NL8601650A

NL8601650A - Pantserplaat.

Info

Publication number: NL8601650A
Application number: NL8601650A
Authority: NL
Original assignee: Fokker Special Products
Priority date: 1986-06-24
Filing date: 1986-06-24
Publication date: 1988-01-18
Also published as: DE3760132D1; EP0251395A1; US4813334A; EP0251395B1; GR3000054T3; ES2008039B3

Description

«t*. _ - * τ.

N.0. 33949 1

Pantserplaat.

De uitvinding heeft betrekking op een pantserplaat met meerlaags structuur omvattende aan de voorzijde een eerste laag van keramisch materiaal samengesteld uit op elkaar aansluitende tegels en aan de achterzijde een tweede laag van met vezels versterkt kunststoflaminaat.

5 Een pantserplaat wordt op een voorwerp bevestigd of maakt inte graal deel uit van een voorwerp en dient om schade aan dat voorwerp tengevolge van de inslag van balistische projectielen of fragmenten daarvan te voorkomen. Projectielen of fragmenten kunnen diverse vormen, snelheid, massa en inslagrichting hebben. Ook de aard van het materiaal 10 van het projectiel is van invloed op de schade die bij inslag kan worden toegebracht. Bij het ontwerpen van plantserplaat is het dan ook van belang dat vooraf bepaald wordt tegen welke projectielen bescherming gezocht wordt. Er kan bijvoorbeeld uitgegaan worden van bescherming tegen de uitwerking van een granaat die op enige afstand van de pantser— 15 plaat explodeert alsmede bescherming tegen scherpe stalen kogels. Bestendigheid tegen deze projectielen vergt in het algemeen dat de pantserplaat aan de voorzijde, de zijde waar de projectielen inslaan, een laag van keramisch materiaal bezit. Het boek "Ballistic Materials and Penetration Mechanics" 1980, door R.C. Laible geeft een goed overzicht 20 van de ontwikkelingen van pantserplaat en de mogelijkheden die moderne constructiematerialen bieden.

Een voorbeeld van een bepantsering met keramische tegels die met een lijmlaag aangebracht zijn op een vezelversterkt kunststoflaminaat is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.683.828. Keramische 25 materialen zijn hard, bros en stijf en zijn onder drukbelasting sterker dan onder trekbelasting. De bekendste soorten zijn aluminiumoxide, si-liciumcarbide en boriumcarbide. De eerstgenoemde soort is het goedkoopste, de laatstgenoemde soort is het hardst. Bij de inslag van een projectiel wordt door de harde buigstijve tegel de voorzijde van het pro-30 jectiel afgestompt door plastische vervorming, al of niet in combinatie met het afbreken van de punt. Indien de tegel daarbij plaatselijk versplintert zal het projectiel, als het nog voldoende bewegiagsenergie over heeft, doordringen in het achterliggende laminaat. Hoe meer de tegel de voorzijde van het projectiel heeft afgeplat, hoe kleiner de kans 35 dat de achterliggende constructie dan wordt doorboord. Bestaat de achterliggende constructie uit een laminaat van hars en een aantal weef-sellagen, dan zal de bewegiagsenergie van het projectiel door dit laminaat geabsorbeerd moeten worden waarbij harsbreuk en loslating tussen ϊΰΰΐοϋΰ i Ί 2 de hars en de vezels zal optreden.

Een nadeel van constructies waarbij de keramische tegels op een met vezels versterkt laminaat zijn gelijmd is, dat de brosse tegel weinig steun heeft aan de relatief slappe ondersteuning en dus gemakkelij-5 ker breekt dan bij een stijve ondersteuning. In het Amerikaanse oc-trooischrift 3.683.828 wordt hieraan enigszins tegemoet gekomen door metalen strippen aan te brengen in het oppervlak van het laminaat zodanig dat de tegelranden hierop rusten. Een ander nadeel is dat, indien de tegel bij inslag door een projectiel onder invloed van de inslag-10 krachten breekt, brokstukken van de tegel die door het projectiel worden meegenomen, de vezels van het achterliggende laminaat zodanig kunnen beschadigen dat daardoor een verzwakking ontstaat van het laminaat.

