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Deutsches Zentrum
für Luft- und Raumfahrt e.V.in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für Bauweisen-und KonstruktionsforschungPfaffenwaldring 38-40D-70569 Stuttgart
Dipl.-Ing. Matteo Crippa
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Neuartige biomorphe SiSiC-Keramikenfür den ballistischen Schutz
In der Luftfahrt, insbesondere bei Hub-schraubern, sowie in den BereichenPersonen- und Fahrzeugschutz spielen vorallem leichte Schutzaufbauten eine wich-tige Rolle. Die heute am Markt gängigen,keramischen Schutzsysteme (Al O , SiC,
B C) zeichnen sich durch ein deutlich
niedrigeres Flächengewicht gegenübermetallischen Panzerungen aus Spezialstahloder Aluminium aus. Der Nachteil diesermonolithischen Keramiken liegt in derenhohen Sprödigkeit. So sind sie im Momentnoch nicht für den Mehrfachbeschuss(Multi hit) geeignet. Darüber hinaus ist dieHerstellung dieser Keramiken überheißisostatisches Pressen, Sintern oderFlüssigphasensintern durch den Einsatzvon sehr feinen Keramikpulvern sowie denhohen Prozesstemperaturen sehr kosten-intensiv, sodass eine weite Verbreitungdieser Schutzsysteme verhindert wird.
In einem neuen Ansatz wurden deshalbbiomorphe SiSiC-Keramiken auf der Basisvon Holzwerkstoffen und LSI-Prozess(Liquid Silicon Infitration) entwickelt. Inersten Beschussversuchen zeigten dieseWerkstoffe eine hohe Schutzwirkunggegen Hartkernmunition (z.B. 7,62 x 51 APmit Stahlkern), die mit der von kon-
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dem
ventionellen SiC-Keramiken vergleichbarist. Durch die Verwendung von kosten-günstigen Ausgangswerkstoffen, und derMöglichkeit der endkonturnahen Fer-tigung via LSI und In situ Fügetechnik,bieten biomorphe SiSiC-Werkstoffe so-wohl technische als auch wirtschaftlicheVorteile gegenüber den herkömmlichenSiC-Keramiken, insbesondere bei derHerstellung großflächiger Bauteile mitkomplexen Geometrien (z. B. Hubschrau-bersitze), die mit den bisher eingesetztenFertigungsverfahren entweder gar nichtoder nur unter hohen Ausschussraten undKosten herstellbar sind.
Zur Erhöhung der Mehrfachbeschuss-fähigkeit wurden großflächige SiSiC-Strukturen mit integrierten Rissstopp-systemen entwickelt. Dazu wird zunächstein Plattenhalbzeug aus MDF (MitteldichteFaserplatte) pyrolisiert (900 °C, N2). In dieresultierende, poröse C-Vorkörperplattewird anschließend ein definiertes Riss-muster durch Wasserstrahlschneideneingebracht. Im letzten Prozessschritt wirdder C-Vorkörper mit geschmolzenemSilicium infiltriert (1650 °C, Vakuum), dassmit dem vorhandenen Kohlenstoff nahezuvollständig zu SiC reagiert. Die ver-bleibende Porosität wird mit Siliciumgefüllt und ein dichter SiSiC-Werkstoffgebildet. Das vorher eingebrachte Riss-muster bleibt während der Silicierungerhalten und es entsteht eine groß-formatige Platte, die aus einer Vielzahl vonkleinen Einzelkacheln besteht, die jedochmit sehr dünnen Stegen untereinanderverbunden sind. Bei einem Beschuss derPlatte kann der Schaden damit auf diegetroffenen Einzelkacheln begrenzt wer-den. Gegenüber dem klassischen „Mosa-ikdesign“, bei dem viele einzelne Kachelnunter hohem Zeit- und Kostenaufwand aufeine Tragstruktur geklebt werden, könnenmit dieser neuen Technologie großflächigeSchutzsysteme, insbesondere bei ge-krümmten Flächen, relativ einfach auf-gebaut werden.3D-CT-Bild eine SiSiC- nach Beschuss.
Links: Draufsicht, rechts:s Multi-hit Schutzsystem
Schnitt durch das Schutzsystem mit Projektilresten (orange)
Machbarkeitsstudie einer biomorphenS i S iC -S t ruk tu r m i t integ r i e r t emRissstoppsystem
Röntgenaufnahme eines SiSiC-Multi-hitSchutzsystem (ca. 300 x 300 mm²) mitintegrierten Rissstopppern nach Beschuss