Keramische Werkstoffe: Die führenden Köpfe in der ballistischen Verteidigung

In der kollektiven Wahrnehmung Keramik ist Keramik galt lange als zerbrechlich. Doch dank moderner Verarbeitungstechnologien hat sie sich zu einem harten und hochfesten Werkstoff entwickelt. Dies zeigt sich besonders deutlich im Bereich des ballistischen Schutzes, wo Keramik ihre Stärken voll entfaltet und sich zu einem begehrten Material für kugelsichere Anwendungen entwickelt hat.

Teil I:Das Kugelsicherheitsprinzip keramischer Werkstoffe

Das Grundprinzip des Panzerschutzes besteht darin, die Energie von Geschossen zu dissipieren und die Durchschlagskraft zu reduzieren.Der Energieabsorptionsprozess ballistischer Keramik lässt sich grob in drei Phasen unterteilen: (1) Aufprallphase: Das Projektil trifft auf die Keramikoberfläche, wird dabei stumpf verformt und absorbiert Energie. Gleichzeitig entsteht durch das Aufbrechen der Keramikoberfläche ein Bereich mit feinen, harten Fragmenten. (2) Erosionsphase: Das Projektil trägt die Fragmente weiter ab und bildet so eine durchgehende Schicht aus Keramikfragmenten. (3) Verformungs-, Riss- und Bruchphase: Schließlich entsteht Zugspannung in der Keramik, die zum Zersplittern führt. Das Trägermaterial verformt sich und absorbiert dabei die restliche Energie. Beim Aufprall des Projektils auf die Keramik werden sowohl das Projektil als auch die Keramik beschädigt.ation, während keramische Werkstoffe Energie durch einen Mikrorissbildungsprozess absorbieren.

Der Energieabsorptionsprozess ballistischer Keramiken lässt sich grob in drei Phasen unterteilen:

(1) Erstes Aufprallstadium: Das Projektil trifft auf die Oberfläche der Keramik, verformt sich stumpf und absorbiert Energie, während durch das Brechen der Keramikoberfläche ein Bereich mit feinen und harten Fragmenten entsteht;

(2) Erosionsphase: Das stumpfe Projektil erodiert weiterhin den Fragmentbereich und bildet eine durchgehende Schicht aus Keramikfragmenten.

(3) Verformungs-, Riss- und Bruchphase: Schließlich entsteht im Keramikmaterial Zugspannung, die zum Zerspringen des Materials führt. Anschließend verformt sich das Trägermaterial und absorbiert dabei die gesamte verbleibende Energie. Beim Aufprall des Projektils auf die Keramik werden sowohl das Projektil als auch die Keramik beschädigt.

Teil II: Anforderungen an die Materialeigenschaften von kugelsicherer Keramik
Aufgrund der inhärenten Sprödigkeit von Keramik neigen diese Materialien dazu, unter Projektilbeschuss zu brechen, anstatt sich plastisch zu verformen. Unter Zugbelastung entstehen Brüche vorwiegend an inhomogenen Stellen wie Poren und Korngrenzen. Um mikroskopische Spannungskonzentrationen zu minimieren, sollten Panzerkeramiken daher von hoher Qualität sein, mit geringer Porosität (mindestens 99 % der theoretischen Dichte) und einer feinkörnigen Struktur.

Teil III: Die am häufigsten verwendeten ballistischen Keramikmaterialien

Seit dem 21. Jahrhundert hat die Entwicklung ballistischer Keramiken rasant zugenommen, wobei verschiedene Typen wie Aluminiumoxid, Siliciumcarbid und Borcarbid zum Einsatz kommen. Siliziumnitridund Titanborid. Darunter:Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃), Siliziumkarbidkeramik (SiC), Und Borcarbidkeramiken (B₄C) Aluminiumoxidkeramiken weisen die breitesten Anwendungsgebiete auf. Sie besitzen die höchste Dichte, weisen jedoch eine relativ geringere Härte und einfachere Verarbeitungsmöglichkeiten auf und sind kostengünstiger. Die Einteilung erfolgt nach Reinheitsgrad in 85/90/95/99 Aluminiumoxidkeramiken, wobei Härte und Preis entsprechend steigen.

Siliziumkarbidkeramiken zeichnen sich durch eine relativ geringe Dichte und hohe Härte aus und eignen sich daher hervorragend als Strukturkeramiken. Aus diesem Grund sind sie derzeit die am weitesten verbreiteten ballistischen Keramiken im Inland. Borkarbidkeramiken weisen die geringste Dichte und die höchste Härte unter diesen Keramiken auf, stellen jedoch auch hohe Anforderungen an die Verarbeitungstechniken, die ein Sintern bei hohen Temperaturen und hohem Druck erfordern. Dies führt zu den höchsten Kosten der drei Keramikarten.

Im Vergleich der drei gängigen ballistischen Keramikwerkstoffe weisen Aluminiumoxid-Keramiken zwar die niedrigsten Kosten auf, ihre ballistische Leistung ist jedoch deutlich geringer als die von Siliciumcarbid und Borcarbid. Daher werden inländische Hersteller ballistischer Keramiken überwiegend mit Siliciumcarbid und Borcarbid betrieben, während Aluminiumoxid-Keramiken eher selten zum Einsatz kommen. Einkristallines Aluminiumoxid kann jedoch zur Herstellung transparenter Keramiken verwendet werden, die als optisch funktionale, transparente Materialien in militärischer Ausrüstung wie beispielsweise Visieren von Schutzwesten, Raketenortungsfenstern, Fahrzeugbeobachtungsfenstern und U-Boot-Periskopen weit verbreitet sind.

