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Ballistischer Schutz aus Keramik

Leicht – sicher – Keramik

Militärische Einsatzkräfte, ob zu Fuß, zu Lande, zu Wasser oder in der Luft, setzen heute auf größtmöglichen Schutz bei kleinstmöglichem Gewicht. Verbundstrukturen aus schwarzer Hochleistungskeramik sind aufgrund ihrer Eigenschaften dafür prädestiniert. Sie sind anderen Materialien gegenüber deutlich im Vorteil und bieten ballistischen Schutz gegen Geschosse aus Handfeuerwaffen, Artilleriefeuer, Sprengfallen, explosiven Projektilen und halten sogar Hohlladungen stand.

Extrem hart und gleichzeitig besonders leicht – das ist die Idealvorstellungen bei Schutzmaterialien für Militärausrüstung. Was zunächst wie ein Widerspruch klingt, gilt bei den Einsatzkräften als lebensrettendes Paradigma: Höchstmöglicher Schutz bei minimalem Gewicht. Insbesondere im Personen- und Fahrzeugschutz für militärische Anwendungen hat die Keramik die bislang verwendeten Stähle zunehmend verdrängt. Nach Diamant ist Borcarbid in kristalliner Form das härteste bekannte Material. Gleichzeitig weist es eine vergleichsweise geringe Dichte auf und ist somit ein Werkstoff der besonders zum ballistischen Schutz geeignet ist. Borcarbid übertrifft mit seinen Eigenschaften auch keramische Alternativen, wie Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid.

Höchstmöglicher Schutz bei minimalem Gewicht: Insbesondere im Personen- und Fahrzeugschutz für militärische Anwendungen hat die Keramik die bislang verwendeten Stähle zunehmend verdrängt.

Hochleistungskeramik schlägt Panzerstahl

„Einsatzkräfte benötigen heute einen besonders effektiven und gleichzeitig leichten Schutz“, hört man es unisono auf fachspezifischen Kongressen und Messen. Aufgezählt werden die potentiellen Gefahren in Einsatzgebieten: ballistische Geschosse aus Handfeuerwaffen, Feuerwaffen mittleren sowie großen Kalibers, Artillerie- und Mörsersplitter, Sprengfallen bis hin zu explosiven Projektilen (EFPs), unkonventionellen Spreng- und Brandvorrichtungen (IEDs) sowie raketengetriebene Granaten (RPG).

Treffen solche Geschosskörper bzw. -fragmente auf eine Platte aus Hartkeramik, kann sich die kinetische Energie gut darauf verteilen und sie wird dann in die darunter liegende Verbundmatrix abgeleitet. Selbst Hohlladungen können hartkeramische Schutzplatten gut standhalten. Anders als bei gewöhnlichen Metallpanzerungen, die sich bei einem Hohlladungstreffer punktuell nur noch wie eine Flüssigkeit verhalten, reagiert Hartkeramik lediglich mit Rissbildung. Bruchstücke der Keramik dringen dabei in den Metallstachel der Hohlladung oder Penetrator ein, weiten diesen damit auf, werden vor dem Stachel komprimiert und hemmen das Fortkommen weit wirksamer, als es Panzerstahl vermag.

„Borcarbid-Verbundsysteme für den ballistischen Schutz bringen nur 30 kg/m2 auf die Waage, während Aluminiumoxid basierte hingegen bei 42 kg / m2 liegen.“

Einschläge im Verbund abwehren

Wirksam wird dieser besonders hohe Schutz dadurch, dass die Keramik im Verbund mit einer speziellen Faserummantelung gefertigt wird. Dazu zählen Spectra Shield oder Dyneema, oder auch Polyamidfasern wie Kevlar und Twaron (auch Backing genannt). Darauf werden die Keramikplatten wie bei einem „Sandwich“ mittels Hochleistungskleber zu einem Modul verklebt. Mit solchen GFK-Composite-Panzerungen gelingt es, das Geschoss beim Penetrationsprozess zuverlässig abzubremsen. Denn die verbleibende Restenergie des Geschosses wird durch die weich-elastische Polymermatrix perfekt absorbiert. Moderne Aufbauten besitzen sogar drei Schichten. Am wirksamsten – auch gegen Wuchtgeschosse – ist dabei eine Zwischenschicht aus einem besonders harten und dichten Material wie Borcarbid. Denn diese Komposition bietet auch guten Schutz vor Mehrfachbeschuss. Solche keramischen Verbundpanzerungs­systeme können aufgrund ihrer Eigenschaften sehr vielseitig eingesetzt werden. Von der Kleidung für den Personenschutz, über Fahrzeug- und Marineanwendungen, bis hin zur Anwendung an Hubschraubern und Flugzeugen. Eine clevere Einsatzmöglichkeit sind beispielsweise heißgepresste Borcarbid-Platten für Pilotensitze.

Weil in vielen Kampffahrzeugen der Unterbodenschutz gegen Explosionen zunehmend durch massive Metallplatten erhöht wurde – etwa zum Schutz gegen Panzerabwehrminen – bringen diese mittlerweile einiges auf die Waage. Ein Teil dieses Zusatzgewichtes lässt sich heute beim Nachrüsten von Fahrzeugkomponenten durch den Einsatz leichter Keramikverbundplatten gegen ballistische Splitter oder Geschosse wieder ausgleichen und reduzieren. Diese Gewichtseinsparungen besitzen  einen positiven Effekt auf Nutzlast, Kraftstoffverbrauch und Reichweite sowie die Lufttransport- oder Schwimmfähigkeit des Fahrzeugs.

Ballistische Schutzmaterialien aus Keramik im Vergleich zu Stahl:

Eigenschaft

Stahl

Aluminiumoxid 

Siliciumcarbid

Borcarbid

Härte

100%250%300%

400%

Elastizitätsmodul

100%166%192%

200%

Druckfestigkeit

100%166%208%

266%

Dichte (Gewicht)

100%50%40%

35%

Quellen:
3M/ESK,
Scribd.com /Armor Basics