Freitag, 29. Juli 2016

Liquid Armour II: Ein Beschusstest

Ein Gastbeitrag von 61

1. Allgemeines
Dieser Artikel ist eine Fortsetzung der Versuche mit scherverdickendem Gel. Für eine allgemeine Einführung in das Thema wird das Lesen des ersten Artikels nahegelegt. Ferner entstand dieser Text in Zusammenarbeit mit dem Post-Collapse-Team, das freundlicherweise sowohl die Durchführung des Beschusstestes vermittelte als auch die Kosten für die Munition und das Porto für die Rücksendung der Proben übernahm. Der Verfasser möchte dem Post-Collapse-Team und den Durchführenden des Beschusstestes hiermit vielmals dafür danken.  

Ziel dieses Testes war, die Effektivität von ballistischen Nylon mit scherverdickendem Gel gegen Beschuss durch Zentralfeuermunition zu testen. Hierbei soll einerseits das Verhalten des Textiles selbst sowie andererseits die Reaktion des Gels untersucht werden. Das Gel ist eine scherverdickende Suspension aus Kaolinit mit Partikeln in kolloidaler Größe, wie in den Tests des U.S. Army Research Laboratory beschrieben. Darüber hinaus sollte das Verhalten einer Stichschutzeinlage im Beschuss analysiert werden; insbesondere die strukturelle Integrität des Trägermaterials sowie die Möglichkeit der Entstehung von Sekundärprojektilen aus dem Material waren relevant. Die verwendete Munition besteht aus Schrot und Mantelgeschossen, die üblicherweise auch bei Straftaten verwendet werden und außerdem mit StanAg 2920 vergleichbaren V50-Splitterbeschuss simulieren soll. Aufgrund von Ressourcen- und Zeitmangel musste auf eine Herstellung von unbehandelten Referenzproben verzichtet werden, weshalb über eine mögliche Steigerung der Beschusshemmung durch scherverdickendes Gel im Vergleich zu unbehandeltem Gewebe keine sichere Aussage getroffen werden kann. Weitere Referenztests auch mit alternativen Materialien und Materialstärken werden ggf. in Zukunft durchgeführt. 


2. Durchführung des Beschusstestes

Abb. 1. Versuchsaufbau der Proben.

Die vier Beschussproben wurden auf jeweils eine Kartonage mit Heftklammern befestigt (Abb. 1), wodurch die ursprüngliche Vakuumierung der Beschussproben verloren ging. Diese Vorgehensweise war erforderlich, da andere Befestigungsmöglichkeiten nicht zur Verfügung standen und die Verwendung von Kartonagen der Verzerrung der Beschussergebnisse vorbeugte. Nylon, welches mit einem harten Hindergrundmaterial beschossen wird, tendiert zu schlechterer Leistung im Auffangen von Projektilen als Nylonpakete mit nachgebendem Hintergundmaterial. Die Proben wurden aus 10m Entfernung beschossen, hierbei wurden sowohl Faustfeuerwaffen als auch eine Schrotflinte verwendet. Die Distanz soll ein Kompromiss aus größtmöglicher Wirkung auf die Proben und minimaler Sicherheitsdistanz sein, um eine Gefährdung des Schützen zu vermeiden. Jede Probe wurde jeweils einmal mit den zwei für sie vorgesehenen Patronen beschossen, lediglich Probe 2 wurde nur mit einer Schrotpatrone 12/63,5 getestet. Hierbei kamen folgende Patronen zum Einsatz:
12/63,5 Schrotpatrone Sellier&Bellot 1 1/8oz (32g) 3mm Schrot, V2: 385 m/s.
.45 ACP Magtech, 230 Grain (14,9g) FMJ-SWC, V0: 238 m/s.
9x19mm Parabellum Geco, 124 Grain (8g) FMJ, V0: 360 m/s.

Beschussprobe 1 wurde einmal mit der Patrone .45 ACP und einmal mit 9x19mm Parabellum beschossen.
Beschussprobe 2 wurde einmal mit der Schrotpatrone 12/63,5 beschossen.
Beschussprobe 3 wurde einmal mit der Patrone .45 ACP und einmal mit Schrotpatrone 12/63,5 beschossen.
Beschussprobe 4 wurde mit der Patrone 9x19mm Parabellum und der Schrotpatrone 12/63,5 jeweils einmal beschossen.


