JPH03502232A - 防具材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば、球形弾丸の徹甲弾およびその破片から兵員および機器を防護 するのに用いられる防具材料に関する。このような防具は、兵員がこれを着用し 、あるいは車両、ヘリコプタ−１または航空機の構造物においては、例えば扉パ ネルあるいは操縦席のライニングに用いられる。

従来の技術として、酸化アルミニウムすなわちアルミナのタイルをエネルギー吸 収性の裏材に接着した防具材料が提案されている。この従来の技術による防具系 統の作用の原理は複雑であって、充分理解されてはいないが、一般に受容されて いる理論は、これを用いた場合、弾道発射体がセラミックのタイルに打撃を与え 、相当に緻密かつ堅牢なこの材料に運動エネルギーを伝達し、タイルに衝撃波が 発生すると、これによって、セラミック材料に多数の破面が生じるというもので ある。

この従来の技術による防具材料には、かなり重いことなど、各種の欠点がある。

アルミナによるセラミック材料は、密度が３．４〜３．９　Ｘ　１０”ｋｇ／ｍ ”の範囲であって、複合防具材料の総重量の少なからぬ部分を占める。このよう な相当に高密度および高硬度という性質は、破砕することによって発射体の運動 エネルギーを吸収せねばならない材料に、不可避の特徴と見なされているが、よ り軽く、かつ好ましくはより柔軟であって、加工および切断が容易な材料に対す る要求は、（特に航空機業界においては）当然存在する。

ここに、密度が３．４　Ｘ　１０”ｋｇ／ｍ”以下であるのに、これを組み込ん だ複合防具に対する弾道発射体の貫通を防ぐという面で、ビッカース硬さの数字 が実質的にアルミナの１７２乃至１／３であって、アルミナよりも著しく硬度が 低いにもかかわらず、（負荷に対する重量として比較した場合に）アルミナと対 等またはそれ以上の性能を有する一群の材料が存在することを、発明者らは見出 した。

本発明によれば、請求の範囲に規定される防具材料が提供される。本発明はまた 、上記の防具材料に用いるための防具材料の製造方法をも提供する。

後述の好適実施例においては、ガラスの熱処理による制御された結晶化を用い、 それによって、防具材料に使用した際に、弾道発射体による衝撃を受けて、多数 の破面の発生が促進されるガラスセラミック組成物が製造される。

熱処理の方法は、 （ａ）ガラスを、当該材料の熱分析または電子顕微鏡的手法によって決定される 核生成温度、すなわち、ガラス体内部に核が形成される温度に、１０時間まで保 つ段階と、（ｂ）温度を、微粒子結晶が最高結晶形成速度で得られるよりも高密 度となるような量だけ、前記最高結晶形成速度の温度を多少とも下回るのが好ま しい結晶化温度まで、核生成温度から上昇させる段階と、 （ｃ）温度を結晶化温度に１０時間まで保つ段階と、（ｄ）ガラスセラミックを 、過度の残留応力が回避されるような速度、例えばこれを内包するキルンの自然 冷却速度で冷却する段階 とからなる。

本発明の防具材料の製造における熱処理の段階には、材料中の音速を最大化し、 あるいは少なくとも著しく速める効果がある。この指標が、防具材料の弾劾性能 の最適化に直接結び付いていることは、発明者らの発見であるが、これは、この 種の材料の取り扱いに関する上記従来の技術の理論からすると、少なからず意外 なことであった。

上記により、本発明の防具材料の弾劾特性は、その材料中の音速に関係し、ひい ては、密度に対するその弾性率の逆２乗比に関係するのであり、したがって、材 料の硬度に単純に関連付けられるわけではないことが理解されよう。

本発明の方法の一部を形成する熱処理工程によって、優れた弾道性能が得られる ような制御された結晶化が可能となる。このような性能は、特定のガラス組成物 、および目標に関する弾道実験を用いてこれを試験するのが好ましい。

添付の図面は、発射体による打撃を受けた瞬間の、複合防具材料の断面を示して いる。

本図は、発射体（１０）が、まさにガラスセラミック層（１２）に衝撃を与えた ところで、この層は、ガラス、ケブラー（ｋｅｖｌａｒ　：商品名）、あるいは 炭素による繊維など、引張強さの大きい繊維を埋め込んだ合成樹脂からなるエネ ルギー吸収層（１６）に、その表面（１４）全体が接着されている。

