Lassen Sie sich erklären, warum Keramik zu einem neuen kugelsicheren Material geworden ist
Keramik gilt als spröde. Ein leichter Sturz kann selbst kostbares antikes Porzellan schlagartig in Stücke zerspringen. Wussten Sie jedoch, dass sich Keramik dank moderner Technologie verändert hat und aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften sogar als kugelsicheres Material dienen kann? Sie genießt daher den Ruf eines aufstrebenden Stars im Bereich der Kugelsicherheit.
Stellen Sie sich vor: Auf dem Schlachtfeld kann eine winzige Kugel einen Soldaten tödlich verletzen, doch zerbrechliche Keramik kann eine Hochgeschwindigkeitskugel stoppen. Woher kommt ihre enorme Kraft? Tauchen wir ein in die Welt der kugelsicheren Keramik, um es herauszufinden.
☛ Hohe Härte, Verbundkombination
Kugelsichere Keramik gehört zur Familie der anorganischen, nichtmetallischen Werkstoffe. Streng genommen handelt es sich nicht um dasselbe Material wie das Porzellan, das wir im Alltag verwenden. Als Spezialkeramik erfordert kugelsichere Keramik im Gegensatz zu Keramikgeschirr, das durch Formen und Brennen von Rohlingen aus lokalem Ton hergestellt wird, eine Reihe komplexer Prozesse zur Herstellung, darunter Pulveraufbereitung, Formgebung und Hochtemperatursintern. Sie ist ein Produkt der rasanten Entwicklung moderner Technologien wie Chemie, Metallurgie und Materialwissenschaft.
Der Grund, warum kugelsichere Keramik Kugeln aufhalten kann, liegt in ihrer extrem hohen Härte und Festigkeit. Trifft ein Geschoss auf hochfeste und harte Keramik, zersplittert es und bricht die Keramik. Dieser gesamte Prozess verbraucht den Großteil der Geschossenergie und bildet am Aufprallpunkt einen umgedrehten pyramidenförmigen Schadenskegel. Dies ist auch die typische Schadensmorphologie von Keramik nach einem Kugeltreffer.
Um die Widerstandsfähigkeit der Keramik gegen Mehrfacheinschläge zu erhöhen, wird die Keramikplatte häufig mit hochfesten Fasergeweben beschichtet, um die Ausbreitung von Rissen durch Beschuss zu verhindern. Die Kombination aus hochfester und harter Keramik mit einer starren Trägerschicht bildet die Grundstruktur moderner Keramikverbundpanzerung.
☛ Getauft durch den Krieg, ein Schild des Lebens
In den 1960er Jahren wurden US-Militärhubschrauber und ihre Besatzungsmitglieder im vietnamesischen Dschungel häufig von leichten Bodenwaffen angegriffen und verletzt. Um Gefechtsschäden an der Ausrüstung und Verluste unter der Besatzung zu reduzieren, entwickelte ein amerikanisches Luft- und Raumfahrtunternehmen 1962 die erste Verbundpanzerung mit einer harten Keramikfront. Dabei wurden Aluminiumoxidkeramikblöcke auf eine robuste, etwa sechs Millimeter dicke Aluminiumrückplatte geklebt, um dem Beschuss durch 7,62 Millimeter große panzerbrechende Geschosse standzuhalten. In dieser Zeit leistete das US-Militär Pionierarbeit bei der großflächigen militärischen Anwendung kugelsicherer Keramik.
Um die Schutzwirkung zu verbessern, kamen Wissenschaftler auf die Idee, aus kugelsicherer Keramik Einlegeplatten herzustellen, die in Verbindung mit weicher Körperpanzerung verwendet werden können, ähnlich den Herzschutzspiegeln antiker Rüstungen. Auf diese Weise kann der Schutz der Körpermitte deutlich verbessert und gleichzeitig die Beweglichkeit des Trägers berücksichtigt werden. Anfangs wurden kleine Keramikstücke zusammengefügt, um die Einlegeplatten zu bilden. Mit dem technischen Fortschritt werden jedoch zunehmend ganze Keramikstücke verwendet, um die durch die Lücken zwischen den kleinen Keramikstücken verursachten Schwachstellen zu beseitigen. Einige werden sogar mit gewölbten Oberflächen hergestellt, um sich dem menschlichen Körper anzupassen. Dies ist auch die Grundform der heutigen kugelsicheren Einlegeplatten. Mittlerweile ist die Herstellungstechnologie für kugelsichere Keramik immer ausgereifter und sie ist zu einem Lebensschild zum Schutz von Soldaten geworden.