3. Die Proben und ihr Aufbau

Abb. 2. Beschussprobe 1 (links), Beschussprobe 4 (Mitte) und Beschussprobe 3 (rechts) vor dem Beschusstest.

Beschussprobe 1:
Probe 1 (Abb. 2) setzt sich aus 15 Lagen ballistischem Nylon 850 Den in Leinwandbindung des Lieferanten Extremtextil e.K. zusammen, die mit einer frontalen Deckschicht aus undefinierbaren 1mm starkem Filz zusammengelegt wurden. Die Nylonlagen wurden mit einem Lötkolben aus dem Textil herausgetrennt, um eine Ausfransung des Gewebes und damit verbundenem Flächenverlust zu verhindern. Insgesamt waren die Nyloneinlagen 15x15cm groß; das fertig vakuumierte Paket war etwa 8-10mm stark. Das gesamte Paket wurde mit der in Spiritus stark verdünnten Standard-Suspension aus 30% der Masse des polaren Zuckeralkohols Glycerin des Herstellers Algin Chemie und 70% der Masse dihydratem Kaolin mit einer Partikelgröße von D50: 450nm des Lieferanten S3 Chemicals behandelt. Nach der Trocknung des Paketes im Ofen bei 80° zur Extraktion des Alkohols erfolgte die Vakuumierung der Probe in haushaltsüblicher Plastikfolie. Dies diente dem Zusammenhalt der nur zusammengelegten Textilschichten, dem Schutz vor Feuchtigkeit und Verunreinigung sowie der Scherverdichtung der Kaolinpartikel durch das Vakuum, welches durch Verdichtung infolge des Zusammenziehens der Lagen und des Vakuumbeutels zur Dilatanz des Gels führt. Folglich waren sämtliche Proben durch das Vakuum steif. 

Beschussprobe 2:
Probe 2 besitzt einen identischen Aufbau wie Probe 1, auch die Eigenschaften und Abmessungen sind dieselben.

Beschussprobe 3:
Probe 3 (Abb. 2) wurde aus 15 Lagen eines nicht näher bestimmbaren Aramidgewebes mit einem Gewicht von 210g/m² in Leinwandbindung des Lieferanten Extremtextil e.K. zusammengestellt. Um ein Ausfransen der Ränder zu verhindern, wurden die Lagen am Rand mit elastischem Haushaltsklebstoff behandelt, bevor sie ausgeschnitten wurden. Das Aramidgewebe wurde mit der Standard-Suspension behandelt, genau wie Probe 1 und 2, und im Ofen bei 80° zur Extraktion des Ethanols getrocknet. Aufgrund des verwendeten feinfaserigen Aramids sprach das Gel besonders gut auf das Textil an, da Aramid anders als Nylon nicht hydrophob ist und eine viel größere Oberfläche besitzt. Als Decklage wurde 3mm starkes Polyethylen 1000 eines unbekannten Herstellers in der Abmessung 15x15cm verwendet. Dies diente einerseits als Simulation eines einfachen Stichschutzes, andererseits sollte getestet werden, wie sich ein PE/Aramidkomposit unter Beschuss verhält und wie das Polyethylen dabei das Projektil beeinflusst.
Das Paket wurde ebenfalls vakuumiert. Bei der Nachbearbeitung waren nur 14 Lagen vorhanden; entweder ging eine der Lagen aufgrund der starken Verformung verloren oder der Verfasser hat sich bei der Herstellung der Probe verzählt.


