EP1099089B1 - Leichtpanzerungselement - Google Patents

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EP1099089B1
EP1099089B1 EP99963149A EP99963149A EP1099089B1 EP 1099089 B1 EP1099089 B1 EP 1099089B1 EP 99963149 A EP99963149 A EP 99963149A EP 99963149 A EP99963149 A EP 99963149A EP 1099089 B1 EP1099089 B1 EP 1099089B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber composite
layers
composite layers
fiber
armoring element
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.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99963149A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1099089A1 (de
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
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1099089A1 publication Critical patent/EP1099089A1/de
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Expired - Lifetime 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, especially for special protection vehicles, from at least two bullet-resistant layers.
  • Armor elements are also known, which consist of different composite materials. Doing so Light armor acc. DE 43 00 746 A1 in multi-layer construction formed from two armor elements. Every armor element consists of a composite of a fiber composite layer and a super hard metal layer. This metal layer is applied over the entire surface, which also increases the weight increased and a three-dimensional deformation difficult is.
  • WO 96/18089 describes an element for absorbing the Described energy of a projectile, which is also made of there are several different layers. The first in Gun direction is harder than 25 HRC second layer has a hardness of 20-40% of the first Layer. A thin third layer absorbs or through their deformation the energy of the Projectile. The third layer consists of Carbon steel, fiberglass or carbon-based based materials. Another disadvantage is that an adaptation of this element to a desired one Surface contour is not easily possible. Still is its production is relatively complex and one uncomplicated adaptation to different shelling strengths not easily possible.
  • DE 34 26 458 A1 describes a bullet-resistant laminate described a variety of aramid fabric layers.
  • the Aramid fabric has the property that the Impact or penetration on hard material deformed or fragmented bullets well unstoppable.
  • the disadvantage, however, is that for the production three-dimensional shapes from aramid fiber fabric very costly tools are required.
  • a bulletproof mat for covering vehicle walls known from DE 195 43 127 A1. This consists of flexible bulletproof fabric layers and is with a provide liquid-tight surface protection.
  • DE G 92 15 781.5 U1 describes armor for vehicles, in which the facing the interior of the vehicle Surface in addition to armored steel plates Covering fabric mats across large areas is covered. The fabric mats also overlap their joints.
  • an anti-bullet is also known Layer combination consisting of an outer layer and an inner layer of fiberglass, the outer layer both higher tensile strength as well has a higher elasticity.
  • the number of layers is in accordance with the required bullet security variable, the number of layers covering the inner Form high elasticity is less than that Number of layers which the outer layer is higher Form firmness.
  • This armor element has a high Overall thickness and heavy weight.
  • the invention is based on the object Light armor element, especially for special protection vehicles, to develop that the requirements of the Bulletproof can be easily adjusted, doing so easy to bring into three-dimensional shapes and the design of the vehicle is customizable, with a relatively small overall thickness has and is therefore suitable, optically the impression to awaken standard interior linings.
  • the light armor element has one in the direction of fire arranged first layer of high fiber composite layers Strength and a subsequent second layer Composite layers of high elasticity, both Layers are bonded together and the Number of layers is variable, the invention being Number of elastic second fiber composite layers Number of hard first fiber composite layers exceeds or the order of the hard first fiber composite layers and the elastic second fiber composite layers replaced.
  • the light armor element consists of different fiber composite layers, which are three-dimensionally formable and suitable, the To prevent penetration of a projectile over the entire surface.
  • the light armor element is also in its Edge bombardment at a distance of 10mm from its edge and at Shelling at an angle of 45 °, 10mm from the edge distance of the Component, when using solid jacket bullet-headed bullets with soft core in connection with caliber 357 Magnum and full-shell flat-head bullet with soft core in Connection with 44 Remington Magnum caliber, the Penetration of projectiles prevented. Even with one Triangular bombardment with triple caliber spacing (multihit), when using solid jacket bullet-headed bullets with soft core in connection with caliber 357 Magnum and von Full-shell flat-head bullets in combination with soft core with the 44 Remington Magnum caliber the penetration of the Projectile avoided.
  • first ones are preferably used hard fiber composite layers and then several second elastic fiber composite layers arranged so that on a hard area braking the projectile energy preferably several hard fiber composite layers Projectile restrained elastic area preferably several second elastic fiber composite layers follows.
  • the fiber composite layers preferably consist of Binders embedded organic and / or inorganic Fibers. Flax fibers, hemp fibers, Sisal fibers, aramid fibers, glass fibers, carbon fibers, polyethylene fibers or combinations of these fiber materials (e.g. aramid glass fibers, aramid carbon fibers, aramid natural fibers, Aramid polyethylene fibers) or others suitable fiber materials are used. To one secure connection between the fiber composite layers ensure these are also shared with each other Binders connected.
  • thermosetting or thermoplastic base being as thermosetting Binders e.g. Phenolic resins, melamine resins or epoxy resins and as a thermoplastic binder e.g. polyethylene, Polypropylene or polyamide or also polyvinyl butyral and Polyurethanes can be used.