Teil IV: Die zwei gängigsten Arten ballistischer Keramikmaterialien

• Siliziumkarbid-kugelsichere Keramik

Die kovalenten Bindungen in Siliciumcarbid sind extrem stark und behalten ihre hohe Festigkeit auch bei hohen Temperaturen. Dies verleiht Siliciumcarbidkeramiken hervorragende Eigenschaften wie Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Gleichzeitig sind Siliciumcarbidkeramiken preisgünstig und wirtschaftlich und zählen zu den vielversprechendsten Hochleistungsmaterialien für Panzerungen.

Siliziumkarbidkeramiken bergen ein enormes Entwicklungspotenzial im Bereich des Panzerschutzes und finden zunehmend vielfältige Anwendung, beispielsweise in der persönlichen Ausrüstung und bei Spezialfahrzeugen. Bei der Verwendung als Schutzpanzerungsmaterialien werden Faktoren wie Kosten und spezifische Anwendungsszenarien berücksichtigt. Typischerweise werden kleine Keramikplatten auf einem Verbundträger angeordnet und zu einer Keramik-Verbund-Zielplatte verklebt. Dies dient dazu, ein Versagen durch Zugspannungen in der Keramik zu verhindern und sicherzustellen, dass beim Projektilaufprall nur eine einzelne Platte zerbricht, ohne die Integrität der Gesamtpanzerung zu beeinträchtigen.

• kugelsichere Keramik aus Borcarbid

Borcarbid ist ein extrem harter Werkstoff, dessen Härte unter den bekannten Materialien nur von Diamant und kubischem Bornitrid übertroffen wird (bis zu 3000 kg/mm²). Es besitzt eine geringe Dichte von nur 2,52 g/cm³, was etwa einem Drittel der Dichte von Stahl entspricht, einen hohen Elastizitätsmodul von 450 GPa und einen hohen Schmelzpunkt von ca. 2447 °C. Borcarbid weist zudem einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Darüber hinaus ist es chemisch stabil, beständig gegen Säuren und Laugen und reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Säuren, Laugen und den meisten anorganischen Flüssigkeiten. Lediglich in Mischungen aus Fluorwasserstoffsäure und Schwefelsäure sowie Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure zeigt es langsame Korrosion. Es benetzt die meisten Metallschmelzen nicht und reagiert nicht mit ihnen. Borcarbid besitzt außerdem ein hohes Neutronenabsorptionsvermögen, das andere keramische Werkstoffe nicht aufweisen. Die Dichte von B4C ist unter den gängigen Panzerkeramiken am geringsten, und sein hoher Elastizitätsmodul macht es zu einer guten Wahl für Materialien in der Militärpanzerung und im Weltraumbereich. Die Hauptnachteile von B4C sind sein hoher Preis (etwa zehnmal teurer als Aluminiumoxid) und seine Sprödigkeit, was seine breite Anwendung als einphasige Schutzpanzerung einschränkt.

Teil V: Verbesserung der kugelsicheren Keramik

Obwohl das ballistische Potenzial von Siliciumcarbid und Borcarbid sehr hoch ist, dürfen die Probleme der geringen Bruchzähigkeit und Sprödigkeit einphasiger Keramiken nicht außer Acht gelassen werden. Die Entwicklung moderner Technologien stellt höhere Anforderungen an die Funktionalität und Wirtschaftlichkeit von kugelsicherer Keramik: Multifunktionalität, hohe Leistungsfähigkeit, geringes Gewicht, niedrige Kosten und Sicherheit. Daher hoffen Experten und Wissenschaftler in den letzten Jahren, durch mikroskopische Anpassungen – darunter Mehrkomponenten-Keramikverbundwerkstoffe, funktionale Gradientenkeramiken, Schichtstrukturen usw. – die gewünschten Verbesserungen bei Zähigkeit, Gewicht und Wirtschaftlichkeit von Keramiken zu erzielen. Solche Schutzwesten sind leichter als heutige Modelle und verbessern die Beweglichkeit von Kampfeinheiten. Funktionale Gradientenkeramiken weisen durch mikroskopische Designkomponenten regelmäßige Veränderungen der Materialeigenschaften auf.

Beispielsweise weisen Titanborid und Titanmetall sowie Metall/Keramik-Verbundsysteme wie Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Borcarbid, Siliciumnitrid und Aluminiummetall einen Gradientenwechsel der Leistungsfähigkeit entlang der Dickenposition auf, d. h. es wird der Übergang von hochharten zu hochzähen kugelsicheren Keramiken hergestellt.
Nano-Komplexphasenkeramiken sind Komplexphasenkeramiken, die durch Zugabe von submikronen oder nanoskaligen dispergierten Partikeln zu einer Matrixkeramik entstehen. Beispiele hierfür sind SiC-Si₃N₄-Al₂O₃ und B₄C-SiC. Sie weisen eine Verbesserung der Härte, Zähigkeit und Festigkeit der Keramik auf. Berichten zufolge erforschen westliche Länder das Sintern von Nanopulvern zur Herstellung von Keramiken mit einer Korngröße im Bereich von wenigen zehn Nanometern, um die Materialzähigkeit zu erhöhen. Insbesondere bei kugelsicheren Keramiken wird in diesem Bereich ein großer Durchbruch erwartet.