Unter der Oberfläche: Erforschung harter Panzerplattenmaterialien

In unserem vorherigen Beitrag haben wir die Bewertungen von Hartpanzerplatten untersucht und dabei die „Schutzniveaus“ untersucht, die Körperpanzerplatten gemäß der Definition des NIJ und anderer Standardisierungsorganisationen bieten. Unser Ziel war es, in diesem Zusammenhang ein klareres Verständnis von Panzerplatten zu vermitteln. Wie dieser vorherige Beitrag jedoch zeigte, sind diese „Ebenen“ willkürlich und viele Platten liegen unter, zwischen oder über ihnen. (d. h. jede Platte mit einem „Plus“ in der Beschreibung. III+, IIIA+, IV+…)

Um die Leistungsmerkmale einer Panzerplatte wirklich zu erfassen, reicht es nicht aus, einfach nur die zugewiesene Stufe zu kennen. Selbst ein oberflächliches Verständnis erfordert einige Kenntnisse über die Materialien, die bei der Konstruktion dieser Platte verwendet werden.

Lassen Sie uns vor diesem Hintergrund einen Überblick über Panzerplattenmaterialien und ihre Leistungsmerkmale geben.

In Hartpanzerplatten werden üblicherweise drei Keramikmaterialien verwendet: Aluminiumoxid, Siliziumkarbid und Borkarbid.

Die folgende Tabelle zeigt die durchschnittlichen Eigenschaften der kommerziellen Qualitäten für jedes Material, einschließlich AD85 und RBB4C als gängige Varianten:

In der obigen Tabelle wird „Leistung“ auf Gewichtsbasis bewertet. Beispielsweise zeigen heißgepresstes Siliziumkarbid (SiC) und reaktionsgebundenes Borkarbid (RBB4C) bei gleichen Gewichten eine vergleichbare Wirksamkeit gegen AP-Bedrohungen mit Stahlkern. Dies bedeutet, dass wir eine 8 mm dicke SiC-Fliese mit einer ca. 9,3 mm dicken RBB4C-Fliese vergleichen.

Die Frage, wie sich mechanische Eigenschaften wie Härte und Druckfestigkeit auf die ballistische Leistung auswirken, ist noch ungeklärt. Wir lassen es vorerst beiseite.

Aluminiumoxid weist aufgrund seiner hohen Dichte im Allgemeinen das niedrigste Leistungs-Gewicht-Verhältnis auf. Dennoch ist Aluminiumoxid bei weitem das am weitesten verbreitete keramische Panzerungsmaterial in Platten für den Zivil- und Strafverfolgungsmarkt. Dies liegt daran, dass es sich um ein effizientes und zuverlässiges Material handelt, das weit verbreitet ist, sich leicht in komplexe Formen bringen lässt und vor allem äußerst erschwinglich ist. Im Durchschnitt belaufen sich die Kosten eines Herstellers für eine 10×12″ große Aluminiumoxid-Schlagfläche auf einer Level-IV-Platte auf etwa 20 US-Dollar. Aluminiumoxid weist im Vergleich zu SiC- und B4C-basierten Materialien auch eine hervorragende Multi-Hit-Leistung auf, was die Einhaltung von Spezifikationen wie NIJ 0101.06 Level III, wo sechs Schüsse pro Platte erforderlich sind, erheblich erleichtert.

Aluminiumoxid ist ein kostengünstiges und weit verbreitetes Keramikmaterial, das zu zuverlässigen, wenn auch schwereren Platten führt. Diese Platten weisen oft gute Multihit-Eigenschaften auf.

Siliziumkarbid (SiC) bietet das günstigste Preis-Leistungs-Verhältnis für die unterschiedlichsten Bedrohungen. Es ist wesentlich leichter als Aluminiumoxid und zeigt eine überlegene Leistung gegen alle Bedrohungen. Obwohl es etwas schwerer als Borkarbid ist und gegenüber Bedrohungen durch Kugeln und Stahlkerne geringfügig schlechter abschneidet, gleicht es dies durch eine bessere Leistung bei mehreren Treffern und eine erheblich verbesserte Wirksamkeit gegen Bedrohungen durch Wolframkarbidkerne aus.