図示の通り、ガラスセラミック層（１２）は、発射体との接点（２０）から放射 状に広がる円錐形の破面（１８）を生じる。これには、運動エネルギーを、弾丸 よりもはるかに広い面積にわたるセラミックの破片に伝達するという効果がある 。

弾丸が侵入を続けると、裏張り材料に接着されたまま残存するガラスセラミック の破片粒子によって、それ自体も実質的に破壊されて、非常に微細な金属破片と なる。発射体およびタイルから生じたこの微細破片が真張り材料（１６）に吸収 されると、裏張り材料は変形し、しばしば薄片となって剥離する。

このようにして、弾丸の運動エネルギーは吸収され、弾丸が裏材を貫通する場合 の効果と比較すると、人体および機材に生じる損害は最小限に止められるのであ る。

ここで、裏材層（１６）に接着されるタイル（１２）の製造について説明する。

ガラスセラミック材料を用いて成形されるタイルおよび適切な形状の物体は、慣 用のガラス熔融および成形操作によってこれを成形することができる。そのため には、ガラスをタンクあるいはるつぼ中で熔融させ、適当な方法を用いてプレス 型に鋳込む。材料を必要な厚さにプレス加工し、次いで、プレス型から取り出し て熱処理用のキルンに送り込み、上記の要領で制御された結晶化を行う。熱処理 後は、タイルその他の形状の物体を室温まで冷却する。

このようにせずに、成形後にガラス組成物を室温に焼鈍することも、ときには可 能であり、熱処理および結晶化段階を、その後に施すこともできる。この手順に 従う場合は、タイルあるいは物体にダイヤモンド切削を施して、好適な形状とし 、あるいは、更にプレス加工、ドレープ法、あるいは真空吸引法を用いて、所望 の形状に熱成形することさえ可能である。このようにして、二重の曲率半径を有 する形状のもの、例えば胸当て防具の製造が可能となる。

成形段階に次いで、タイルまたは成形された物体に上記の熱処理を施して、制御 された結晶化を行う。これに代えて、中間に冷却段階を置くことなく、熱成形お よびプレス加工後、直ちに物体に熱処理および結晶化段階を施すこともできる。

ガラスセラミック材料を用いた均一なシートのその後の成形方法としては、例え ばフルコールの垂直圧延法、あるいは熔融スズ上にガラスの帯を浮かせるなどの 方法を用いて、熔融物から連続的なシートを引き延ばし、かつ圧延する方法があ る。

結晶化させる熱処理の間に連続的なシートを直接取り出すのが望ましい場合がほ とんどであるが、組成物によっては、中間的な冷却段階を通して焼鈍を施し、次 いで熱処理を加えることが可能なこともある。

耐火性が高く、熔融成形が困難となるような温度対粘性の関係を有するガラスセ ラミック材料もある。このような組成物に制御された結晶化を行って、最適の弾 劾特性を得るには、フリットとして生成し、磨砕して粉末とし、次いでプレス加 工および焼結を行い、あるいは熱プレス加工を施し、その後、上記に規定した必 要な熱処理段階を実施することができる。

熱処理を施して制御された結晶化を行うことが可能であって、かつ弾劾特性が改 善された本発明のガラスセラミック材料が得られるガラス組成物としては、次の ものがある。

１、ケイ酸亜鉛リチウム ２、アルミノケイ酸リチウム ３、アルミノケイ酸亜鉛リチウム ４、ケイ酸マグネシウムリチウム ５、アルミノケイ酸マグネシウムリチウム６、アルミノケイ酸マグネシウム ７、アルミノケイ酸マグネシウムカルシウム８、ケイ酸亜鉛マグネシウム ９、ケイ酸亜鉛マグネシウムカルシウム１０、アルミノケイ酸亜鉛 １１、リン酸カルシウム １２、シリコリン酸カルシウム １３、ケイ酸バリウム ガラスセラミックの微細構造を制御して、最適の弾道特性を得るために、これら の組成物に添加物を加えることもできる。

