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Borkarbid - nicht immer hart

Kristalline Struktur geht bei heftigem Aufprall verloren

Von Rainer Scharf
 
Borkarbid ist ein keramisches Material von ungewöhnlich großer Härte, die derjenigen von Diamant nahekommt. Deshalb wird es in Panzerungen zum Schutz vor Pistolenkugeln und anderen leichten Projektilen genutzt. Beim Aufschlag schwererer Geschosse verliert dieses keramische Material einen großen Teil seiner Widerstandskraft und versagt in überraschendem Maße. Jetzt haben Materialwissenschaftler aus den Vereinigten Staaten herausgefunden, wie es dazu kommt.

In Zusammenarbeit mit dem amerikanischen Heer haben Kevin Hemker von der Johns Hopkins University in Baltimore und seine Kollegen zahlreiche Projektile von hoher Durchschlagskraft auf Borkarbidproben geschossen. Beim Aufprall hatten die Projektile Geschwindigkeiten bis zu 1000 Metern pro Sekunde. Das entspricht der dreifachen Schallgeschwindigkeit. Jedes Geschoß hinterließ einen mehrere Zentimeter großen Aufschlagkrater in der Probenoberfläche, den die Forscher genauer untersuchten.

Zunächst sammelten sie die von einem Projektil herausgeschlagenen Borkarbidsplitter und bestimmten ihre Gesamtmasse. Dabei stellte sich heraus, daß diese sprunghaft auf das Dreifache wuchs, sobald die Forscher das Projektil mit einer Geschwindigkeit von 900 statt 850 Metern pro Sekunde einschlagen ließen. Wenn die Belastung nur geringfügig erhöht wurde, verlor das Borkarbid plötzlich seine Widerstandskraft ("Science", Bd. 299, S. 1563).

Der Grund für das plötzliche Versagen zeigte sich, als einige der herausgeschlagenen Splitter unter ein Elektronenmikroskop gelegt wurden. Viele der kristallinen Körnchen, aus denen die keramischen Splitter bestanden, waren beschädigt. Die Beschädigungen unterschieden sich aber, je nachdem mit welcher Geschwindigkeit das Projektil die Materialoberfläche getroffen hatte. Bei Aufprallgeschwindigkeiten bis zu 850 Metern pro Sekunde wiesen die Körnchen recht feine Risse auf. Bei höheren Geschwindigkeiten waren in den Körnchen jedoch ausgedehnte Schichten entstanden, in denen die Atome völlig in Unordnung geraten waren. Hier war die Kristallstruktur restlos zerstört worden.

Die Forscher vermuten, daß die Umwandlung des Borkarbids von einem kristallinen in ein amorphes Material - auch wenn sie nur schichtweise erfolgt - dessen Widerstandskraft beträchtlich verringert. Längs der ungeordneten Schichten gibt das Borkarbid unter Druck leicht nach und verformt sich. Die plötzliche Umwandlung vom kristallinen in einen ungeordneten Zustand ist ein sogenannter Phasenübergang, wie er auch beim Schmelzen von Eis auftritt. Beim Aufschlag eines Projektils geht das Material jedoch vom festen kristallinen Zustand in einen ebenfalls festen amorphen Zustand über, da ihm nicht genug Zeit bleibt, sich zu verflüssigen. Weil die Forscher nun wissen, auf welche Weise ein Panzer aus Borkarbid versagt, wollen sie die Kristallstruktur so verändern, daß dieses ungewöhnliche Material in Zukunft noch größeren Belastungen standhalten kann. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 23.04.2003, Nr. 94 / Seite N1

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