DE69217180T2 - Beschussfeste Panzerung für dem Körper - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausführung solch einer Schutzvorrichtung, die in Kleidungsstücke eingearbeitet ist, um eine ballistische Schutzeinlage darzustellen. Solch eine Schutzvorrichtung ist gedacht für die Konfektion von kugelsicheren Westen, die die Polizisten bei Einsätzen tragen, bei denen sie ballistischem Beschuß ausgesetzt sein können.
• Eine Schutzvorrichtung der vorherigen Art ist durch das Dokument USA 35778 bekannt.
• In diesem Zusammenhang verfolgt die Erfindung hauptsächlich das Ziel, die Herstellung eines körperschützenden Materials zu ermöglichen, das ausreichenden Schutz vor Projektilen bietet, die aus Handfeuerwaffen stammen und ebenfalls befriedigenden Tragekomfort sowie vielfältige Verwendungsmöglichkeiten bietet. Die erfindungsgemäß mit diesem Material hergestellte ballistische Schutzvorrichtung kann in Taschen eingefügt werden, die für diesen Zweck in verschiedene Arten von ziviler, militärischer oder anderer Kleidung eingearbeitet sind. In der Form kann sie insbesondere dazu dienen, einen kugelsicheren Brustschutz einer ballistischen Schutzweste zu formen, die ansonsten in all ihren Ausführungen bekannt ist.
• Die Suche nach körperschützendem Material speziell gegen Handfeuerwaffen stellt eine ständige Sorge für den Schutz von Personen dar, die sehr wahrscheinlich solchen Gefahren ausgesetzt sind. Bis zum Zweiten Weltkrieg jedoch war das bevorzugte Material für Schutzvorrichtungen Stahl; seine Verwendung zum individuellen Körperschutz war kaum möglich.
• Die Forschung in diesem Bereich ging in die Richtung, Materialien zu verwenden, die die Eigenschaft des Schutzes mit der der Biegsamkeit und des geringen Gewichts auf die Weise verband, daß ein gewisser Tragekomfort für den Benutzer gegeben war. So hat sich die Forschung auf die Verwendung von organischen Fasern in Verbundmaterialien erstreckt.
• Insbesondere werden Polyamidfasern bei der Herstellung von Schutzwesten verwendet. Dabei handelt es sich derzeit um industriell hergestellte Arylamidfasern, im speziellen die Phenylphthalamiden, die im Handel unter dem Namen Kevlar bekannt sind. Diese Fasern weisen einen hohen Widerstand bei Dehnung und Zug auf. In dieser Form werden Schutzstrukturen hergestellt, die aus einer oder mehreren Schichten eines Gewebes mit dichtem Gefüge bestehen, das sich aus diesen Fasern zusammensetzt. Aber es wurde festgestellt, daß das Aufeinanderschichten von mehreren Lagen dieses Stoffes beim Gebrauch zu Falten führt, in die ein Projektil eindringen kann. Dadurch müssen als Notbehelf die Stofflagen aus Arylamidfasern untereinander vernäht werden.
• Allgemein betrachtet hängt die Wahrscheinlichkeit, ein Projektil durch ein biegsames Schutzmaterial zu bremsen, vom Typ der Schutzvorrichtung, der Geschwindigkeit des Projektils sowie von diversen anderen Parametern ab, wie beispielsweise der Typ der Munition, die mehr oder weniger trockenen oder feuchten atmosphärischen Bedingungen usw. Daraus ergibt sich, daß die Körperschutzvorrichtungen im allgemeinen dafür ausgelegt sind, spezifische Gefahren aufzuhalten, die auf der Grundlage der Normen für Schutzvorrichtungen und der voraussichtlichen Gefahr durch ein spezifisches Geschwindigkeitsspektrum gekennzeichnet sind.
• Bei der Erfindung handelt es sich um eine ballistische Körperschutzvorrichtung, die insbesondere zur Abwehr von Handfeuerwaffenprojektilen dient, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Materialschicht, die in ihre Mitte eingearbeitet ist, aufweist, die bei einer Belastung, die ihre Oberfläche verformt, brechen kann und sich hinter einer Schicht herkömmlichen Materials befindet, das flexibel ist und bevorzugt aus Polyolefinfasern besteht, die die den Aufprallen ausgesetzte Oberfläche des genannten Materials bedecken.
