mini|Der T-64 war der erste in Serie produzierte Panzer mit einer Verbundpanzerung
Eine Verbundpanzerung (auch Kompositpanzerung genannt) ist eine Panzerung, die aus verschiedenen Schichten von Materialien besteht. Sie soll einen möglichst weitreichenden Schutz gegen verschiedene Angriffsformen mit panzerbrechender Munition gewährleisten. Darunter sind Hohlladungs- und Wuchtgeschosse, Quetschkopfmunition und Panzerabwehrminen. Dazu werden in die Verbundpanzerung verschiedene Materialien eingearbeitet. Erstmals kam die Verbundpanzerung beim sowjetischen Kampfpanzer T-64 zum Einsatz.
Grundlagen
Die Entwicklung von Hohlladungsgeschossen und Raketen nach 1942 stellte eine enorme Bedrohung für Panzer dar, da sie Panzerungen aus Stahl in Stärken durchschlagen konnten, die es nicht mehr praktikabel machten, einen dagegen sicheren Panzer zu bauen. Dies wurde insbesondere während des Jom-Kippur-Krieges deutlich, als viele israelische Panzer von sowjetischen Panzerabwehrlenkwaffen zerstört wurden.http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA392783&Location=U2&doc=GetTRDoc.pdf Dies führte auch auf Seiten des Westens zu einer beschleunigten Entwicklung von Verbundpanzerungen, die in der darauffolgenden Kampfpanzergeneration (Leopard 2, M1 Abrams, Challenger 1) erstmals zum Einsatz kamen.
Das Ziel einer Verbundpanzerung ist es, ein gefordertes Schutzniveau durch die Kombination verschiedener Materialien zu erreichen, wobei das Gewicht einer solchen Anordnung erheblich unter dem Gewicht einer Panzerung aus homogenem Panzerstahl mit dem gleichen Schutz liegt. Die Schutzwirkung einer Verbundpanzerung wird in RHA angegeben, dies entspricht dem Schutzniveau einer Panzerstahlplatte mit ebendieser Stärke. Die Wirksamkeit einer Verbundpanzerung wird mit zwei Werten angegeben:
TE (thickness effectiveness): RHA-Äquivalent einer Panzerung im Vergleich zu ihrer Dicke EM (mass efficiency): Indexzahl für die massenbezogene (Schutz-)Effizienz einer Panzerung im Vergleich zu Panzerstahl, höhere Werte bedeuten bessere Schutzwirkung
Eine Aluminiumknetlegierung vom Typ Al-5XXX besitzt zum Beispiel eine TE von 0,6. Eine 100 mm dicke Aluminiumplatte besitzt somit ein Schutzniveau von 60 mm Panzerstahl. Um eine Schutzwirkung von 100 mm RHA zu erreichen, wären 166,66 mm Aluminium notwendig:
Eine Aluminiumlegierung besitzt nur 34,6 % der Dichte einer Stahllegierung. Der EM-Wert der Aluminiumlegierung beträgt somit:
Natur- und definitionsgemäß besitzt Panzerstahl TE = 1 und EM = 1. Diese Rechnung ist ein stark vereinfachtes Beispiel, da eine Verbundpanzerung auf unterschiedliche Bedrohungen (Hohlladung, Hartkerngeschoss, APFSDS) anders reagiert. Die EM-Werte einer Titanlegierung unter APFSDS-Beschuss variieren zum Beispiel von 1,44 bis 1,9, je nach Penetratormaterial, Längen/Durchmesserverhältnis und Geschwindigkeit.
Panzerstahl RHA
Gewalzter Panzerstahl (rolled homogeneous armour), durch Wärmebehandlung und Walzen in den mechanischen Eigenschaften Zugfestigkeit und Härte gegenüber Baustahl verbessert, wurde erstmals im Zweiten Weltkrieg verwendet. Später wurden neue Legierungen entwickelt, um Zähigkeit (Duktilität, für eine hohe Bruchdehnung) bei trotzdem hoher Härte (bis 300 Brinell) zu steigern. Dies wird durch Legierungsbestandteile wie Mangan, Molybdän, Vanadium, Chrom, Nickel oder Einlagerung von Kohlenstoffzementit und Stickstoff erreicht.