SiC-Varianten erweitern das Anwendungsspektrum. Zum Beispiel: (1) Reaktionsgebundenes SiC übertrifft Aluminiumoxid bei allen Bedrohungen und ist nur geringfügig teurer als Aluminiumoxid mit einer Reinheit von über 99 %. (2) Neue SiC-TiB2-Verbundwerkstoffe, wie sie in der Adept Armor Colossus-Platte verwendet werden, konkurrieren in Bezug auf Leistung und Gewicht mit B4C gegen Bedrohungen durch Stahlkerne und übertreffen B4C deutlich gegen Bedrohungen durch Wolframkarbidkerne. (3) In den letzten Jahren gab es ein erhebliches Forschungsinteresse an SiC-Diamant-Verbundwerkstoffen, die eine noch weiter verbesserte Leistung bieten könnten.

Als Allround-Top-Performer ist SiC heute das bevorzugte Material für AP-Platten in Militärqualität und sollte diese Position auch in absehbarer Zukunft behalten, insbesondere angesichts der jüngsten Entwicklung leistungsstarker Keramikverbundwerkstoffe auf SiC-Basis.

Heißgepresst oder gesintertBorcarbid (B4C) ist ein High-End-Nischenmaterial. Wenn es darum geht, Bedrohungen mit Stahlkernen zu stoppen, übertrifft es alle anderen Optionen deutlich. Es gibt jedoch mehrere Nachteile, die seine Verwendung einschränken: (1) Borcarbid-Rohstoffe sind teuer und schwer zu verarbeiten. (2) Aufgrund des Borcarbid-Amorphisierungsproblems ist Borcarbid im Vergleich zu AP-Geschossen mit Wolframcarbid-Kernen im Vergleich zu gleichdichten SiC- oder High-End-Aluminiumoxid-Geschossen leistungsschwächer. (3) Borcarbid zeigt beim Aufprall ein glasartiges und außergewöhnlich sprödes Verhalten, was zu der schlechtesten Multi-Hit-Leistung seiner Klasse führt. Aus diesen Gründen ist es das Schlagflächenmaterial der Wahl für Ultra-High-End-Level-IV- und Militärplatten, die zum Stoppen von .30-06 APM2 oder 7,62 x 54 mmR B32 API ausgelegt sind, wird jedoch nicht häufig für andere Zwecke verwendet.

Borkarbid ist das beste Material für die Einzelschussleistung gegen AP-Bedrohungen mit Stahlkern, aufgrund seiner Kosten und inhärenten Einschränkungen ist es jedoch für andere Aufgaben weniger geeignet.

Reaktionsgebundenes Borcarbid , eine Variante, die entwickelt wurde, um die Verarbeitung und Verdichtung von Borcarbidpulver zu geringeren Kosten zu erleichtern, wird durch Infiltrieren von Borcarbid- und Kohlenstoffpulver-Vorformen mit geschmolzenem metallischem Silizium hergestellt. Das Ergebnis ist ein dichtes Keramik-Metall-Verbundteil („Cermet“), das aus Borkarbid, vor Ort hergestelltem Siliziumkarbid und restlichem metallischem Silizium besteht. Die mechanischen Eigenschaften und die Schlagreaktion dieses Cermets werden stark von letzterer – der schwachen metallischen Siliziumphase – beeinflusst.

Die ballistische Leistung von RBB4C gegen Ballbedrohungen ist mit der Leistung von heißgepresstem Borcarbid vergleichbar, nur geringfügig schlechter. Gegen AP-Bedrohungen mit Stahlkern ist es im Allgemeinen Siliziumkarbid ebenbürtig. Gegen Bedrohungen mit Wolframkarbidkernen liegt es ganz unten im Feld. Angesichts der relativ hohen Kosten von RBB4C – deutlich höher als die Kosten eines mittelmäßigen SiC-Typs mit vergleichbarer Leistung gegen die meisten AP-Bedrohungen – wird es in Körperpanzerplatten mittlerweile immer seltener, obwohl es in letzter Zeit eine kurze Zeit des Interesses und der Beliebtheit erfreute.