• Die Forschung im Rahmen der Erfindung bezieht sich inbesondere darauf, daß die Körperschutzvorrichtung bei einem Projektilaufprall mit 400-500 m/s zwei Anforderungen erfüllt: zum einen soll das Projektil gebremst werden, indem die in Verformung umgesetzte Energie verteilt wird und zum anderen soll jedoch auch keine zu starke Verformung der Schutzvorrichtung selbst herbeigeführt werden, um jegliche durch den Stoß hervorgerufene Traumatisierung zu vermeiden.
• So wird anstelle der Sicherstellung eines Schutzes durch eine begrenzte Flexibilität einer Schutzvorrichtung, die ausschließlich aus Folien aus flexiblem Material des Typs Polyolefinfasern oder geschichteten Polyamiden besteht, eine Materialschicht eingefügt, die dieser Verformung entgegenwirkt, indem sie unter dem Aufprall sofort aufbricht und so einen Hohlraum schafft, in dem die Verformung der verformbaren Schichten günstigerweise stattfinden kann und so eine traumatisierende Verformung dessen, was sich hinter der ballistischen Schutzvorrichtung befindet, vermeiden kann.
• Polyolefinfasern mit hohem Molekulargewicht werden bereits für den Körperschutz verwendet. Aus ihnen werden Materialien entwickelt, die einen relativ hohen Widerstandsfaktor im Vergleich zum Gewicht bieten und somit ein hohes Bremsvermögen aufweisen. Polyolefinfasern, die vorwiegend aus Polyäthylen bestehen, zeichnen sich durch eine hohe Wellenausbreitungsgeschwindigkeit aus (12 300 m/s), die eine Aufnahme und eine Verteilung der Energie des Projektilaufpralls auf eine möglichst große Fläche ermöglicht.
• Wenn ausschließlich Folien aus Polyäthylenfasern verwendet werden, muß die ballistische Schutzvorrichtung aus mindestens 45 Polyäthylenfolien bestehen, um die während des Aufpralls verursachte Verformung von der einen Seite der Gesamtdicke der Schutzvorrichtung bis hin zur anderen ausreichend zu verringern. Und wenn die Eigenschaften bezüglich des Tragekomforts oder der Unsichtbarkeit des in Zivilkleidung eingearbeiteten Materials verbessert werden sollen, so stößt man auf das Problem, daß durch die Verringerung der Dicke der Schutzvorrichtung die Verformung der Innenseite zunimmt und die mit dem Stoß verbundene Gefahr der Traumatisierung mit sich bringt.
• Die erfindungsgemäße ballistische Schutzvorrichtung ermöglicht es, daß vorteilhafterweise eine geringere Dicke des flexiblen Materials vom Typ Polyäthylenfaserfolien ausreicht, die im allgemeinen nicht mehr als ungefähr 30 bis 35 Folien beträgt; dies wird aufgrund der Tatsache erreicht, daß eine Schicht eines Materials eingearbeitet ist, deren Zwischenwände zerbrechlich sind und dadurch mit einer geringeren Gesamtdicke den selben Schutz gegen Traumatisierungen bieten kann, die durch den Aufprall eines Projektils hervorgerufen werden können.
• Im Vergleich zu den Polyamidfasern bieten die Polyolefinfasern und insbesondere die aus Polyäthylen leistungsstärkere Eigenschaften, wie beispielsweise Zugfestigkeit und Elastizität und dies mit einer bedeutend geringeren Dichte als die der Polyamidfasern wie beispielsweise Kevlar.
• So bewegt sich die Zugfestigkeit (PSI) der Polyäthylenfasern in der Größenordnung zwischen 375.10³ und 435.10³ während sie bei den Polyamidfasern bei 273.10³ liegt. Der Elastizitätsmodul (PSI) variiert zwischen 17,4.10&sup6; bis 24,8.10&sup6; während er bei den Polyamiden bei 9,8.10&sup6; liegt.
• Diese Polyäthylenfasern werden in gewebter Form oder als nicht-gewebtes Material verwendet. Das Letztgenannte ist wie eine Folie, die aus einer Schicht Polyähtylenfasern besteht, die in eine Richtung ausgerichtet sind und einer anderen Faserschicht, die in einer anderen Richtung verlaufen. Die zwei Faserschichten sind durch Harz miteinander verbunden und zwar mit einer Ausrichtung von 0 und 900.
• Die Polyähtylenfaserschichten sind vorwiegend mit einem biegsamen thermoplastischen Harzfilm überzogen.
• Es ist ebenfalls möglich, mehr als zwei Polyäthylenfaserschichten übereinander anzuordnen, um Folien unterschiedlicher Dicke herzustellen.