Panzerstahlstrukturen können sowohl aus Walzstahl geschweißt als auch gegossen werden. Walzstahl erreichte um das Jahr 2010 etwa ein Zehntel höhere Zugfestigkeit als Gussstahl.Scribd.com Armor Basics (englisch) (englisch)
HHA
mini|M113 Kawest der Schweiz mit perforierten Stahlplatten
Gehärtete Stahlplatte (high-hardness armor). Durch die höhere Härte, die teilweise über 600 HB liegt, kann das Material nicht mehr für tragende Strukturen verwendet werden, da es zu spröde ist. Da das Härten von Stahl nicht mit beliebig dicken Platten erfolgen kann, werden oft mehrere dünne Platten gehärtet und übereinander gelegt. Der TE von gehärtetem Stahl kann bis zu 1,6 betragen. Ein Anwendungsbeispiel ist der Leopard 1A3. Moderne Panzerstähle kombinieren gehärtete Oberflächenschichten und zähe Tragschichten (z. B. Hardox).
Perforierte Panzerung
Bei dieser Panzerung werden die Stahlplatten perforiert. Idealerweise sollte der Lochdurchmesser kleiner als oder gleich der zu erwartenden Bedrohungsprojektile sein. Die Platten werden erst nach der Bearbeitung gehärtet; abgesehen von der einfacheren Bearbeitung des ungehärteten Stahls profitieren somit auch die Lochleibungen von der Vergütung. Beim Einbau können mehrere Platten hintereinander gestapelt werden, die Lochmuster sollten sich dabei abwechseln, um eine „Mini-Schottpanzerung“ zu erzielen. Optimalerweise sollten die Löcher schräg gebohrt werden, um einschlagende Geschosse durch die harten Innenwände in Drehung zu versetzen; alternativ kann die Platte auch geneigt werden. Die Schutzwirkung einer perforierten Panzerung entspricht etwa einer Panzerstahlplatte gleicher Dicke, durch die Löcher ist das Gewicht aber um bis zu 50 % geringer. Somit kann TE≈1 und EM≈2 abgeschätzt werden.
Leichtmetalle Magnesiumlegierungen
mini|Der BMP-1 besitzt eine Wanne aus Walzstahl, welche vor schweren Maschinengewehren und Splittern schützt
Magnesiumlegierungen sind die leichtesten Metalle für den Panzerbau. Man kann Panzerwannen und andere tragende Strukturteile aus Magnesiumlegierungen fertigen.
Die Legierung AZ31B ist zum Beispiel bei Beschuss aus Maschinengewehren und -kanonen gewichtsgünstiger als eine Al-5XXX-Aluminiumlegierung, aber schlechter als eine Stahlplatte gleichen Gewichts. Gegen Splitter ist diese Magnesiumlegierung auch wirksamer als gewalzter homogener Panzerstahl (RHA).https://www.arl.army.mil/arlreports/2007/ARL-TR-4077.pdf
mini|links|Der VBCI besitzt eine Wanne aus einer Aluminiumlegierung
Aluminiumlegierungen
Aluminiumlegierungen werden im Panzerbau häufiger verwendet. Aluminium ermöglicht es, tragende Strukturteile ohne Bedeutung für den Panzerschutz, wie zum Beispiel Laufrollen leichter zu gestalten. Für Panzerungselemente werden in der Regel Aluminiumknetlegierungen der Gruppe Al-7XXX verwendet, es werden aber auch kaltgewalzte Aluminium-Magnesium-Legierungen wie beim M113 eingesetzt. Die Verwendung von Aluminium-Lithium-Legierungen befindet sich noch in der Testphase.K. Sampath: , ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/OCTOBER 2005 Aluminiumlegierungen haben (gewichtsbezogen) etwas bessere ballistische Eigenschaften als Panzerstahl, sind jedoch teurer und nehmen mehr Raum ein. Daher können sie Panzerstahl als Konstruktionsmaterial nicht vollständig verdrängen.
Panzer aus Aluminiumlegierungen kommen dort zum Einsatz, wo Gewicht eine bedeutende Rolle spielt. Eine häufige Verwendung findet sich bei Schützenpanzern und leichten Kampfpanzern wie dem M8 Armored Gun System, schwere Kampfpanzer wurden nur experimentell aus Aluminium gebaut (zum Beispiel MBT-80). Als Teil der Verbundpanzerung wurde Aluminium im T-80 und gerüchteweise im Leopard 2 verwendet.
