Ballistische Verbundwerkstoffe gibt es in vielen Formen und mit unterschiedlichen Leistungsniveaus. Unter ihnen zeichnen sich faserverstärkte Verbundwerkstoffe durch ihr geringes Gewicht und ihre hohe Durchdringungsfestigkeit aus. Sie sind heute die am häufigsten untersuchten ballistischen Materialien und auch das am schnellsten wachsende Segment auf dem Markt.
Zu den Hochleistungsfasern, die häufig in faserverstärkten ballistischen Verbundwerkstoffen verwendet werden, gehören Kevlar-Fasern, Kohlefasern, ultra-hochmolekulare-Polyethylenfasern (UHMWPE) und Glasfasern. Eine in der Branche häufig diskutierte Frage ist, ob Carbonfaser selbst für den ballistischen Schutz eingesetzt werden kann.
Können Kohlefasern zum ballistischen Schutz verwendet werden?
Funktionsprinzipien ballistischer Verbundwerkstoffe
Wenn ein Projektil einen Verbundwerkstoff durchschlägt, treten mehrere Schadensmechanismen gleichzeitig auf. Dazu gehören Laminatablösung, Faser-Harz-Ablösung, Faserzugversagen und Verformung der Rückseite. Bei diesen Vorgängen wird die kinetische Energie des Projektils sukzessive reduziert, was zu einem ballistischen Schutz führt.
Nach dem Aufprall entstehen an der Kontaktstelle Spannungswellen. Diese Wellen breiten sich im Wesentlichen auf zwei Arten aus. Zunächst wandern sie entlang der Faserachse. An den Kreuzungspunkten werden die Fasern durch Harz miteinander verbunden. Wenn Spannungswellen diese Punkte erreichen, übertragen sie sich auf andere Fasern. Dies vergrößert die Spannungsverteilungsfläche und trägt zur Energieableitung bei. Zweitens kommt es zu Reflexion und Delaminierung, wenn Spannungswellen die Grenzfläche zwischen Faser und Harz erreichen. Dieser Vorgang verbraucht zusätzliche Energie.
Bei faserverstärkten ballistischen Verbundwerkstoffen kommt es hauptsächlich auf der Aufprallfläche zu Scherversagen, während auf der Rückseite hauptsächlich Zugversagen auftritt. Aus diesem Grund können mit einer einzigen Faserart verstärkte Verbundwerkstoffe oft keine optimale ballistische Leistung erzielen. Durch die Kombination verschiedener Fasern und die Gestaltung eines Schichtaufbaus kann ein besserer ballistischer Schutz erreicht werden.
Übersicht über Kohlefaser
Unter Carbonfasern versteht man Fasern, bei denen Kohlenstoff mehr als 90 % der Gesamtmasse ausmacht. Es wird aus organischen Fasern durch Festphasenreaktionen hergestellt und bildet ein faseriges Polymer-Kohlenstoffmaterial. Kohlenstofffasern sind bekannt für ihr geringes Gewicht, ihre hohe Festigkeit, ihr hohes Modul, ihre Hitzebeständigkeit, ihre Schlagfestigkeit, ihre chemische Stabilität und ihre geringe Wärmeausdehnung.
Kohlenstofffasern weisen jedoch eine geringe Bruchdehnung und eine begrenzte Zähigkeit auf. Aus diesem Grund wird es selten allein verwendet und hauptsächlich als Verstärkungsmaterial in Verbundwerkstoffen eingesetzt.
Ballistische Westen und andere Schutzpanzerungen basieren auf geschichteten Materialien, die Aufprallenergie absorbieren und verteilen können. Diese Materialien haben normalerweise eine hohe Zugfestigkeit und können sich unter Belastung verformen, was dazu beiträgt, die Energie eines Geschosses abzuleiten.
Obwohl Kohlenstofffasern eine sehr hohe Festigkeit aufweisen, weisen sie eine geringe Duktilität und eine begrenzte Fähigkeit auf, kinetische Energie zu absorbieren und abzuleiten. Außerdem ist es spröde und neigt bei Stößen oder wiederholter Belastung zum Bruch. Daher sind Kohlefaserverbundwerkstoffe, die nur aus Harz und Kohlefasern bestehen, für den ballistischen Schutz nicht wirksam. In der Praxis werden Kohlefasern meist mit anderen Hochleistungsfasern kombiniert, um ballistische Leistung zu erzielen.
Die Rolle von Kohlenstofffasern in ballistischen Materialien
Wenn Kohlefaser nicht als Hauptmaterial zum Aufhalten von Geschossen geeignet ist, warum wird sie dann immer noch in einigen ballistischen Verbundwerkstoffen verwendet?
Kohlefaser wird wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Haltbarkeit geschätzt. Bei Verwendung als Verstärkungskomponente in ballistischen Materialien, insbesondere in Kombination mit Kevlar oder anderen ballistischen Fasern, verbessert es die Durchstoß- und Splitterfestigkeit. Gleichzeitig wird das Gesamtgewicht reduziert, was den Tragekomfort und die Beweglichkeit erhöht.
Kohlenstofffasern tragen hauptsächlich auf folgende Weise bei:
Strukturverstärkung:
Kohlefaser verleiht ballistischen Verbundmaterialien strukturelle Integrität. Wenn es mit Kevlar oder anderen ballistischen Fasern überzogen ist, trägt es dazu bei, die Materialintegrität nach dem Aufprall aufrechtzuerhalten und unterstützt die Verteilung der Aufprallenergie, wodurch das Risiko eines Eindringens verringert wird.
Gewichtsreduktion:
Ballistische Verbundwerkstoffe basieren in der Regel auf mehrschichtigen Strukturen, um Projektile abzuwehren. Die geringe Dichte der Kohlefaser trägt zur Reduzierung des Gesamtgewichts bei und verbessert den Komfort und die Flexibilität für den Träger.
Abschluss
Kohlefaser bietet eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht, ist jedoch aufgrund ihrer Sprödigkeit und begrenzten Fähigkeit zur Energieabsorption nicht allein ballistisch. Seine Steifheit und die Tendenz, bei Aufprall zu brechen, verringern seine Wirksamkeit beim Stoppen von Kugeln. Wenn sie jedoch als Teil eines Verbundsystems verwendet werden, können Kohlefasern die ballistische Leistung unterstützen. Durch die Kombination seiner strukturellen Stärke mit anderen Fasern, die Energie absorbieren und ableiten, kann ein wirksamer ballistischer Schutz erreicht werden.
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