Gegevens over keramische materialen in combinatie met een dragende 15 constructie bestaande uit een laminaat van met vezels versterkte kunststof zijn bijvoorbeeld te vinden in de niet geklassifiseerde Amerikaanse militaire specificatie Mil-A-46103C.

Teneinde de kans op breuk in de tegels sterk te verminderen verdient het echter de voorkeur de tegels aan te brengen op een relatief 20 buigstijve ondergrond, bijvoorbeeld een metalen plaat. Moet de metaalplaat een voldoende bescherming bieden tegen doordringen van een projectiel dan moet de dikte relatief groot gekozen worden. Het gebruik van een metalen plaat als drager voor de keramische tegels heeft derhalve het nadeel dat het gewicht van de pantserplaat aanzienlijk toe-25 neemt, waardoor de toepasbaarheid van de pantserplaat sterk wordt beperkt.

De uitvinding heeft nu ten doel een pantserplaat te verschaffen die voorzien is van een dragende constructie voor de keramische tegels welke zowel een grote buigstijfheid heeft als ook goed bestand is tegen 30 de inslagkrachten van een projectiel en de eventueel door dit projectiel losgeslagen delen van de tegel. In overeenstemming met deze doelstelling verschaft de uitvinding een pantserplaat met meerlaags structuur omvattende aan de voorzijde een eerste laag van keramisch materiaal samengesteld uit op elkaar aansluitende tegels, aan de achterzijde 35 een tweede laag met vezelversterkt kunststoflaminaat, en tussen deze lagen een uit meerdere op elkaar gelijmde metaalplaten bestaande derde laag, waarbij de lijmlaag tussen de platen van de derde laag in onbelaste toestand van de pantserplaat voldoende hechting biedt om de structuur in stand te houden, bij inslag van een projectiel op de pant-40 serplaat echter ter plaatse van de inslag gemakkelijk zal loslaten.

8601850 * £ 3

Door gebruik te maken van een verlijmd metalen platenpakkêt tussen de keramische tegels en het kunststoflaminaat wordt de buigstijfheid van de dragende constructie aanzienlijk verhoogd waardoor verbrokkeling van de tegels wordt tegengegaan. Door een relatief gemakkelijk losla-5 tende lijmlaag toe te passen voor het bevestigen van de metaalplaten tussen de eerste en tweede laag wordt bereikt dat de constructie een betere weerstand biedt tegen het uitponsen van een gat door een projectiel dan een massieve plaat met een even grote dikte. Tijdens de inslag van een projectiel zal de lijmlaag plaatselijk loslaten en zal het pro-10 jectiel een aantal afzonderlijke lagen, elk gesteund door een achterliggende laag, moeten doorboren hetgeen aanzienlijk meer energie kost dan het doorboren van een massieve dikke plaat. Om dezelfde bescherming te bieden als een enkele massieve plaat is derhalve minder metaal nodig waardoor het gewicht van de plaat daalt. Bovendien bevindt zich achter 15 het platenpakket nog het lamineren voor het absorberen van eventueel resterende bewegingsenergie.

Bij de inslag van een projectiel onstaat er vanuit het trefpunt een schokgolf in zowel de keramische tegel als in het projectiel, als gevolg waarvan de druk in het materiaal kan toenemen tot 150-300 kilo-20 bar. Hoe groter het verschil in geluidssnelheid in tegel en projectiel, hoe sterker de schokgolven en de teweeg gebrachte massaverplaatsing in tegel en projectiel. De schokgolven worden aan de achterzijde althans gedeeltelijk gereflecteerd tegen de metaalplaten. Aangekomen aan de voorzijde treden ze uit het materiaal waarbij de tegel ter plaatse kan 25 verbrokkelen. Het uitwaaierende golffront in de tegel maakt dat het gebied waarop de inslag betrekking heeft aan de achterzijde van de tegel veel groter is dan de dwarsdoorsnede van het projectiel. De belasting op de achterliggende constructie wordt daardoor over een groter oppervlak verspreid dan het trefpunt aan de voorzijde van de tegel doet ver-30 moeden. De gereflecteerde golven bestrijken aan de voorzijde van de tegel een nog groter oppervlak zodat breuk in de tegel zelfs op aanzienlijke afstand van het inslagpunt kan optreden. Om deze breuk te vermijden verdient het de voorkeur dat de eerste laag van keramisch materiaal aan de voorzijde is afgedekt door een verdere vierde uit metaal be-35 staande laag, die via een sterke lijmverbinding op de eerste laag is aangebracht.