  • thermosetting Binders e.g. Phenolic resins, melamine resins or epoxy resins
  • thermoplastic binder e.g. polyethylene, Polypropylene or polyamide or also polyvinyl butyral and Polyurethanes can be used.
  • the fiber composite layers are preferably woven Scrims, knitted fabrics or knitted fabrics with an amorphous, directional, bidirectional or unidirectional Structure and can meet the highest demands bulletproofing also provided with 3-D entanglements or as three-dimensional knitted or shaped parts be trained.
  • the properties of the first layer solidify this high-strength layer additionally when the Projectile. Thanks to its high energy absorption capacity the second layer the projectile or its splinters well firmly and prevents its penetration.
  • the invention is a light armor element created that by combining number, order. and composition of the different fiber composite layers the respective requirements of bullet security and the constructive circumstances of each Vehicle can be easily adjusted. Add to that as a Another major advantage is the weight saving compared to conventional armor.
  • the application of the flexible fiber composite layers with different Properties guaranteed against bulletproof Mats made of aramid fiber fabrics have a good three-dimensional Deformability (even with radius areas with small radii or in corner areas of angles) and thus a simple one Adaptation to the desired surface contours.
  • the equipment of vehicles with armor is thus much easier and improved.
  • the light armor elements give the impression optically standard interior linings.
  • Light armor element is possible opposite Armor made of polymer materials and combinations with this (e.g. aramid fiber fabric), the wall thicknesses significantly to reduce and fire classes of at least B3 and B4 as well as the edge bombardment and the bombardment under a 45 ° To withstand angles.
  • 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 fire.
  • standard fire triangular fire at a distance of 120mm, with a 44 Remington Magnum
  • fire class B4 according to EN 1063
  • DIN EN 1063 DIN EN 1063
  • stress type 3 according to DIN 52290
  • the direction of the arrow indicates the direction of fire.
  • 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 Aramid fiber fabric 2 (elastic fiber composite layers 2) is shown in Fig. 2. First are in Direction of fire at the 6 layers of carbon fiber fabric and then arranged the 20 layers of aramid fiber fabric.
  • Multihit is the one. Technical term for one Triangle shot with triple caliber spacing, the increased Requirements for the armor element to avoid the
  • 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) shown in the same order as for the two the aforementioned examples are arranged.
  • 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 .
  • Fig. 4 are three fiber composite layers 2 made of aramid fiber fabric between 3 fiber composite layers 1 each Carbon fiber fabric arranged. From the direction of fire (Arrow direction) thus follows a hard area from FIG. 3 Carbon fiber layers that the energy of the projectile at least partially absorbs an elastic region from FIG. 3 Layers of aramid fiber, the deformed projectile or Projectile splinter tries to hold back. On this again a hard area is excluded 3 Carbon fiber layers, which the energy of the projectile and the projectile splinter is further reduced until in the subsequent elastic region from 17 Aramid fiber layers the projectile and its splinters be completely stopped.
  • Fig. 5 is in the direction of fire an area in which one alternates Carbon fiber layer (fiber composite layer 1) and one
  • Aramid fiber layer (fiber composite layer 2) are arranged.
  • the wall thicknesses of the new lightweight armor elements depending on the number of fiber composite layers used between 5 and 20mm and sometimes fall short essentially the wall thicknesses of known armor glass fiber reinforced plastics, aramid fabrics or other known combinations in multi-layer construction.
  • the number of fiber composite layers in the corresponding Areas must be in accordance with the required bullet security to get voted.
  • the edge area 3 according to FIG. 6 can also secure in Direction of fire should be reinforced.
  • 10 elastic fiber composite layers arranged over the entire surface 2 in the edge area 3 another 10 elastic Fiber composite layers 2 added. Above all Fiber composite layers 2 is in the direction of fire the hard fiber composite layer 3.
  • the fire classes are B1 to B7 according to DIN EN 1026 the weapons and calibers assigned.
  • the Continuous top line indicates use of steel, the dashed bottom line the use of the innovative light armor elements.
  • the light armor elements can be in the form of mats or molded parts. Because of their flexibility they can easily be placed in the desired surface contours shape, i.e. it has good drapability ensures that even complex contours can be replicated. This is done simultaneously the layers with higher strength (Carbon fiber layers) avoided instability.
  • the fiber composite layers it is also possible a different order of the fiber composite layers to choose, e.g. can also be used with 6 hard and 20 elastic layers, alternating one at a time hard and an elastic layer can be arranged and then the remaining elastic layers.
  • the number of fiber composite layers 1 and / or 2, depending on the requirement, may also be lower than for the aforementioned 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)

Description

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 A1 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 A1 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 A1 bekannt. Diese besteht aus biegsamen beschußsicheren Gewebeschichten und ist mit einem flüssigkeitsdichten Oberflächenschutz versehen. In DE G 92 15 781.5 U1 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.
Bekannt ist nach US 3,771,418 auch eine beschußhemmende Schichtenkombination, die aus einer äußeren Schicht und einer inneren Schicht aus Fiberglas bestehen, wobei die äußere Schicht sowohl eine höhere Zugfestigkeit als auch eine höhere Elastizität aufweist. Die Anzahl der Schichten ist entsprechend der geforderten Beschußsicherheit variierbar, wobei die Anzahl der Lagen, welche die innere Schicht hoher Elastizität bilden geringer ist, als die Anzahl der Lagen, welche die äußere Schicht hoher Festigkeit bilden. Dieses Panzerungselement weist eine hohe Gesamtdicke und ein hohes Gewicht auf.