このような添加物としては、 Ｂ２Ｏ３、Ｎａ、Ｏ１Ｋ！Ｏ，ＰｌｏＢ、ＣｅＯ，、ＴｉＯ＊、ＺｒＯ＊、ＷＯ ｌ、Ｃｒ、０．、Ｆｅ１ｏｎ、Ｆｅ、０．、Ａｓ、Ｏ，、Ｓｂ、０．、ＭＯ，、 ＢａＯ１ＳｒＯがある。

組成物を熔融して添加材料を混入させる方法は、ガラスの個々の系によって異な る。ガラスが導体である場合、あるいはガラスに、温度を上げると導体となるよ うにドーピングを施すことができる場合は、ジュール効果による熔融によって、 最良かつ至適の結果が得られる。この場合、初めに輻射熱を用いてガラスまたは その窯を予熱して伝導性を生じさせ、次いで、熔融物中に沈めた電極からガラス に電流を通すことによって熔融工程を維持する。

常用される組成物のうちでは、モリブデンが電極材料として用いられるが、それ は、これがガラスに多少溶解しても、ガラスセラミックの微細構造に悪影響を及 ぼすことがないからである。他の電極、例えば酸化スズ（■）、鉄、白金、ある いは炭素も、特定の場合には用いることができる。この方法を用いると、いわゆ るコールドトップを用いてタンク窯を稼働させることも可能となる。コールドト ップの操作の場合、低温のパッチブランケットを熔融ガラス上にかぶせておく。

これは、ｔ、ｉ、ｏ、Ｂｏｏ＠、およびＰ２Ｏ，などの材料の損失は、ガラスセ ラミックの微細構造および特性に著しく影響するので、それらの揮発を防ぐため である。

次に、上記のエネルギー吸収性裏材との複合構造として用いた場合に、弾道発射 体、すなわち「球形弾丸」に関して充分な特性を有するガラスセラミック組成物 の特定の実施例４例について述べる。

１：アルミノケイ　　　リチウム ガラスの組成　　　　　　　　　　重量％シリカ　　　　　　　　　　　　　７ ２酸化リチウム　　　　　　　　　　ｌＯ酸化亜鉛　　　　　　　　　　　　　 ５アルミナ　　　　　　　　　　　　　７このガラスには、合計が１００％とな るように、各種の添加物を次の比率で加えることができる。

添加物　　　　　　　　　　　　　重量％酸化ナトリウム　　　　　　　　　０ ．１〜５酸化カリウム　　　　　　　　　　０．１〜６五酸化リン　　　　　　 　　　　　０５〜５酸化セリウム（ＩＶ）　　　　　　　　　０．１〜３酸化鉄 　　　　　　　　　　　　　０．１〜２特定の実施例においては、次の組成を用 いた。

（以下余白） 成分　　　　　　　　　　　　　　重量％ＳｉＯ□　　　　　　　　　　　　　 　７２ＬｉｓＯ１０ Ｚｎ０　　　　　　　　　　　　　　　５Ｋｔ０　　　　　　　　　　　　　　 　３．ＯＡｉ＊ｏｓ　　　　　　　　　　　　　　７．４ｐｒｏｓ　　　　　　 　　　　　　　　　２．４Ｆｅ、０．　　　　　　　　　　　　　０．２この組 成物は、密度が２．４５　Ｘ　１０”ｋｇ／ｍ”で、ヌープ硬さが５８０±５． ４点曲げ強さが２２０ＭＰａ、かつ弾性率が１０４ＧＰａであった。

制御された結晶化を行うためのこの組成物の熱処理は、次の要領でこれを実施す る。

この材料によるタイルを、５４８℃の核生成温度でキルンに装荷する。タイルを この核生成温度に１〜８時間保つ。次いで、キルンの温度を毎分４℃上昇させて 、制御された結晶化のための温度である８５５℃に到達させる。この後者の温度 に１時間保ち、その後、キルンの自然冷却速度で冷却する。

２：アルミノケイ　１チウム ガラスの組成　　　　　　　　　　重量％シリカ　　　　　　　　　　　　　７ １．０酸化リチウム　　　　　　　　　　　１２．０アルミナ　　　　　　　　 　　　　　１３．０弾動特性を最適化するために、各種の材料の添加を行った。