Als het metalen platenpakket van de derde laag onder de druk van het projectiel uitstulpt, waarbij het frontale oppervlak van het vervormde gebied van de eerste aan- de tegel grenzende plaat minder groot 40 zal zijn dan die van de laatste plaat, dan zal de lijmverbinding tussen 8 6 0 1 c 5 ü * V * 4 het metaal en het achterliggende laminaat bij het dubbel gekromde oppervlak van de uitstulping zal loslaten, hetgeen het gebied van het laminaat, dat betrokken wordt bij de absorptie van de kinetische energie van het projectiel vergroot. Zolang de uitstulping in het platenpakket 5 niet door het projectiel is gepenetreerd wordt het laminaat op buiging en rek belast en werkt het ontstaan van de uitstulping tegen.

Voor het geval het projectiel het metaal wel doorboort zullen de uitgescheurde omgekrulde gatranden de vezels van het laminaat kunnen beschadigen en verzwakken. Om dat te voorkomen is de pantserplaat vol- 10 gens de uitvinding bij voorkeur zodanig uitgevoerd dat de tweede laag vezelversterkt kunststoflaminaat bestaat uit twee deellagen waarvan de eerste deellaag aan de zijde van de genoemde derde laag is voorzien van een anisotroop grofmazig vezelweefsel en de tweede deellaag aan de achterzijde is voorzien van een anisotroop fijnmazig vezelweefsel. De eer- 15 ste deellaag heeft een bufferfunctie en voorkomt beschadiging van de tweede deellaag die als laatste laag weerstand moet bieden tegen het projectiel. Bij voorkeur is de dikte van de eerste deellaag afhankelijk van de dimensies van de projectielen waartegen de pantserplaat bescherming moet bieden, zo groot wordt gekozen dat bij doordringen van een 20 projectiel door de genoemde derde laag de daaruit uitstulpende metaal-delen niet of althans niet in significante mate kunnen doordringen tot in de tweede deellaag. Wordt het metalen platenpakket doorboord dan zal de resterende bewegingsenergie van het inmiddels afgestompte projectiel nu door het onbeschadigde achterste deel van het laminaat geabsorbeerd • 25 kunnen worden.

De uitvinding zal in het volgende in meer detail worden beschreven aan de hand van de bijgaande figuren.

De figuren IA tot en met 1C tonen achtereenvolgende stadia tijdens de inslag van een projectiel in de pantserplaat volgens de uitvinding.

30 Figuur 2 toont vergroot nogmaals het aanzicht van figuur 1C.

Zoals in het bijzonder blijkt uit figuur 2 is de pantserplaat volgens de uitvinding opgebouwd uit een aantal lagen, te weten: - een eerste laag 1 bestaande uit naast elkaar geplaatste keramische tegels, 35 - een tweede laag 2 van vezelversterkt kunststoflaminaat. Deze laag is verdeeld in twee deellagen, aangeduid met 2a en 2b, - een derde laag 3 tussen de eerste laag en de tweede laag 2 bestaande uit een aantal onderling verlijmde metalen platen. In de figuren zijn drie platen 3a, 3b en 3c getoond, 40 - een vierde laag 4 uit metaal aan de voorzijde van de keramische 860 1 65 0 •Γ 5 laag 1.

De beschreven opbouw van de pantserplaat volgens de uitvinding kan door een uiteenlopende keuze van materialen op diverse wijzen in de praktijk gerealiseerd worden. De materiaalkeuze is afhankelijk van de 5 aard en grootte van de projectielen die tegengehouden moeten worden, en afhankelijk van het feit of de pantserplaat een plaat is die aan een te beschermen voeruig of behuizing moet worden bevestigd of een integraal deel vormt van de dragende constructie van het voertuig of de behuizing. Voorts kan er een ontwerpcriterium van het oertuig of de behui-10 zing zijn die een limiet oplegt aan het maximale gewicht per m^ van de pantserplaat. De kosten van de pantserplaat per m^ zijn uiteraard een belangrijke weegfactor.