Beschussprobe 4:
Probe 4 (Abb. 2) ist die aufwändigste Probe der Testserie. Sie ist im Wesentlichen eine Kombination aus ballistischem Paket und Stichschutzsystem. Das ballistische Paket besteht aus 15 Lagen ballistischen Nylons und einer Filzdeckschicht, wie Probe 1 und 2. Das Gel weicht jedoch in der Zusammensetzung ab: Es besteht aus 35% Kaolin und 65% Glycerin derselben Art wie in Probe 1,2 und 3 verwendet. Auf eine Extraktion des Alkohols, mit dem das Gel auf das Paket aufgetragen wurde, wurde verzichtet. Das Paket wurde vakuumiert, wie die anderen Proben. Das ballistische Paket stammt noch von einer älteren Produktion und wurde für diesen Test wiederverwendet. Der Stichschutz besteht aus einem zusammengenähten Schlauch aus 1000den beschichteten Cordura in Leinwandbindung des Lieferanten Extremtextil e.K., in den das ballistische Paket sowie der eigentliche Stichschutz geschoben wurde. Der Stichschutz selbst besteht aus zwei Komponenten. Die erste Komponente sind 3x3cm große und 2,5mm starke Platten mit jeweils zwei Bohrungen, die aus einer Epoxyd-Glasfaserplatte eines unbekannten Herstellers gesägt wurden. Die GFK-Platten wurden in einer quadratischen Anordnung auf die Innenseite des Corduraschlauches befestigt, entweder mit Paketklammern oder mit einer Nylonschnur (Abb. 15). Diese unterschiedlichen Befestigungsmethoden wurden gewählt, um zu testen, wie sie sich unter Beschuss verhalten und um eine bessere Fixierungsmethode für die Platten zu bestimmen. Für die 15x15cm große Probe wurden 25 Platten verwendet.  Da während des Beschusses die Paketklammern oder die GFK-Platten selbst zu Sekundärprojektilen werden könnten, wurde eine 15x15cm große und 3mm starke Platte aus PE-1000 (wie bei Probe 3) zwischen den GFK-Platten und dem ballistischen Paket eingeschoben. Dies dient auch der Traumareduzierung bei einem Stichangriff, da das Cordura selbst sehr flexibel und nachgiebig ist. Zuletzt wurde die ballistische Probe nach dem Einschieben des ballistischen Paketes und der PE-Platte noch mit einem einfachen Kunststoffklebeband endgültig fixiert.


4. Auswertung

Beschussprobe 1:
Abb. 3. Probe 1 nach dem Beschuss, Vorderseite. 

Abb. 4. Probe 2 nach dem Beschuss, Rückseite.

Probe 1 hielt keiner Patrone stand (Abb. 1 und 2). Dieses Video zeigt, wie eine der Patronen die Probe ohne Widerstand, nennenswerte Verformung des Paketes oder Verlagerung in der Aufhängevorrichtung durchdringt. Die Hülle bleibt abgesehen von der Perforierung ebenfalls intakt. Dies bedeutet, dass das Paket nur minimale Impuls-Energie aufnimmt und die kinetische Energie auch nicht in Verformung umsetzen kann. Die Untersuchung des Gewebes zeigt ein eindeutiges Versagen der Faser durch zu geringe Zugfestigkeit, eine seitliche Verdrängung der Fasern ist nicht feststellbar. Das Versagen der Fasern äußert sich in starkem Ausfransen der Kett- und Schussfäden, ohne dass diese verschoben wurden (Abb. 5 und 6). Da das scherverdickende Gel durch seine Eigenschaften ein Verschieben der Fasern durch verdrängende, spitze Objekte verhindern soll, konnte das Gel die Beschussergebnisse in keiner Weise beeinflussen, da weichballistische Fasern durch Zugfestigkeit Projektile stoppen und das Gel nur als Matrix fungierte. Da das Nylon durchgehend strukturell versagte, ist Probe 1 ein kompletter Fehlschlag.

Abb. 5. Lage 2 mit deutlich sichtbarer Ausfransung.   

Abb. 6. Lage 3 mit identischem Befund.


Beschussprobe 2:
Abb. 7. Probe 2 nach dem Beschuss, Vorderseite.

Abb. 8. Probe 2 nach dem Beschuss, Rückseite.