Titanlegierungen
mini|Die Kommandantenluke des M2 besteht aus einer Titanlegierung
Die Idee besteht darin, hochfeste Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V zu verwenden, die etwa die gleichen Festigkeitskennwerte wie Panzerstahl aufweisen. Da die Beschussfestigkeit (TE, thickness effectiveness) 80–90 % der von Panzerstahl entspricht (bei nur 57 % des Gewichtes), hat man ein sehr wirksames Panzerungsmaterial, das auch für tragende Strukturteile verwendet werden kann. Aufgrund des komplizierten Herstellungsprozesses ist Titan allerdings zehnmal teurer als herkömmlicher Stahl.
Titanlegierungen werden deshalb nur als Sonderpanzerungen verwendet, die Verwendung als Konstruktionsmaterial findet nur eingeschränkt statt. So ist beim M2 Bradley die Kommandantenluke aus einer Titanlegierung gefertigt; für den M1 Abrams wurden testweise unter anderem die Blow-out-Panels, die Motorabdeckung und die Kommandantenluke aus Titan gefertigt.http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/9705/Montgomery-9705.html Als Teil der Verbundpanzerung wird Titan beim Leclerc und VBCI eingesetzt.
Keramikpanzerung
mini|Aluminiumoxidkeramiken desATF Dingo (IDET 2007)
Keramische Werkstoffe besitzen eine große Härte und Druckfestigkeit, sind aber im Gegensatz zu Metallen eher spröde. Im Gegensatz zu Metallen, die sich bei hohen Drücken wie Fluide verhalten (das heißt, das Geschoss „schwimmt“ durch die Panzerung wie ein U-Boot durch Wasser) reagiert Keramik mit Rissbildung. Bruchstücke der Keramik dringen in den Metallstachel einer Hohlladung oder in einen Penetrator ein, weiten diesen damit auf bzw. werden vor dem Stachel komprimiert und hemmen das Fortkommen weit wirksamer, als es Panzerstahl vermag. Verbundpanzerungen aus Keramik werden heute fast überall eingesetzt, von beschusshemmenden Westen bis zu Panzern. Der EM-Wert von Keramikpanzerungen kann über 4 liegen. Verwendet werden dafür häufig Al2O3, SiC und B4C. Die Dicke der Keramikplatten kann dabei von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern reichen.
Erste Generation
mini|Piranha-Panzer mit SiC-Kacheln
Die ersten Verbundpanzerungen mit Keramik bestanden aus einer Platte harten Materials wie Borsilikatglas oder Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, die in einem Sandwich aus Stahl- oder Aluminiumplatten steckte.W. Kolkowitz, T.S. Stanislaw: Extrusion and Hot Rolling – Two Advanced Fabrication Techniques for the Preparation of Whisker-Metal Composites. Proceedings of the 14th National Symposium and Exhibit, Vol. 14 – Advanced Techniques for Material Investigation and Fabrication, 5–7 Nov 68, Cocoa Beach, Florida, Paper No. 11-4A-3 Die bekannte Burlington ist zum Beispiel ein Sandwich-Wabenkern-Verbund, bei der die Außenhaut aus Aluminiumoxidkeramikkacheln in Honigwaben-Form besteht, die auf eine Matrix aus ballistischem Nylon geklebt wurden.D. Long: Modern Ballistic Armor – Clothing, Bomb Blankets, Shields, Vehicle Protection. Boulder 1986, S. 82–84. Wichtig sind dabei eine reproduzierbare Fertigung jeder einzelnen Keramikplatte und die Einhaltung sehr enger Toleranzen. Nur bei der Erfüllung dieser Voraussetzung ist eine engfugige Verlegung möglich. Jede Fuge größer als 0,3 mm stellt eine Schwachstelle in der Beschussfestigkeit dar.ALOTEC ALUMINIUMOXIDKERAMIK FÜR DEN PERSONEN- UND OBJEKTSCHUTZ (PDF-Datei; 336 kB) Panzerungen, die so aufgebaut sind, haben gegenüber Panzerstahl keinen Gewichtsvorteil, wenn sie vor Wuchtgeschossen schützen sollen. Dieser Aufbau bleibt aber aufgrund seines Gewichtsvorteils und der relativen Einfachheit bei anderen Anwendungen die erste Wahl. So werden beim UH-60 und manchen Körperpanzerungen Borcarbidkeramiken auf Dyneemagewebe geklebt, beim Piranha-Panzer wird Stahl und Siliziumcarbid verwendet.
Zweite Generation