この実施例では、組成物を電気熔融し、次の組成物が得られた。

成分　　　　　　　　　　　　　　重量％５ｉｎｓ　　　　　　　　　　　　　 　　７１Ｌｉ＊０　　　　　　　　　　　　　　１２．ＯＡ１倉０−１３ ＰｚＯｓ　　　　　　　　　　　　　　　２．５Ｃｅ０．　　　　　　　　　　 　　　　１．０Ｆｅ、０．　　　　　　　　　　　　　１．０ＢａＯＯ、５ この組成物は、密度が２．４　Ｘ　１Ｇ”ｋｇ／がで、ヌープ硬さが５３５±５ ．４点曲げ強さが２５０ＭＰａ、かつ弾性率が８８ＧＰａであった。

上記組成物を用いて成形されたタイルに対する熱処理は、次の通りである。すな わち、タイルを５６０℃の核生成温度でキルンに装荷し、この温度に１〜８時間 保つ。次いで、キルンの温度を毎分５℃上昇させて８７４℃に到達させ、この制 御された結晶化のための温度に２時間保ち、その後、キルンの自然冷却速度で室 温に冷却する。

３：アルミノケイ　マ　　シウム ガラスの組成　　　　　　　　　　重量％酸化マグネシウム　　　　　　　　　 １３．１酸化アルミニウム　　　　　　　　３３．２シリカ　　　　　　　　　 　　　　３６５ジルコニア　　　　　　　　　　　　１７．２このガラスは、１ ，６５０℃の輻射熱を用いて熔融したものである。ガラスを鋳型成形によってタ イルとしてから、次のような熱処理を施す。

初めに、熔融温度から９００℃の核生成温度に冷却する。この温度を、非常に短 時間あるいは瞬間的に保ち、次いで、タイルを１，１００℃の炉に送り込み、制 御された結晶化のための温度で１時間保つ。次いで、これを炉の自然冷却温度で 冷却する。

得られた材料は、密度が３．Ｉ　Ｘ　１０”ｋｇ／がで、ヌープ硬さが１．１０ ０．４点曲げ強さが２２９ＭＰａ、かつ弾性率が１５０ＧＰａであった。

４：アルミノケイ　マ　　シウムカルシウムガラスの組成　　　　　　　　　　 重量％酸化カルシウム　　　　　　　　　　５．０酸化マグネシウム　　　　　 　　　　　８．４アルミナ　　　　　　　　　　　　２６．５シリカ　　　　　 　　　　　　　　４８，８二酸化チタン　　　　　　　　　　１１．０酸化クロ ム　　　　　　　　　　　　０．３このタイルの熱処理は、次の通りである。す なわち、これを７４５℃の核生成温度でキルンに装荷し、この温度に８時間保つ 。

次いで、温度を毎分３℃上昇させて、１，１５０℃の制御された結晶化の温度に 到達させ、３時間保つ。次いで、タイルをキルンの自然冷却速度で冷却する。

得られた材料は、密度が２．７　Ｘ　１０”ｋｇ／ｍ”で、ヌープ硬さが６０８ ．４点曲げ強さが１７５ＭＰａ、かつ弾性率が１０５ＧＰａであった。

発明者らは、本発明の好適実施例において、シード、石、およびコードの存在を 最小限に止めるよう配慮することによって、ガラスセラミック材料の律動特性を 更に向上させることが可能なことを発見した。これらの要因について順次考察す る。

シードは、閉じ込められたガスの微細な気泡であって、結晶化の促進のためには 、ガラスをその融点を僅かに下回る温度、例えば融点より１０〜１００℃だけ低 い温度に数時間の間保つことによって、熱処理の前にガラス組成物からこれを精 製除去しなければならない。

このように、ガスシードを精製除去して、得られる製品におけるガスシードの大 きさが、好ましくは直径０．２５ｍｍまたはそれ以下となるようにしなければな らない。

組成物に石が含まれないように保つことに関しては、キルンあるいは炉のライニ ングから混入して、製品の均質性を失わせ、かつ弱体化させる耐火物粒子の存在 を最小限に止めるのが望ましいことを、発明者らは確認した。