Probe 2 wurde nur mit einer Schrotpatrone beschossen, wie im vorherigen Punkt beschrieben. Probe 2 konnte die völlige Penetration des Pakets durch die Schrotladung verhindern (Abb. 7 und 8). Da jedoch sowohl die Impulsenergie als auch die kinetische Energie komplett von der Probe aufgefangen wurde, kam es zu sehr starken Verformungen des Paketes sowie zum Losreißen von der Aufhängevorrichtung; die Vakuumhülle wurde durch die Verformung des Paketes während des Beschusses weitgehend zerstört. Die Schrotladung wurde größtenteils zwischen Lage 5 und 11 aufgefangen, erst ab Lage 13 bis 16 gibt es keinerlei Penetration durch Schrot. Da die Schrotladung nicht zusammenhängt, verliert sie während des Schusses sowie der Penetration schnell an Gewicht, wodurch sich die kinetische Energie zunehmend verringert und das Paket so in der Lage war, die Projektile zu stoppen.

Abb. 9. Lage 6. Verdrängung und strukturelles Versagen.    

Abb. 10. Lage 7 mit Faserverdrängung.

Die Schrotladung besitzt eine Schrotgröße von 3mm, womit diese Projektile sehr klein sind und sich anders verhalten als die Vollmantelgeschosse. Bei Probe 2 ist anders als bei Probe 1 ein seitliches Verdrängen der Fasern aufgrund des geringen Schrotdurchmessers fassbar (Abb. 10), strukturelles Versagen wie bei Probe 1 ist ebenfalls erkennbar (Abb. 9). Das Gel hat die Ergebnisse aufgrund der Faserverdrängung durch den kleinkalibrigen Schrot höchstwahrscheinlich wie vorgesehen beeinflusst, allerdings lässt sich das nicht völlig sicher ohne Referenzprobe bestimmen. Die der Probe entnommenen Schrotkugeln besaßen ein Restgewicht von 342 Grain (ca 70% des ursprünglichen Ladungsgewichtes von 1 1/8 oz) und wiesen sowohl vor als auch nach der Reinigung hartnäckig anhaftende Reste des Gels auf, welches sich lokal stark verdichtete. Auch zeigt dies, dass ein großer Teil der Ladung und damit der Energie der Patrone aufgefangen wurde. Die Schrotkugeln waren teilweise lokal auf mehreren Seiten deformiert (Abb. 11), was auf eine Verformung durch Eigenkontakt der Schrotkugeln auf dem beengten Streukreis, der durch die niedrige Beschussdistanz resultierte, hinweist.

Abb. 11. Schrotrestladung nach der Reinigung mit weißen Gelresten und lokalen Deformationen.


Beschussprobe 3:
Abb. 12. Probe 3 nach dem Beschuss, Vorderseite.
Abb. 13. Probe 3 nach dem Beschuss, Rückseite.

 Probe 3 hielt sowohl der Schrotladung als auch der Patrone .45 ACP stand (Abb. 12 und 13). Die Polyethylenschicht stoppte die Schrotladung weitgehend vollständig, nur zwei vereinzelte Durchschüsse durch Schrotkugeln konnten auf der Rückseite der Lage 4 gefunden werden (Abb. 14). Die Polyethylenplatte wurde durch den Schrotbeschuss stark verformt, die Vakuumhülle wurde dadurch zerfetzt. Das Paket wurde aus der Verankerung gelöst und die PE-Platte weggeschleudert. Die Aramidlagen waren nicht so stark verformt wie die Nylonlagen von Probe 2, was bedeutet, dass die PE-Platte einen Großteil der kinetischen Energie und des Impulses aufnahm. Nur wenige Schrotkugeln wurden im PE aufgefangen, der Rest prallte größtenteils ab. Die Verformung, die durch die Patrone .45 ACP verursacht wurde, war wesentlich geringer. Da das Projektil nicht geborgen werden konnte, lässt sich nicht sicher sagen, ob die PE-Platte von ihm durchdrungen wurde, es ist jedoch aufgrund des großflächigen Abdruckes, den das Projektil hinterließ, anzunehmen. Sicher lässt sich jedoch sagen, dass Lage 2, also die erste Aramidlage, das Projektil stoppte. Es kam somit zu keiner Penetration. Das Polyethylen verschloss sich hinter dem Projektil elastisch wieder, d.h., dass die Penetrationsöffnung geringer als das Kalibermaß ist (Abb. 16). Die Rückseite von Lage 2 zeigte starke Deformation mit Verlängerung der Fasern durch die Zugbelastung sowie Verschiebung (Abb. 15), das Gel hat sich lokal an der Verformung von Lage 2 verfestigt. Probe 3 ist durchgehend ein Erfolg und belegt die Notwendigkeit von Fasern mit hoher Zugfestigkeit, auch das Gel und PE zeigten sehr gute Ergebnisse. Für die Evaluation der Effektivität des Gels dürften weitere Referenztests erforderlich sein.

