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Dokumentenidentifikation DE60213446T2 22.02.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001444477
Titel HOHLLADUNGSEINLAGE
Anmelder Qinetiq Ltd., London, GB
Erfinder BOURNE, c/ QinetiQ Limited, Brian, Sevenoaks, Kent TN14 7BP, GB;
COWAN, c/o QinetiQ Limited, Kenneth Graham, Sevenoaks, Kent TN14 7BP, GB
Vertreter BEETZ & PARTNER Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60213446
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 12.11.2002
EP-Aktenzeichen 028030625
WO-Anmeldetag 12.11.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/GB02/05092
WO-Veröffentlichungsnummer 2003042625
WO-Veröffentlichungsdatum 22.05.2003
EP-Offenlegungsdatum 11.08.2004
EP date of grant 26.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse F42B 1/032(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Sprengladungen und insbesondere Einlagen für Hohlladungen und die Zusammensetzung solcher Einlagen. Eine Einlage für eine Hohlladung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus EP 0 160 118 A bekannt.

Hohlladungen weisen ein Gehäuse, eine Menge eines hochexplosiven Sprengstoffs wie RDX sowie eine Einlage auf, die in den hochexplosiven Sprengstoff eingesetzt ist. In der Öl- und Gasindustrie wird die Einlage oft durch Verpressen von pulverförmigem Metall in eine konische Form gebracht, jedoch können andere Formen gleichermaßen wirksam sein. In der Mehrzahl der Fälle werden die Einlagen allerdings nach einer Vielzahl von Verfahren bearbeiteten Metallen und Legierungen in einer Vielzahl von Formen und Größen hergestellt. Wenn der hochexplosive Sprengstoff zur Detonation gebracht wird, führt die Detonationskraft zum Kollabieren der Einlage, die aus einem Ende der Hohlladung mit hoher Geschwindigkeit in Form eines langen Materialstrahls, eines "Stachels", herausgeschleudert wird. Dieser Materialstachel kann dann zum Durchschlagen eines Zielobjekts herangezogen werden.

Hohlladungen werden für eine Reihe von militärischen und kommerziellen Zwecken eingesetzt. So werden z.B. in der Ölindustrie Hohlladungen, die als Perforatoren bezeichnet werden, zum Durchschlagen von Ölbohrlochgehäusen und der umgebenden, Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gesteine verwendet.

An Hohlladungs-Sprengköpfen wurden viele Untersuchungen vorgenommen, und die Entwickler sind bestrebt, die höchste Effizienz des Sprengkopfs/Perforators zu erzielen, die mit den Anforderungen der Anwendung und den Durchschlaganforderungen in Einklang steht.

Bei zahlreichen Anwendungen ist es erwünscht, dass der Stachel das Zielmaterial so tief wie möglich durchdringt. Ein im Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Erhöhung der Durchschlagstiefe besteht darin, die Menge an Sprengstoff in dem Gehäuse der Hohlladung zu erhöhen. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt allerdings darin, dass ein Teil der durch die Detonation freigesetzten Energie in anderen Richtungen als der Stachelrichtung verlorengeht. Im Fall der Anwendung bei Erdölbohrlöchern kann dies zu einer Beschädigung des Bohrlochs und angegliederter Einrichtungen führen, was unerwünscht ist.

Ein weiteres Verfahren zur Maximierung der Durchschlagtiefe besteht in der Optimierung der gesamten Auslegung des Sprengkopfs/Perforators einschließlich des Verfahrens der Zündung und der Form der Einlage. Selbst wenn dies vorgenommen wird, ist jedoch die Menge an Energie, die auf die Einlage übertragen wird, notwendigerweise durch die Geometrie und die Menge an Sprengstoff begrenzt.