• Die genannten so beschaffenen Folien haben den Vorteil, daß sie die Faltenbildung auffangen, der die gewebten Materialien unterliegen und die zu einer Verringerung der Fähigkeit des Systems führt, die Spannung aufrechtzuerhalten sowie die Energie des Projektils sofort aufzunehmen.
• Des weiteren ermöglichen die genannten Folien eine gleichmäßige Verteilung der Spannungen in Richtung des Faserverlaufs, im Gegensatz zu den gewebten Systemen, bei denen die Spannungen lokal aufgenommen werden.
• Im Gegensatz zum gewebten System ermöglicht die Struktur aus Faserschichten ebenfalls, daß viel mehr Fasern mit einem Projektil beim Aufprallbeginn in Kontakt kommen. Das Harz, das die Fasern verbindet, gewährleistet deren Zusammenhalt während der Stoßwelle des Projektils, die den Faserverlauf versucht zu verändern. Durch die Flexibilität der Polyolefinfaserfolie und deren Dehnungsvermögen sowie durch die bessere Spannungsverteilung, die durch die Struktur der Faserschichten der genannten Folien erreicht wird, ist das Vermögen, die durch den Projektilaufprall freigesetzte Energie aufzunehmen und zu verteilen, gegeben.
• Gemäß einer weiteren Eigenschaft der Erfindung bildet die zerbrechliche Materialschicht eine zellenförmige Struktur, inbesondere in Form einer Bienenwabe, deren Zwischenwände vorzugsweise aus organischem Material bestehen, so, daß das Ganze eine hohe mechanische Festigkeit aufweist und gleichzeitig bei dynamisccher Belastung nachgiebig bleibt.
• Diese Nachgiebigkeit bei dynamischer Belastung ermöglicht es dem genannten Material günstigerweise sofort zu zerbrechen und dabei einen Hohlraum für die Verformung der verformbaren Schichten freizugeben, und so der Fortsetzung der genannten Verformung besonders vorteilhaft Widerstand zu bieten sowie jegliches Risiko der Traumatisierung zu vermeiden, das nicht mehr mit dem Projektil selbst verbunden wäre, sondern mit der Verformung, die dieses während seines Eindringens und Bremsens in den homogenen nachgiebigen Schichten hervorruft.
• Erfindungsgemäß kann die zerbrechliche Materialschicht die Struktur einer Bienenwabe mit zerbrechlichen, nichtmetallischen Zwischenwänden aufweisen, die im allgemeinen sechseckige Bienenzellen bilden und zu der Oberfläche der Schicht hin offen sind; es können jedoch alternativ auch äquivalente Materialien verwendet werden, wie beispielsweise eine Einheit von mehreren verschieden dicken Kunststoffilmen, die Luftblasen einschließen, die unter dem durch die Verformung der genannten Filmschichten ausgeübten Druck zerplatzen und auf diese Weise einen Hohlraum schaffen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird solch eine nicht-metallische, bienenwabenförmige Schicht aus Polyamidharzpapier inbesondere aus der Art von Phenylphthalamid hergestellt, die im Handel weitaus unter dem Namen Nomex bekannt ist und die gemäß der Luftfahrtspezifikation MIL-R-9299 mit Phenolharz durchtränkt ist. Dieses Material bietet aufgrund der angewandten Verbindung von Arylamidfasern und Phenolharz eine hohe mechanische Festigkeit gegenüber Druck, Stössen, Schwingungen und Ermüdung.
• Für eine Dichte der Größenordnung 24 bis 29 kg/m³ werden vorzugsweise Bienenwaben mit einem Durchmesser der sechseckigen Zellen von 3,2 oder 4,0 mm verwendet. Die bevorzugten Bienenwaben verfügen über eine Dicke der Größenordnung 3 bis 4 mm.
• Es ist zu diesem Thema darauf hinzuweisen, daß die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung auf ganz andere Weise Anwendung finden als in der Industriebranche, wo dieses Material unter Fachleuten sehr wohl bekannt ist und besonderer Wert auf die Eigenschaft der Druckfestigkeit gelegt wird, wie beispielsweise in der Luftfahrt, beim Autosport, bei Skiern oder der Schiffbauindustrie. Tatsächlich verleiht unter dynamischer Belastung die Zerbrechlichkeit diesem Material die erforderlichen Eigenschaften, um sich in Form einer zellenförmigen Struktur in eine ballistische Schutzvorrichtung einzufügen und einen guten Schutz zu gewährleisten. Ballistische Versuche, bei denen eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung verwendet wurde, haben dessen Zerstörung auf einer Fläche von ungefähr 1 cm Durchmesser gezeigt, während sich beispielsweise bei Arylamidfasern die Zerstörung der Schutzvorrichtung auf eine Fläche von 2 bis 4 cm Durchmesser verteilt. Auf diese Weise ist festzustellen, daß der Verformungskegel dank der Erfindung günstigerweise verringert wird.