Keramik wird niemals als eigenständiges Material in Panzerungssystemen verwendet. Sie werden immer von einem robusten Material unterstützt – normalerweise einem Verbundwerkstoff aus Aramid-, Glas- oder Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht. Um die Sache ein wenig zu vereinfachen: Die Keramikschicht zerbricht oder reibt das ankommende Projektil ab und verringert seine Geschwindigkeit. Die Trägerschicht fängt die Keramik- und Projektiltrümmer auf und absorbiert die restliche kinetische Energie.

Die Eigenschaften gängiger keramischer Panzerungsträgermaterialien sind wie folgt:

In den späten 1960er und frühen 1970er Jahren gab es keine Aramid- und UHMWPE-Faserverbundstoffe, daher wurden alle keramischen Panzerungsträger aus beiden hergestelltGlasfaser (E-Glas/S-Glas) oder Aluminiumlegierung. Damals wurden diese Glasfaserträger mit einem Phenol-, Vinylester- oder Epoxidharz gebunden und verstärkt. Daran hat sich nicht viel geändert, da diese Harze derzeit immer noch am beliebtesten sind und die Glasfasertechnologie keine großen Fortschritte gemacht hat.

Aus der obigen Tabelle sollte ersichtlich sein, dass Glasfaserpanzerung recht gute mechanische Eigenschaften aufweist. Es kombiniert hohe Zugfestigkeit mit guter Duktilität – und weist bei ballistischen Anwendungen bekanntermaßen eine hervorragende Verformungsbeständigkeit bei hohen Dehnungsraten auf. Aber seine Dichte ist ~250 % höher als die von UHMWPE und >70 % höher als die von Kevlar, und im Vergleich zu anderen Materialien mit gleichem Gewicht schneiden Glasfaserlösungen recht schlecht ab. Die besten UHMWPE-Qualitäten haben eine mehr als dreimal höhere spezifische Festigkeit (Festigkeit pro Gewichtseinheit) als die besten Glasfaserqualitäten und weisen auf Gewichtsbasis tatsächlich eine ungefähr gleich bessere Leistung auf.

Bei solch einer eklatanten Minderwertigkeit könnte man meinen, Glasfaser wäre obsolet. Aber Aramid und UHMWPE sind Nischenspezialmaterialien, während Glasfaser im modernen Leben allgegenwärtig ist und in großen Mengen zu sehr niedrigen Preisen hergestellt wird. Fiberglas ist so kostengünstig, dass es eine ganze Klasse von „Budget“-Panzerplatten der Stufe IV ermöglicht hat, deren Konstruktion auf Aluminiumoxid und Fiberglas basiert. Ansonsten wären Kennzeichen der Stufe IV unter 150 US-Dollar in der Regel nicht möglich.

Letztendlich ist Glasfaser nicht veraltet, da es das einzige kostengünstige Verbundmaterial ist, das für die Verwendung in keramischen Panzerplatten geeignet ist, und die Konstruktion von Glasfaserträgern die Entwicklung einer ganzen Klasse kostengünstiger Panzerplatten ermöglicht hat.

Aramid, ist dagegen als Trägermaterial in Hartpanzerplatten nahezu veraltet. Es nimmt eine unangenehme Position ein; es ist erheblich teurer als Glasfaser, was es für die billigsten Panzerplatten, die jetzt auf Glasfaserkonstruktionen basieren, unattraktiv macht; Im Gegensatz dazu liegt seine Leistung deutlich hinter der von UHMWPE, sodass alle Hochleistungspanzerplatten jetzt mit Trägern hergestellt werden, die ausschließlich oder hauptsächlich aus UHMWPE bestehen. Ab 2023 sind neue Platten mit Aramid als Trägermaterial selten. Ohne ein paar „Legacy-Modelle“, die noch in Produktion sind, gäbe es sie überhaupt nicht.