☛ Die Technologie stärkt und es werden weitere Upgrades vorgenommen
Nach jahrzehntelanger Entwicklung sind heute viele Arten kugelsicherer Keramiken weit verbreitet, darunter Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Borkarbid, Siliziumnitrid und Titanborid. Am häufigsten sind Aluminiumoxid-, Siliziumkarbid- und Borkarbidkeramiken. Mit der Modernisierung von Waffensystemen können herkömmliche einphasige Keramiken den tatsächlichen militärischen Bedarf nicht mehr decken, insbesondere da die Anforderungen an kugelsichere Ausrüstung immer höher werden. Daher hat die Entwicklung kugelsicherer Keramiken in Richtung Diversifizierung, Compoundierung und Funktionalisierung begonnen.
Funktional abgestufte Keramik. Durch die Konstruktion von Mikrokomponenten verändert sich die Leistungsfähigkeit von Keramik regelmäßig und kontinuierlich. Beispielsweise kommt es bei Metall-Keramik-Verbundsystemen wie Titanborid mit metallischem Titan sowie Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Borkarbid und Siliziumnitrid mit metallischem Aluminium zu einer Strukturänderung in Dickenrichtung. Dadurch wird sichergestellt, dass die kugelsichere Keramik von hoher Härte auf der geschosszugewandten Seite zu hoher Zähigkeit auf der Rückseite übergeht. Dadurch werden nicht nur die Anforderungen an die Durchschusshemmung der Panzerung erfüllt, sondern auch die Widerstandsfähigkeit gegen Mehrfacheinschläge verbessert, was einen erheblichen Vorteil beim Schutz vor panzerbrechenden Geschossen kleinen und mittleren Kalibers bietet.
Nanostrukturierte Verbundkeramik. Auf Basis einphasiger Keramik werden submikrometer- oder nanometergroße Partikel zu Verbundkeramiken hinzugefügt. Beispielsweise können Siliziumkarbid-Siliziumnitrid-Aluminiumoxid oder Borkarbid-Siliziumkarbid die Härte, Zähigkeit und Festigkeit von Keramiken in einem bestimmten Bereich verbessern. Berichten zufolge werden im Ausland Sinterverfahren erforscht, bei denen nanometergroße Pulver miteinander verbunden werden. Dadurch kann die Korngröße der Keramik auf mehrere zehn Nanometer reduziert und so die Härte und Festigkeit des Materials verbessert werden. Dies ist eine wichtige Entwicklungsrichtung für fortschrittliche Keramikpanzerungen der Zukunft.
Transparente Keramik. Transparente Keramiken, vertreten durch einkristallines Aluminiumoxid (Saphir), Aluminiumoxynitrid und Magnesiumaluminatspinell, zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Härte sowie hervorragende optische Eigenschaften aus. Sie können daher Panzerglas ersetzen und werden in militärischer Ausrüstung wie individuellen Panzermasken, Raketenerkennungsfenstern, Fahrzeugbeobachtungsfenstern und U-Boot-Periskopen eingesetzt. Da sich damit große und komplex geformte transparente Komponenten kostengünstig herstellen lassen, gelten solche Keramiken bei vielen Militärmächten als eines der wichtigsten photofunktionalen transparenten Materialien des 21. Jahrhunderts.
Keramik erfreut sich heute sowohl im Militär als auch in der Ziviltechnik großer Beliebtheit. Man kann davon ausgehen, dass die alte Geschichte von Speeren und Schilden auch auf zukünftigen Schlachtfeldern Schauplatz großartiger Konfrontationen zwischen starken Gegnern sein wird.