Ein weiteres Verfahren zur Maximierung der Durchschlagtiefe besteht darin, das Material der Einlage, das für die Einlage der Hohlladung verwendet wird, zu ändern. In der Vergangenheit bestanden die Einlagen für Hohlladungen typischerweise hauptsächlich aus bearbeitetem Kupfer, jedoch ist im Stand der Technik bekannt, dass auch andere Materialien bei bestimmten Anwendungen Vorteile ergeben. So werden z.B. für Perforatoren für Erdölbohrlöcher rohe gepresste Einlagen verwendet, die einen relativ hohen Prozentsatz an Wolframpulver in Kombination mit weichen metallischen und nichtmetallischen Bindemitteln enthalten. Die Patente US 5 656 791 und US 5 567 906 offenbaren Einlagen für Hohlladungen mit einer Zusammensetzung mit bis zu 90 % Wolfram. Derartige Einlagen ergeben verbesserte Durchschlagtiefen gegenüber herkömmlichen Einlagezusammensetzungen, haben jedoch den Nachteil, dass sie brüchig sind.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einlagematerial für eine Hohlladung anzugeben, das eine erhöhte Durchschlagtiefe ergibt und ferner einige der oben erwähnten Probleme, die bei bekannten, mit Wolfram verstärkten Einlagen auftreten, abmildern.

Demgemäß gibt die vorliegende Erfindung eine Einlage für eine Hohlladung an, deren Zusammensetzung mehr als 90 Gew.-% pulverförmiges Wolfram und bis zu 10 Gew.-% eines pulverförmigen Bindemittels enthält, wobei die Zusammensetzung zu einem im Wesentlichen konischen Formkörper geformt ist und eine kristalline Struktur von im Wesentlichen äquiaxialen Körnern einer Korngröße zwischen 25 nm und 1 &mgr;m aufweist.

Es ist wohl bekannt, dass die Durchschlagtiefe dem Produkt (Stachellänge) × (Dichteverhältnis des Einlagematerials)1/2 proportional ist. Durch Erhöhung der Dichte des Einlagematerials wird daher die Durchschlagtiefe des Stachels vergrößert. Wolfram besitzt eine hohe Dichte, und daher wird durch Verwendung einer Einlage, die mehr als 90 Gew.-% Wolfram enthält, die Durchschlagtiefe gegenüber herkömmlichen Einlagen, insbesondere in der Öl- und Gasindustrie, erhöht.

Die Länge des Stachels beeinflusst allerdings ebenfalls die Durchschlagtiefe. Zur Erzielung eines langen Stachels muss die Einlage so ausgebildet sein, dass der Stachel eine lange Strahlaufbrechzeit aufweist. Eine Analyse der Dynamik eines Hohlladungsstachels auf der Basis des Zerilli-Armstrong-Materialalgorithmus (Ramachandran, V., Zerilli, F.J., Armstrong, R. W., 120th TMS Annual Meeting on Recent Advances in Tungsten and Tungsten Alloys, New Orleans, LA, USA, 17.–21. Februar 1991) und des Goldthorpe-Verfahrens zur Ermittlung der Zuginstabilität (19th International Ballistics Symposium, 3.–7. Mai 2001, Schweiz) wurde von den Erfindern durchgeführt; diese Analyse zeigt, dass die Strahlaufbrechzeit der Geschwindigkeit der plastischen Partikel umgekehrt proportional ist. Die Geschwindigkeit der plastischen Partikel ist eine monotone Funktion der Korngröße des Einlagematerials. Eine geringe Korngröße erhöht daher die Strahlaufbrechzeit und ergibt demzufolge größere Durchschlagtiefen.

Durch Verwendung von Korngrößen von größenordnungsmäßig 1 &mgr;m oder weniger wurde festgestellt, dass das Durchschlagvermögen der Wolframeinlage erheblich verbessert wird. Der Ausdruck "Korngröße", wie er hier verwendet wird, bedeutet den mittleren Korndurchmesser, bestimmt nach ASTM, Bezeichnung: E 112 Intercept (or Heyn) procedure.

Wenn die Korngröße einer Einlage mit einem hohen Prozentanteil an Wolfram weniger als 1 &mgr;m beträgt, besitzt der so erzeugte Stachel ferner Eigenschaften, die mit den Eigenschaften zumindest vergleichbar sind, die mit einer Einlage aus abgereichertem Uran (DU) erzielbar sind. Wolfram ist daher eines der wenigen leicht erhältlichen Materialien, die eine ernsthafte Alternative zu DU ergeben können.