• Gemäß einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen ballistischen Schutzvorrichtung können die Polyolefinfaserfolien sowie die aus Polyolefinen oder Polyamiden gewebten Strukturen ebenfalls günstig Verwendung finden, um die Abdeckschichten für das Material mit zerbrechlichen Zwischenwänden zu bilden. Die Folien aus Faserschichten zeichnen sich so durch ihre Flexibilität aus während die gewebten Strukturen aufgrund ihrer größeren Steifigkeit einen gewissen Widerstand gewährleisten; dabei hat das Material aus zerbrechlichen Zwischenwänden immer die selbe Funktion. Entsprechend einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsart der ballistischen Schutzvorrichtung kann vorteilhafterweise als zerbrechliches Material eine bienenwabenförmige Schicht sowie ein Kunststoffilm mit Luftblasen verwendet werden.
• Zum besseren Verständnis der essentiellen Eigenschaften und der wichtigsten Vorteile der Erfindung wird nun eine spezielle Ausführungsform beschrieben, die jedoch keine einschränkende Wirkung hat. Diese Beschreibung bezieht sich auf die Anwendung einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung im Bereich der Konfektion einer Kugelschutzweste, die mit Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen illustriert ist.
• In einer äußerlich klassischen Form weist die Weste von Fig. 1 mitten im Futter des Brustschutzes eine ballistische Schutzvorrichtung (1) gegen Handfeuerwaffen auf, die sich aus mehreren Schichten zusammensetzt, die auf der Explosionszeichnung von Fig. 2 zu sehen sind.
• Es sind nacheinander, ausgehend von der Seite des Brustschutzes, der als erstes dem Aufprall ausgesetzt ist, eine große Anzahl der Größenordnung von ungefähr dreißig homogenen übereinandergelagerten Schichten (2) zu sehen, die aus Polyäthylen geringer Dicke bestehen, und die eine dickere Schicht zerbrechlichen Materials (3) bedecken, die die zellenförmige Struktur einer Bienenwabe mit sechseckigen Zellen und senkrecht zur Oberfläche der Schutzvorrichtung stehenden Zwischenwänden aufweist, des weiteren eine geringere Anzahl von 2 oder 3 anderen homogenen, dünnen Polyähtylenschichten.
• An den Rändern der Schutzvorrichtung sind die äußeren Polyäthylenschichten (5) und (6) miteinander um den ganzen Brustschutz herum verbunden, um das Ganze zusammenzuhalten und zwar entweder durch eine Naht oder vorzugsweise durch Heißverschweißen. Hierfür ist die erste der Polyäthylenschichten an der äußeren Oberfläche, hier (5), länger, um das Ganze biegsam einzuhüllen, auch die relativ steife, zerbrechliche Schicht, und um auf die entgegengesetzte äußere Schicht (6) zu treffen, die leicht über die inneren Zwischenschichten hinausragt, die im Inneren der so geformten Umhüllung frei beweglich bleiben.
• Die Polyäthylenfaserfolien werden, wenn sie für den Schutz insbesondere gegen Feuerstöße eingesetzt werden, bevorzugt so genäht, daß jegliches Auseinanderklaffen der Folien in Dickenrichtung im Moment des Aufpralls vermieden wird, ein Auseinanderklaffen, das in dem Maße zu einer Verminderung der Wirksamkeit des Systems führen wurde, wenn ausschließlich die Folien der Oberfläche beteiligt wären.
• Es ist jedoch nochmals darauf hinzuweisen, daß die hier speziell beschriebene Ausführungsform nicht einschränkend is und daß in der Praxis weitere Varianten hinzugefügt werden können ohne den Anwendungsbereich der Erfindung zu verlassen.