UHMWPE Fasern ermöglichen Verbundwerkstoffe mit außergewöhnlicher spezifischer Festigkeit, und die spezifische Festigkeit wirkt sich direkt auf die Leistung keramischer Panzerungsträgerschichten aus. An anderer Stelle wurde viel über die Natur dieses Materials geschrieben, aber es sollte genügen zu sagen, dass UHMWPE-Träger in keramischen Panzerungssystemen die leichtesten Platten bei jedem gegebenen Leistungsniveau ermöglichen – wenn auch zu höheren Kosten, da die besseren Qualitäten von UHMWPE recht hoch sind teuer. Darüber hinaus wird UHMWPE typischerweise mit relativ „weichen“ Harzsystemen in Verbundwerkstoffteilen kombiniert, weshalb sich Träger aus UHMWPE-Verbundwerkstoffen unter anderem aus diesem Grund stärker verformen und delaminieren können als Träger aus Glasfaser oder Aramid. (Andere Gründe haben mit dem feinen Durchmesser der UHMWPE-Fasern und der geringen Dicke der unidirektionalen UHMWPE-Schichten zu tun.)

Abschluss Eine Keramikpanzerplatte bietet noch viel mehr. Klebstoffe, Harze, Schaumstoffschichten und mehr – all diese Dinge können sich auf verschiedene Weise auf die Leistung auswirken. (Und über sie – und insbesondere über Tile-Array-Platten – wird zu einem späteren Zeitpunkt mehr geschrieben.) Aber die beiden Hauptkomponenten einer Keramikpanzerplatte sind die Keramik und ihr Träger, und wenn wir davon ausgehen, dass alles andere durchschnittlich oder nominell ist , ist es allein anhand der oben genannten Informationen möglich, zu sehen, wie sich verschiedene Kombinationen von Keramik und Trägermaterialien verhalten.

Ein eigenartiger Fehlermodus von Ingenieuren besteht darin, dass sie sich in ein Material verlieben und es nicht mehr objektiv beurteilen können. Bei der Konstruktion keramischer Panzerplatten hängt die Materialauswahl ausschließlich von den Anforderungen ab. Wenn Sie eine möglichst leichte Platte wünschen, sollten Sie sich für eine B4C+UHMWPE-Konstruktion entscheiden – es sei denn, Sie möchten, dass Ihre Platte einer Bedrohung mit Wolframkarbidkern standhält, in diesem Fall entscheiden Sie sich für SiC anstelle von B4C – oder es sei denn, Sie benötigen Ihre Platte um die Anforderungen an sechs Schuss mit mehreren Treffern zu erfüllen. In diesem Fall könnte sogar Aluminiumoxid 99 %+ eine Überlegung wert sein. Ebenso ist Glasfaser nicht völlig veraltet, wenn es Platten zu einem Preis ermöglicht, der sonst unmöglich wäre, oder wenn Sie eine AP-zertifizierte Platte bauen müssen, die extrem niedrige Anforderungen an die Verformung der Rückseite (unter 25 mm) erfüllt. Selbst mit einem vereinfachten Verständnis der Funktionsweise von Materialien können Sie ein Modell dafür erstellen, wie Ihre eigenen Panzerplatten Ihnen im Einsatz dienen könnten, oder Sie können die klügste Kaufentscheidung treffen.

Über den Autor: Jake Ganor ist CEO von Adept – www.ade.pt – einem Unternehmen, das hochmoderne Körperschutzlösungen und andere Technologien entwickelt, um die Leistung und Überlebensfähigkeit von Soldaten zu verbessern. Sein Buch „Body Armor and Light Ballistic Armor Materials and Systems“ ist bei Amazon erhältlich, wo es in den letzten zwei Jahren das meistverkaufte Werk in seiner Nische war. Die Veröffentlichung einer erweiterten zweiten Auflage ist für Ende 2023 geplant.

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