfasern mit einem Durchmesser von 4 μm bis 12 μm und einer mittleren Länge von 1 μm bis 30 mm.
Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil von Siliciumcarbid in der Keramik 5 % bis 90 % beträgt.
Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht aus einer Vielzahl von einzelnen Platten besteht, die zwickelfrei aneinandergefügt sind.
Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht zwischen dem Metallblech und der Keramikschicht Carbide und/oder Silicide mindestens eines der das Metallblech bildenden Metalle enthält.
Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Metallblech abgewandte Seite der Keramikschicht mit einer weiteren Oberflächenschicht bedeckt ist, die einen Massenanteil von höchstens 30 % an Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff aufweist.
Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund eine Keramikschicht und ein Metallblech umfasst.
Verfahren zur Herstellung von Schichtverbundwerkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Metallblech Platten aus mit Verstärkungsfasern verstärkten porösen Kohlenstoffkörpern bündig aneinanderanschließend gelegt werden, und dass die Platten anschließend von der dem Blech abgewandten Seite mit einem flüssigem carbidbildenden Element infiltriert werden unter Bildung von Carbiden in den Platten und unter Bildung einer Verbindungsschicht zwischen den Platten und dem Metallblech.
Verfahren zur Herstellung von Schichtverbundwerkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – auf ein Metallblech aus einem Metall ausgewählt aus Titan, Aluminium und Stahl eine Schicht aus einem carbonisierbaren Material aufgebracht wird, das Verstärkungsfasern enthält, – das beschichtete Blech zu einem Formkörper verpresst wird, – der Formkörper durch Erhitzen auf 750 °C bis 1300 °C unter Ausschluss von oxydierenden Gasen carbonisiert wird, und – der so hergestellte Verbund mit einem flüssigem caxbidbildenden Element infiltriert wird, mit Reaktion zumindest eines Teils des Kohlenstoffs der Matrix zu dem entsprechenden Carbid.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das carbidbildende Element Silicium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern ausgewählt sind aus Kohlenstofffasern, Graphitfasern und Fasern aus Carbiden und/oder Nitriden des Bor und/oder Silicium.
Verwendung von Schichtverbundwerkstoffen nach Anspruch 1 als Schutzpanzerung.