Claims (9)

1. Ballistische Körperschutzvorrichtung (1), die eine flexible Struktur aus geschichteten Folien, die für eine gleichmäßige Spannungsverteilung sorgen, aufweist, die aus Fasern aus nicht-gewebtem Material bestehen, und in deren Mitte mindestens eine Schicht (3) aus nicht-metallischem Material eingearbeitet ist, das bei einer Belastung, die ihre Oberfläche verformt, brechen kann, und deren bienenzellenförmige Struktur bei dynamischen Belastungen eine Nachgiebigkeit aufweist und deren bruchfähigen Zwischenwände senkrecht zu der Oberfläche der Schutzvorrichtung ausgerichtet sind, die den Aufprallen ausgesetzt ist.

2. Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Materialschicht aus bruchfähigen Zwischenwänden aus Polyamidfaserpapier besteht, das mit Phenolharz imprägniert ist.

3. Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Aufprallen ausgesetzte Oberfläche der genannten bruchfähigen Materialschicht mit einer großen Anzahl von flexiblen Polyäthylenfolien von geringer Dicke bedeckt ist und dadurch, daß die Oberfläche, die derjenigen, die den Einschlägen ausgesetzt ist, gegenüberliegt, von einer geringeren Anzahl von flexiblen Polyäthylenschichten von geringer Dicke bedeckt ist.

4. Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die genannte Schicht aus bruchfähigem Material zwischen zwei äußeren Schichten, die sie einhüllen, befindet, die aus flexiblem Material bestehen und an ihren jeweiligen Rändern miteinander verbunden sind.

5. Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten der genannten flexiblen Struktur aus Polyolefinfaserschichten bestehen, die in einer Richtung angeordnet sind und Faserschichten, die in eine andere Richtung angeordnet sind.

6. Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Fasern Polyäthylenfasern sind.

7. Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zwischenwände der genannten bienenzellenförmigen Struktur, die beim Aufbrechen einen Hohlraum freigeben, aus einem organischen, wabenförmigen Material bestehen.

8. Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Material, das die Zwischenwände der bruchfähigen Schicht bildet, aus einem Papier aus Polyamidharz besteht.

9. Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zwischenwände der genannten bienenzellenförmigen Struktur, die beim Aufbrechen einen Hohlraum freigeben, aus Papier aus Phenylphthalamiden bestehen, das mit Phenolharz imprägniert ist.