Bei den vorgenannten Panzerungselementen, die Matten aus Aramidgeweben oder andere beschußsicheren Gewebearten verwenden, ist die Beschußsicherheit 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 Sonderschutzfahrzeuge, 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, wobei es eine relativ geringe Gesamtdicke aufweist und somit geeignet ist, optisch den Eindruck serienmäßiger Innenauskleidungen zu erwecken.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst, welche durch die Merkmale der Unteransprüche weiter ausgebildet werden.
Das Leichtpanzerungselement weist eine in Beschussrichtung angeordnete erste Lage aus Faserverbundschichten hoher Festigkeit und eine sich anschließende zweiten Lage aus Faserverbundschichten hoher Elastizität auf, wobei beide Lagen durch Bindemittel miteinander verbunden sind und die Anzahl der Lagen variierbar ist, wobei erfindungsgemäß die Anzahl der elastischen zweiten Faserverbundschichten die Anzahl der harten ersten Faserverbundschichten übersteigt oder die Reihenfolge der harten ersten Faserverbundschichten und der elastischen zweiten Faserverbundschichten wechselt.
Das Leichtpanzerungselement besteht dabei aus unterschiedlichen Faserverbundschichten, 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 Beschuß 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 Beschußentfernung 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 Beschuß angriffshemmender Stoffe nach DIN 52290
Mit dem Leichtpanzerungselement wird auch bei dessen Randbeschuß im Abstand von 10mm seines Randes und bei Beschuß 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 bezeichnetauf.
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° Beschuß besser Rechnung getragen.
Die Faserverbundschichten bestehen vorzugsweise aus in Bindemitteln eingebetteten organischen und/oder anorganischen Fasern. Dabei können Flachsfasern, Hanffasern, Sisalfasern, Aramidfasern, Glasfasern, Carbonfasern, Polyethylenfasern oder Kombinationen dieser Faserwerkstoffe (z.B. Aramid-Glas-Fasern, Aramid-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 Leichtpanzerungselemente 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 Beschuß 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 Beschußrichtung 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 Carbonfasergewebe 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 Aramidfaserschichten 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 Aramid-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 Beschuß 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 B1 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 (12)

    1. Leichtpanzerungselement, insbesondere für Sicherheitskraftfahrzeuge, mit einer in Beschußrichtung angeordneten ersten Lage aus Faserverbundschichten (1) hoher Festigkeit und einer sich anschließenden zweiten Lage aus Faserverbundschichten (2) hoher Elastizität, wobei beide Lagen durch Bindemittel miteinander verbunden sind und die Anzahl der in Beschußrichtung weisenden ersten Faserverbundschichten (1) und die Anzahl der sich anschließenden zweiten Faserverbundschichten (2) des, das Sicherheitskraftfahrzeug auskleidende, Leichtpanzerungselements, entsprechend der geforderten Beschußsicherheit variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der elastischen zweiten Faserverbundschichten (2) die Anzahl der harten ersten Faserverbundschichten (1) übersteigt oder daß die Reihenfolge der harten ersten Faserverbundschichten (1) und der elastischen zweiten Faserverbundschichten (2) wechselt.
    2. Leichtpanzerungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß harte Faserverbundschichten (1) und weniger harte Faserverbundschichten (1) miteinander kombinierbar sind.
    3. Leichtpanzerungselement nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß elastische Faserverbundschichten (2) und weniger elastische Faserverbundschichten (2) miteinander kombinierbar sind.
    4. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundschichten (1), (2) aus mit Bindemitteln versetzten organischen und/oder oder anorganischen Fasern bestehen.
    5. Leichtpanzerungselement nach einem der ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Flachsfasern, Hanffasern, Sisalfasern, Aramidfasern, Gewebefasern, Carbonfasern oder Kombinationen dieser Faserwerkstoffe Anwendung finden.
    6. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß duroplastische Bindemittel in Form von Phenolharzen und Melaminharzen und als thermoplastische Bindemittel Polyethylen oder Polyamid Anwendung finden.
    7. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundschichten als Gewebe, Gelege oder Gewirke ausgebildet sind.
    8. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Faserverbundschicht (1) ein Carbonfasergewebe ist.
    9. Leichtpanzerungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengewicht des Carbonfasergewebes in der Größenordnung von 200g/m3 liegt.
    10. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Faserverbundschicht (2) ein Aramidfasergewebe ist.
    11. Leichtpanzerungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Flächengewicht des Aramidfasergewebes in der Größenordnung von 90g/m3 liegt.
    12. Leichtpanzerungselement nach einem der Ansprüche von 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, es in Beschußrichtung 3 bis 6 Lagen der ersten Faserverbundschicht (1) und sich daran anschließend 13 bis 29 Lagen der zweiten Faserverbundschicht (2) aufweist.
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