Abb. 14. Schrotdurchschuss auf Lage 4.

Abb. 15. Rückseite von Lage 2 mit sichtbarer Verformung.

Abb. 16. Durch die Patrone .45 ACP verursachte Einschussöffnung.


Beschussprobe 4:
Abb. 17. Probe 4 nach dem Beschuss, Vorderseite.

Abb. 18. Probe 4 mit Durchschuss, Rückseite.

Beschussprobe 4 konnte die Schrotpatrone aufhalten, aber nicht die Patrone 9x19mm, die das Paket ohne nennenswerte Verformung der Probe penetrierte (Abb. 17 und 18). Die Schrotladung wurde größtenteils von den Glasfaserplatten abgewehrt, von der die Schrotkugeln meistens abprallten. Das Restgewicht der Schrotladung beträgt 6 Grain und ist damit extrem niedrig. Der textile Träger wurde von der Schrotladung beschädigt, verlor jedoch nicht völlig die strukturelle Integrität. Sowohl die Paketklammern als auch die Schnürung, die die GFK-Platten am textilen Träger fixierten, wurden durch den Schrotbeschuss gelöst; besonders die Schnürung zeigte sich anfällig (Abb. 23). Drei Platten gingen beim Beschuss verloren, zwei der verlorenen Platten wurden durch Schnürung fixiert. Die Probe wurde beim Schrotbeschuss aus der Verankerung gelöst.

Abb. 19. GFK-Platten mit Einschussöffnung.

Abb. 20. Lokale Delamination durch Beschuss.

Die GFK-Platten wurden nur oberflächlich vom Schrot beschädigt (Abb. 19), es kam zur charakteristischen lokalen Delamination der Glasfaserlagen, die insbesondere im Einschussbereich der 9x19mm deutlich sichtbar ist (Abb. 20).

Abb. 21. Abdrücke der Platten und Paketklammern.

Die unter den GFK-Platten gelegene PE-Platte zeigte deutliche Verformungen, die sowohl durch Schrotkugeln, die seitlich durch die GFK-Platten durchgedrückt wurden, als auch durch die Platten und die Paketklammern selbst verursacht wurden (Abb. 21). Sowohl die Platten als auch die Paketklammern wurden durch das Auffangen der kinetischen Energie zu sekundären Geschossen, wodurch die Notwendigkeit der Verwendung des Polyethylens als Hintergrundmaterial belegt ist. Nur etwa 3 Schrotkugeln konnten den Stichschutz durchdringen und wurden vom Nylonpaket aufgefangen. Abgesehen von der Patrone 9x19mm wurde das Nylonpaket selbst nicht durchdrungen, der Stichschutz stoppte die Schrotladung weitgehend. Der Durchschuss der Patrone 9x19mm zeigte wie in Probe 1 strukturelles Versagen der Faser durch Zugbelastung ohne nennenswerte Verschiebung der Fasern. Das Nylon konnte das Projektil in keiner nennenswerter Weise stoppen oder dessen kinetische Energie auffangen. Die Schrotkugelbefunde im Nylon gleichen denen in der Probe 2, also Verdrängung der Fasern sowie Versagen durch Zugbelastung (Abb. 22). Aufgrund der Verdünnung des Gels mit Alkohol sowie des erhöhten Glycerinanteils hatte das Gel keinen erkennbaren Effekt.

 Abb. 22. Gewebeverdrängung durch Schrot.

Abb. 23. Ansicht der GFK-Platten von hinten.