In het onderstaande wordt een uitvoeringsvorm beschreven van een plaat voor een transporteerbare behuizing die niet meer weegt dan 40 15 kg/m^ en bestemd is tegen fragmenten van een 152 mm granaat die op 10 meter afstand ontploft en 7,62 mm AP kogels met een massa van 207 grains en een botssnelheid van 1100 m/sec, in die zin dat fragmenten en kogel niet dezelfde plek van de pantserplaat treffen. Dat wil zeggen, de pantserplaat is bestand tegen drie maatgevende fragmenten in de cir-20 ca 8000 fragmenten van de ontplofte granaat: een deel met een massa van 44 grains en een botssnelheid van 900 m/sec., een deel met massa 207 grains en snelheid 1040 m/sec en een deel van 830 grains met snelheid 1100 m/sec.

De tegels van de eerste laag 1 zijn vervaardigd van aluminiumoxide 25 AI9O3 en hebben een dikte van 5 mm.

Het vezelversterkte kunststoflaminaat 2 is een compositie van po— lyurethaanhars en aramidevezels, welke vezels bijvoorbeeld onder de handelsnaam Twaron door Akzo en onder de handelsnaam Kevlar door Dupont worden geleverd. Het deel 2a bevat negen weefsellagen bestaande uit ve-30 zeis van 3,36 gram per meter van het weefseltype Twaron-57. De vezels zijn gelijkelijk verdeeld in het weefsel in een patroon met twee richtingen die loodrecht op elkaar staan. Het deel 2b is qua structuur hetzelfde als 2a maar de vezel weegt nu 1,86 gram per meter en is van het weefseltype Twaron-46. In de laag 2b zijn dertien weefsellagen aange-35 bracht. Evenals in het laminaat 2a maken de hoofdrichtingen van twee opeenvolgende lagen weefsel een hoek van 60 booggraden met elkaar. De laminaatdelen 2a en 2b zijn elk 5,5 mm dik. De gebruikte polymere hars voor het laminaat is Recicat 2000 van de firma DSM-Chemie.

De metaalsandwich 3 is samengesteld uit de lichtmetaal legering 40 Al-Zn-Mg-Cu, code 7075-T6 volgens the American National Standards In-

4601 SiC

6 stitute. Dit metaal heeft een voor aluminiumlegeringen hoge specifieke rekwaarde (yield strength) en breukgrens (tensile strength). Tevens is het een taai materiaal met een rek volgens Mil-Hdbk-5 D (1 juni *83) figuur 3.7.4.1.6(P) van 12%. De sandwich bestaat uit drie platen en 5 heeft een totale dikte van 2 mm.

De metalen frontplaat 4 van de pantserplaat is van de aluminiumle-gering type 5754 van de producent Pechiney en heeft een dikte van 0,5 mm.

De lijm voor de verbinding tussen de frontplaat 4 en de tegels 1 10 is XB 3197/XB 3180 van Ciba Geigy, terwijl de lijm voor de metaalplaten in de laag 3 en de verbinding tussen deze platen en het vezelversterkte laminaat bestaat uit Recicat 3000 van de firma DSM-Chemie.

In de figuren IA tot en met 1C is aan de hand van de resultaten van proefnemingen geïllustreerd wat er gebeurt bij penetratie van de 15 pantserplaat volgens de uitvinding door een projectiel 5.

In figuur IA heeft het projectiel de vierde laag 4 doorboord en heeft een gat geslagen in een keramische tegel van de laag 1 waarbij de top van het projectiel sterk is afgeplat. De losgeraakte deeltjes van de keramische tegel drukken tegen de achterliggende lagen en door de 20 uitstulping die daardoor wordt gevormd is er al een breuk ontstaan in de lijmverbinding tussen de lagen 3 en 2. Ook de hechting tussen de platen in de laag 3 zal al plaatselijk verzwakt zijn.