Die obige Beziehung zwischen der Korngröße und der Strahlaufbrechzeit gilt bis hinunter zu Korngrößen von größenordnungsmäßig 25 nm. Unterhalb dieser Untergrenze ändern sich die Mikrostruktureigenschaften des Materials. Bei Korngrößen unter 25 nm wird der Deformationsmechanismus durch die Eigenschaften der kleinwinkligen und großwinkligen Korngrenzen kontrolliert. Oberhalb von 25 nm ist der Deformationsprozess versetzungskontrolliert, und das Energiespeicherregime innerhalb der Mikrostruktur ist ebenfalls weniger effizient als bei geringeren Korngrößen. Die Unterschiede in den Mikrostruktur-Deformationsmechanismen führen zu einer unterschiedlichen Mikrostruktur, die letztendlich die physikalischen Eigenschaften des Materials steuert. Dieses Verhalten der mikrostrukturellen mechanischen Eigenschaften ist ferner unabhängig von dem Verfahren, das zur Herstellung der Nanomaterialien herangezogen wurde.

Bei Korngrößen von weniger als 100 nm wird Wolfram aufgrund seiner erhöhten dynamischen Plastizität als Material für Hohlladungseinlagen zunehmend attraktiv. Materialien mit Korngrößen von weniger als 100 nm werden hier als "nanokristalline Materialien" bezeichnet.

Die Einlage kann entweder durch Verpressen der Zusammensetzung unter Erzeugung eines rohen Presslings oder durch Sintern der Zusammensetzung erzeugt werden. Im Fall des Formpressens zu einer rohen formgepressten Einlage kann das Bindemittel ein beliebiges pulverförmiges metallisches oder nichtmetallisches Material sein, umfasst jedoch bevorzugt weiche dichte Materialien wie Blei, Tantal, Molybdän und Graphit. Das Wolfram kann geeigneterweise mit dem Bindemittelmaterial beschichtet sein, bei dem es sich um ein Metall wie Blei oder ein nichtmetallisches Material wie etwa ein polymeres Material handeln kann.

Die Einlage kann allerdings günstigerweise gesintert werden, um eine robustere Struktur zu erzielen. Beispiele für in diesem Fall geeignete Bindemittels sind Kupfer, Nickel, Eisen, Cobalt und andere Materialien, die entweder einzeln oder in Kombination verwendet werden.

Nanokristallines Wolfram kann nach mehreren Verfahren erhalten werden, etwa durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase (chemical vapour deposition, CVD), bei der Wolfram durch Reduktion von gasförmigem Hexafluorid mit Wasserstoff erzeugt werden kann, was zu ultrafeinen Wolframpulvern führt.

Ultrafeines Wolfram kann auch aus der Gasphase durch Gaskondensationstechniken erzeugt werden. Es gibt zahlreiche Variationen dieser physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase durch Kondensation (physical vapour deposition, PVD).

Ultrafeine Pulver, die nanokristalline Partikel aufweisen, können auch mit einem Plasmalichtbogenreaktor erzeugt werden, wie in PCT/GBO1/00553 und WO 93/02787 beschrieben ist.

Die Erfindung wird im Folgenden lediglich beispielhaft und unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen) beschrieben; es zeigen

1 in schematischer Darstellung eine Hohlladung mit einer festen Einlage gemäß der Erfindung und

2 eine schematische Darstellung, die von einem Mikrophoto stammt und die Mikrostruktur von Proben zeigt, die aus einem W-Cu-Einlagematerial gewonnen wurden.

Wie in 1 dargestellt ist, weist eine Hohlladung von allgemein herkömmlichem Aufbau ein zylindrisches Gehäuse 1 von konischer Form aus einem metallischen Material sowie eine Einlage 2 gemäß der Erfindung mit konischer Form auf, wobei die Wandstärke typischerweise etwa 1 bis 5 % des Durchmessers der Einlage beträgt, jedoch in extremen Fällen auch den hohen Wert von 10 % aufweisen kann. Die Einlage 2 ist an einem Ende des zylindrischen Gehäuses 1 genau eingepasst. Hochexplosives Material 3 befindet sich innerhalb des durch das Gehäuse und die Einlage vorgegebenen Volumens.