5. Fazit
Das ballistische Nylon zeigte sich durchgehend als zu schwach für einen Einsatz als ballistische Einlage. Sämtliche Proben belegen ein Versagen der Nylonfasern durch Zugbelastung, wodurch der Schutz gegen sehr kleine Splitter nur sehr bedingt und der V50-Beschuss nach StanAG 2920 nicht gegeben ist. Da die Zugfestigkeit des Nylons zu gering ist, kann das scherverdickende Gel keinen nennenswerten Einfluss auf die Nylonproben bei Beschuss durch die Faustfeuerwaffenpatronen haben. Lediglich bei Probe 2 ist ein Einfluss des Kaolingels auf die Schrotladung aufgrund der teilweise verdrängenden Penetration der Schrotkugeln denkbar, jedoch muss hier ein Referenztest gemacht werden. Das Aramid von Probe 3 hat sich durch seine hohe Zugfestigkeit als sehr erfolgreich im Beschuss gezeigt, auch das Polyethylen hatte einen spürbaren positiven Einfluss auf die Verlangsamung des Projektils und konnte die Schrotladung in Verbindung mit dem Aramid weitgehend vollständig stoppen. Das Kaolingel sprach gut auf das Aramid an, allerdings dürfte eine Referenzprobe nötig sein.
Ferner zeigte sich durchgehend bei allen Proben, dass eine bessere Verbindung der Lagen und Komponenten nötig ist; z.B. wäre eine Vernähung der einzelnen Lagen und eine geeignete Hülle bzw. Halterung erforderlich. Insbesondere der Schrotbeschuss führte zu einer starken Verformung sowie Zerlegung der Pakete, die Vakuumhülle war völlig ineffektiv gegen die auftretenden mechanischen Belastungen.

Der Stichschutz von Probe 4 war ironischerweise effektiver gegen Beschuss als das eigentliche Nylonpaket. Bereits die Glasfaserplatten allein schützen wirksam gegen die Schrotladung; das Polyethylen wird dabei als Hintergrundmaterial zum Auffangen restlicher Schrotkugeln sowie der Platten benötigt, die beim Beschuss zu Sekundärprojektilen werden.
Für die Herstellung weichballistischer Einlagen werden Spezialtextilien mit hoher Zugfestigkeit benötigt. Sollten diese nicht zur Verfügung stehen, besteht eigentlich nur noch die Möglichkeit, Komposite aus GFK, Kunststoffen wie Polyethylen 1000, keramischen Werkstoffen und Metallen wie Titan und Edelstahl zu konstruieren. Damit wären klassische flexible weichballistische Einlagen nicht möglich; stattdessen müsste eine plattenbasierte Panzerung ähnlich der hoch- und spätmittelalterlichen Plattenröcke konstruiert werden.
Weitere Referenztests mit unbehandelten Paketen, erhöhter Anzahl der Lagen sowie alternativen Materialien wie beschichtetes Cordura werden ggf. in Zukunft noch durchgeführt werden. Das Post-Collapse-Team ist an derartigen Experimenten ebenfalls interessiert und wird Eigenversuche sowie Forschungen der Leser sicherlich gerne veröffentlichen und evtl. sogar unterstützen.


6. Literatur und Quellenverweis

B. Rosen, C. Laufer, D. Kalman, E. Wetzel, N. Wagner, Multi-threat Performance of Kaolin-based
shear thickening Fluid (STF)-treated fabrics (Baltimore 2007).

S. Restle, Ballistische Schutzwesten und Stichschutzoptionen (Dörverden 1997).

http://isitbulletproof.tumblr.com/page/8   (Eingesehen am 19.7.2016).

http://www.frankonia.de/Pract.Sport+12-63%2C5+32g.+3%2C0mm/Sellier+%2B+Bellot/Ansicht.html?Artikelnummer=176277&navCategoryId=62823 (Eingesehen am 20.7.2016)

http://www.frankonia.de/Faustfeuerwaffenpatronen%2C+.45+ACP/Magtech/Ansicht.html?Artikelnummer=144816&lastSelected=f_s_kaliber&f_s_marke=Magtech&f_s_kaliber=.45+ACP&navCategoryId=63318 (Eingesehen am 20.7.2016)

http://www.livingactive.de/geco-9mm-luger-vollmantel-124gr.  (Eingesehen am 20.7.2016)




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