Wie lässt sich die Leistung von kugelsicherer Keramik verbessern?

Obwohl die Schutzwirkung herkömmlicher kugelsicherer Keramik durch gezielte Härtungsmaßnahmen verbessert wurde, weisen sie weiterhin Nachteile auf. So kann beispielsweise die Materialfestigkeit durch die Erhöhung der Zähigkeit mitunter sinken. Darüber hinaus sind herkömmliche kugelsichere Keramiken schwer gegen kontinuierliche Einschläge zu schützen, lassen sich nach einem Aufprall nicht reparieren, sind als Einwegprodukte konzipiert, verursachen hohe Kosten, weisen eine geringe Zuverlässigkeit auf und bieten nur eingeschränkte Möglichkeiten zur konstruktiven Gestaltung.

Als Reaktion auf diese Mängel konzentrieren sich Forscher zunehmend auf die Kombination mehrerer kugelsicherer Materialien zu Verbundwerkstoffen. Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt bei kugelsicheren Keramikverbundwerkstoffen liegt derzeit in der Kombination von Hochleistungsfasern zu Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffen. Im Bereich der kugelsicheren Anwendungen weisen Keramiken eine ausreichende Härte auf und werden üblicherweise als Platten verwendet, während Fasern einen hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Zähigkeit besitzen und als Rückwände eingesetzt werden können, um die Vorteile beider Materialien zu nutzen.

Die kugelsichere Wirkung von Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffen hängt von der Dicke der einzelnen Schichten ab. Mithilfe der Response-Surface-Methodik und der Finite-Elemente-Methode wurde eine Zielplatte aus Keramik-Polymer-Verbundwerkstoff mit SiC-Al₂O₃-Aramidfasern hergestellt. Untersuchungen zeigen, dass beim Durchdringen der Zielplatte durch Geschosse die Keramikplatte Energie durch Fragmentierung und Ausbreitung von Spannungswellen dissipiert, während die Aramidfasern Energie hauptsächlich durch Faserspannung, -dehnung und -bruch abbauen. Für eine optimale kugelsichere Wirkung betragen die Dicken der SiC-, Al₂O₃- und Aramidfasern 4,54 mm, 4,50 mm bzw. 7,17 mm. Verglichen mit der Dichte einer ursprünglichen Zielplatte aus 3 mm dickem Siliciumcarbid, 5 mm dickem Aluminiumoxid und 15 mm dicken Aramidfasern konnte die Dichte der neuen Zielplatte um 5,4 kg/m² reduziert und die kugelsichere Wirkung deutlich verbessert werden.