Ein geeignetes Ausgangsmaterial für die Einlage kann ein Gemisch von 90 Gew.-% nanokristallinem, pulverförmigem Wolfram darstellen, wobei der Rest von 10 Gew.-% aus nanokristallinem pulverförmigem Bindemittelmaterial besteht. Das Bindemittelmaterial umfasst weiche Metalle wie Blei, Tantal und Molybdän oder Materialien wie Graphit. Das nanokristalline pulverförmige Material der Zusammensetzung kann nach einem der oben erwähnten Verfahren erhalten werden.

Ein Verfahren zur Herstellung von Einlagen besteht im Formpressen einer abgemessenen Menge von innig gemischten und vermengten Pulvern in einer Form unter Erzeugung der endgültigen Einlage in Form eines rohen Presslings. Bei anderen Ausführungsformen gemäß dem vorliegenden Patent können, abweichend davon, innig gemischte Pulver in genau der gleichen Weise wie oben beschrieben angewandt werden, wobei jedoch der rohe Pressling nahezu die endgültige Form besitzt, wodurch ermöglicht wird, dass eine Art von Sinterprozess oder Infiltrationsprozess stattfindet.

2 zeigt die Mikrostruktur eines W-Cu-Einlagematerials nach der Erzeugung. Die Einlage wurde aus einem Gemisch von 90 Gew.-% nanokristallinem pulverförmigem Wolfram erzeugt, wobei der restliche Prozentanteil von 10 Gew.-% aus nanokristallinem pulverförmigem Bindemittel bestand, in diesem Fall aus Kupfer. Diese Einlage wurde durch Sintern der Zusammensetzung hergestellt.

2 stammt von Mikrophotographien der Oberfläche des spezifizierten Materials bei 100-facher Vergrößerung. Die Mikrostruktur der Einlage weist eine Matrix aus Wolframkörnern 10 (dunkelgrau) von etwa 5 bis 10 &mgr;m und Kupferkörnern 20 (hellgrau) auf. Wenn die Einlage als roher Pressling hergestellt worden wäre, wäre die Korngröße erheblich kleiner und betrüge z.B. 1 &mgr;m oder weniger.

Abwandlungen der im Einzelnen beschriebenen Erfindung sind für Fachleute ersichtlich und sollen als unter den Umfang der Erfindung fallend angesehen werden. So eignen sich z.B. auch andere Verfahren zur Herstellung einer feinkörnigen Einlage.


Anspruch[de]
Einlage für eine Hohlladung, deren Zusammensetzung mehr als 90 Gew.-% pulverförmiges Wolfram und bis zu 10 Gew.-% eines pulverförmigen Bindemittels enthält und zu einem im Wesentlichen konischen Formkörper geformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine kristalline Struktur von im Wesentlichen äquiaxialen Körnern einer Korngröße zwischen 25 nm und 1 &mgr;m aufweist. Einlage nach Anspruch 1, bei der die Korngröße der Zusammensetzung 25 bis 100 nm beträgt. Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zusammensetzung der Einlage als roher Pressling formgepresst ist. Einlage nach Anspruch 3, bei der das Bindemittel ein nanokristallines pulverförmiges Metall umfasst. Einlage nach Anspruch 4, bei der das Bindemittel unter Blei, Kupfer, Tantal und Molybdän sowie Kombinationen davon ausgewählt ist. Einlage nach Anspruch 3, bei der das Bindemittel ein nanokristallines pulverförmiges nichtmetallisches Material umfasst. Einlage nach Anspruch 6, bei der das Bindemittel ein polymeres nichtmetallisches Material ist. Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Bindemittelmaterial als Beschichtung des Wolframs vorliegt. Einlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Zusammensetzung der Einlage gesintert ist. Einlage nach Anspruch 9, bei der das Bindemittel nanokristallines pulverförmiges Kupfer, Nickel, Eisen und Cobalt sowie Kombinationen davon umfasst. Hohlladung, die ein Gehäuse, eine Menge eines hochexplosiven Sprengstoffs, die in das Gehäuse eingesetzt ist, sowie eine Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, die so in das Gehäuse eingesetzt ist, dass sich der hochexplosive Sprengstoff zwischen der Einlage und dem Gehäuse befindet.






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