In figuur 1B drukt het afgeplatte projectiel tegen de derde laag 3 en zorgt er daarbij voor dat door de optredende vervorming de lijmver-25 bindingen tussen de verschillende metaalplaten loslaten. Elke metaalplaat moet afzonderlijk doorboord worden waarbij telkens de achterliggende lagen over een groot gebied zorgen voor ondersteuning.

In figuur 2C is tenslotte de situatie getoond waarin de drie platen van de metaalsandwich 3 zijn doorboord waarbij door de optredende 30 uitstulping de lijmverbinding tussen de lagen 3 en 2 al over een groot gebied losgelaten heeft. Er komt plaatselijk ruimte tussen het laminaat en het metaalsandwich. Het losraken zal nog toenemen na volledige penetratie van de sandwich 3 door het projectiel 5 waardoor de uiteindelijke hoeveelheid materiaal van het laminaat 2 dat deelneemt aan de ab-35 sorptie van de bewegingsenergie van het projectiel sterk vergroot wordt. Het projectiel blijft tenslotte in de pantserplaat^ steken voor of in de achterste laag 2b van het laminaat 2.

De deellaag 2a van het laminaat 2 mag eventueel door uitstulpende delen van de metaallagen 3a, 3b en 3c beschadigd worden. De dikte van 40 deze deellaag 2a is voldoende om de deellaag 2b te beschermen. Deze 8601650 -¾.

7 deellaag 2b heeft de grootste sterkte en absorbeert derhalve de nog resterende botsingsenergie.

Alhoewel in het bovenstaande een uitvoeringsvorm van de uitvinding is beschreven zal het duidelijk zijn dat de uitvinding daar niet toe 5 beperkt is en dat bijvoorbeeld het aantal deellagen in de lagen 2 en 3 anders kan worden gekozen terwijl ook andere materialen toegepast kunnen worden.

. 360 t 650

Claims

1. Pantserplaat met meerlaags structuur omvattende aan de voorzijde een eerste laag van keramisch materiaal samengesteld uit op elkaar aansluitende tegels, aan de achterzijde een tweede laag van vezelver- 5 sterkt kunststoflaminaat, en tussen deze lagen een uit meerdere op elkaar gelijmde metaalplaten bestaande derde laag, waarbij de lijmlaag het verlijmen van de platen in de derde laag onderling en aan de eerste en tweede laag in onbelaste toestand van de pantserplaat voldoende hechting biedt om de structuur in stand te houden, bij inslag van een 10 projectiel op de pantserplaat echter ter plaatse van de inslag gemakkelijk zal loslaten.

2. Pantserplaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste laag van keramisch materiaal aan de voorzijde is afgedekt door een vierde uit metaal bestaande laag, die via een sterke lijnverbinding op 15 de eerste laag is aangebracht.

3. Pantserplaat volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de tweede laag van vezelversterkt kunststoflaminaat bestaat uit twee deel-lagen waarvan de eerste deellaag aan de zijde van de genoemde derde laag is voorzien van een anisotroop grofmazig vezelweefsel en de tweede 20 deellaag aan de achterzijde is voorzien van een anisotroop fijnmazig vezelweefsel.

4. Pantserplaat volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de dikte van de eerste deellaag afhankelijk van de dimensies van de projectie-len waartegen de pantserplaat bescherming moet bieden, zo groot wordt 25 gekozen dat bij doordringen van een projectiel door de genoemde derde laag de daaruit uitstulpende metaaldelen niet of althans niet in significante mate kunnen doordringen tot in de tweede deellaag»

5. Plantserplaat volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat het vezelgewichtspercentage in beide deellagen althans bij benadering 30 gelijk is.

6. Pantserplaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de lijm toegepast in de lijmlagen tussen de platen in de derde laag onderling en tussen de derde laag en de eerste laag resp. tweede laag bestaat uit recicat 3000 (DSM-Chemie).

7. Pantserplaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het metaal van de derde laag bestaat uit de Al-Zn-Mg-Cu legering code 7075-T6 (American National Standards Institute).

8. Pantserplaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de vierde laag bestaat uit een aluminiumlegering type 5754 40 (Pechiney). _ _ ~ ********* 360 1 6 ö 0