Im allgemeinen Verständnis gilt Keramik als zerbrechlich. Schon ein leichter Sturz kann ein unbezahlbares antikes Porzellanstück in tausend Stücke zerspringen lassen. Aber wussten Sie, dass sich Keramik dank moderner Technologie grundlegend gewandelt hat und aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften sogar als kugelsicheres Material dienen kann? Dadurch hat sie sich den Ruf eines aufstrebenden Stars auf dem Gebiet der Kugelsicherheit erworben.
Stellen Sie sich Folgendes vor: Auf dem Schlachtfeld kann eine winzige Kugel einen Soldaten tödlich verletzen, doch zerbrechliche Keramik kann eine Hochgeschwindigkeitskugel stoppen. Woher kommt diese unglaubliche Kraft? Tauchen wir ein in die Welt der kugelsicheren Keramik, um es herauszufinden.
☛ Hohe Härte, Verbundkombination
Kugelsichere Keramik gehört zur Gruppe der anorganischen, nichtmetallischen Werkstoffe. Genau genommen ist sie nicht mit dem Porzellan vergleichbar, das wir im Alltag verwenden. Anders als Keramikgegenstände, die aus lokalem Ton geformt und anschließend gebrannt werden, erfordert die Herstellung kugelsicherer Keramik eine Reihe komplexer Prozesse, darunter Pulveraufbereitung, Formgebung und Hochtemperatursintern. Sie ist ein Produkt der rasanten Entwicklung moderner Technologien wie Chemie, Metallurgie und Materialwissenschaft.
Die kugelsichere Keramik hält Kugeln aufgrund ihrer extrem hohen Härte und Festigkeit auf. Trifft eine Kugel auf hochfeste und harte Keramik, zersplittert sie und verursacht deren Bruch. Dieser Vorgang absorbiert einen Großteil der Energie der Kugel und erzeugt am Aufprallpunkt einen kegelförmigen Schadensauswurf, der an eine umgekehrte Pyramide erinnert. Dies ist die typische Schadensmorphologie von Keramik nach einem Kugeltreffer.
Um die Widerstandsfähigkeit der Keramik gegen wiederholte Einschläge zu erhöhen, werden häufig hochfeste Fasergewebe auf die Keramikplatte aufgebracht, um die Ausbreitung von durch Einschläge verursachten Rissen zu verhindern. Die Kombination aus hochfester und harter Keramik mit einer stabilen Trägerschicht bildet die Grundstruktur moderner Keramikverbundpanzerung.
☛ Vom Krieg getauft, ein Schild des Lebens
In den 1960er Jahren wurden US-Militärhubschrauber und ihre Besatzungen im vietnamesischen Dschungel häufig von leichten Bodenwaffen angegriffen und verletzt. Um die Gefechtsschäden an der Ausrüstung und die Verluste unter den Besatzungsmitgliedern zu verringern, entwickelte ein amerikanisches Luft- und Raumfahrtunternehmen 1962 die erste Verbundpanzerung mit einer harten Keramikfront. Dabei wurden Aluminiumoxid-Keramikblöcke auf eine etwa 6 Millimeter dicke, robuste Aluminium-Rückplatte geklebt, um dem Beschuss durch 7,62 Millimeter panzerbrechende Munition standzuhalten. In dieser Zeit leistete das US-Militär Pionierarbeit bei der großflächigen militärischen Anwendung von kugelsicherer Keramik.
Um die Schutzwirkung zu verbessern, entwickelten Wissenschaftler die Idee, kugelsichere Keramik zu Einlegeplatten zu verarbeiten, die in Kombination mit weicher Körperpanzerung verwendet werden – ähnlich den herzschützenden Spiegeln antiker Rüstungen. Dadurch lässt sich der Schutz der wichtigsten Körperbereiche deutlich verbessern, ohne die Bewegungsfreiheit des Trägers einzuschränken. Anfänglich wurden kleine Keramikstücke zu Einlegeplatten zusammengefügt. Mit dem technologischen Fortschritt werden zunehmend ganze Keramikstücke verwendet, um die Schwachstellen durch die Lücken zwischen den einzelnen Teilen zu beseitigen. Manche Platten sind sogar so geformt, dass sie sich der Körperform anpassen. Dies ist auch die gängigste Bauform heutiger kugelsicherer Einlegeplatten. Die Herstellungstechnologie für kugelsichere Keramik ist mittlerweile sehr ausgereift und dient Soldaten als wichtiger Schutzschild.
☛ Technologie ermöglicht Fortschritte, und weitere Verbesserungen werden vorgenommen
Nach jahrzehntelanger Entwicklung sind heute zahlreiche Arten von kugelsicheren Keramiken weit verbreitet, darunter Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Borcarbid, Siliciumnitrid, Titanborid usw. Am häufigsten werden Aluminiumoxid-, Siliciumcarbid- und Borcarbidkeramiken eingesetzt. Mit der Modernisierung von Waffensystemen genügen traditionelle einphasige Keramiken den aktuellen militärischen Anforderungen nicht mehr, insbesondere da die Anforderungen an kugelsichere Ausrüstung stetig steigen. Daher werden kugelsichere Keramiken zunehmend in Richtung Diversifizierung, Kompositierung und Funktionalisierung weiterentwickelt.
Funktional abgestufte Keramik. Durch die gezielte Gestaltung von Mikrokomponenten verändert sich das Verhalten von Keramik kontinuierlich und gezielt. Beispielsweise entsteht in Metall/Keramik-Verbundsystemen wie Titanborid mit metallischem Titan oder Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Borcarbid und Siliciumnitrid mit metallischem Aluminium eine Strukturänderung in Dickenrichtung. Dadurch wird sichergestellt, dass die kugelsichere Keramik auf der dem Geschoss zugewandten Seite eine hohe Härte und auf der Rückseite eine hohe Zähigkeit aufweist. So erfüllt sie nicht nur die Anforderungen an die Kugelsicherheit der Schutzweste, sondern verbessert auch deren Widerstandsfähigkeit gegen Mehrfacheinschläge und bietet damit einen entscheidenden Vorteil beim Schutz vor panzerbrechenden Geschossen kleinen und mittleren Kalibers.
Nanostrukturierte Verbundkeramiken. Auf Basis einphasiger Keramiken werden submikron- oder nanometergroße, dispergierte Partikel hinzugefügt, um Verbundkeramiken zu bilden. Beispielsweise können Siliziumkarbid-Siliziumnitrid-Aluminiumoxid- oder Borkarbid-Siliziumkarbid-Komposite die Härte, Zähigkeit und Festigkeit der Keramik in einem bestimmten Bereich verbessern. Berichten zufolge erforschen ausländische Länder Sinterverfahren, die Nanopulver miteinander verbinden. Dadurch kann die Korngröße der Keramik auf wenige zehn Nanometer reduziert und somit die Härte und Festigkeit des Materials erhöht werden. Dies ist eine wichtige Entwicklungsrichtung für fortschrittliche Keramikpanzerungen der Zukunft.
Transparente Keramiken, wie beispielsweise einkristallines Aluminiumoxid (Saphir), Aluminiumoxynitrid und Magnesiumaluminat-Spinell, zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Härte sowie exzellente optische Eigenschaften aus. Sie können daher kugelsicheres Glas ersetzen und finden Anwendung in militärischer Ausrüstung, etwa in kugelsicheren Masken, Raketenortungsfenstern, Fahrzeugbeobachtungsfenstern und U-Boot-Periskopen. Da sie sich zur kostengünstigen Herstellung großflächiger und komplex geformter transparenter Bauteile eignen, zählen sie für viele Militärmächte zu den wichtigsten photofunktionalen transparenten Werkstoffen des 21. Jahrhunderts.
Keramik findet heutzutage sowohl im Militär als auch in der zivilen Technologie breite Anwendung. Es ist anzunehmen, dass die uralte Geschichte von Speeren und Schilden auch in Zukunft auf den Schlachtfeldern für spektakuläre Auseinandersetzungen zwischen starken Gegnern sorgen wird.