製品にコードが含まれないのは、この用語が、ガラスおよびガラスセラミックに おける成分上のばらつきのことであるからである。発明者らは、ガラス熔融体の 機械的な攪拌、例えば、熔融体にガスの気泡を通じること、あるいは、熔融体の 加熱に用いられる電極間の温度勾配を利用することによって、これを減少させる のが可能なことを確認した。

本発明の方法における結晶化に用いられるガラス組成物には、ある程度のコード とともに、少量のシードおよび石がどうしても含まれるのが常である。

ガラスセラミック組成物の品質管理に関係するその他の要因としては、核生成剤 として遷移金属を用いた場合、熔融体中でこれらの金属のイオンの原子価が最高 である状態に保つのが、非常に望ましいということがある。したがって、酸化的 な条件下で、例えば過剰な空気とともに電気熔融を用いることによって、熔融お よび加熱の処理を行うのが好ましく、還元的雰囲気を生じることから、キルンの ライニングの有機材料の存在と同様に、化石燃料のガスも避けなければならない 。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成２年５月１０日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．エネルギー吸収層（１６）と、セラミック材料またはその類似物の層（１２ ）とからなり、前記の層（複数）が積層状のアセンブリを形成している防具材料 であって、 前記セラミック材料の層（１２）が、アルミナを著しく下回る硬度のガラスセラ ミック組成物で構成され、かつ前記ガラスセラミック組成物が、対応するガラス の熱処理による制御された結晶化を用いて製造され、それによって、前記防具材 料に使用した際に、弾道発射体による衝撃を受けると、多数の破面の発生が促進 されるようになっていることを特徴とする防具材料。 ２．アルミナを著しく下回る硬度のガラスセラミック組成物からなる防具材料。 ３．対応するガラスの熱処理による制御された結晶化を用いて製造され、それに よって、防具材料に使用した際に、弾道発射体による衝撃を受けると、多数の破 面の発生が促進されるようになっていることを特徴とする防具材料。 ４．セラミック材料が、 １．ケイ酸亜鉛リチウム ２．アルミノケイ酸リチウム ３．アルミノケイ酸亜鉛リチウム ４．ケイ酸マグネシウムリチウム ５．アルミノケイ酸マグネシウムリチウム６．アルミノケイ酸マグネシウム ７．アルミノケイ酸マグネシウムカルシウム８．ケイ酸亜鉛マグネシウム ９．ケイ酸亜鉛マグネシウムカルシウム１０．アルミノケイ酸亜鉛 １１．リン酸カルシウム １２．シリコリン酸カルシウム、および１３．ケイ酸バリウム よりなる群から選択されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の防 具材料。 ５．ガラスの熱処理が、 （ａ）ガラスを、当該材料の熱分析または電子顕微鏡的手法によって決定される 核生成温度、すなわちガラス体内部に核が形成される温度に１０時間まで保つ段 階と、（ｂ）温度を、微粒子結晶が最高結晶形成速度で得られるよりも高密度と なるような量だけ、前記最高結晶形成速度の温度を下回るのが好ましい結晶化温 度まで、核生成温度から上昇させる段階と、 （ｃ）温度を結晶化温度に１０時間まで保つ段階と、（ｄ）ガラスセラミックを 、過度の残留応力が回避されるような速度、例えばこれを内包するキルンの自然 冷却速度で冷却する段階 とからなることを特徴とする請求項１記載の防具材料。 ６．熱処理が、使用に際して弾道発射体（１０）による衝撃を受ける点（２０） からガラスセラミック組成物の円錐形の破面（１８）が発生するのを促進する制 御された結晶化であるような熱処理であることを特徴とする請求項１〜５のいず れかに記載の防具材料。 ７．ガラスセラミック組成物に次の酸化物、すなわち、Ｂ２Ｏ３・、Ｎａ２Ｏ、 Ｋ２Ｏ、Ｐ２Ｏ５、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＷＯ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ａｓ４Ｏ６、Ｓｂ４Ｏ６、ＭＯ３、ＢａＯ、ＳｒＯの１種 類またはそれ以上が含まれることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の 防具材料。 ８．エネルギー吸収層の層（１６）が、繊維で補強された複合材料からなること を特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の防具材料。 ９．繊維で補強された複合材料が、天然または合成重合体または樹脂に、あるい は上記のものと他の材料、例えば皮革との積層状のアセンブリに組み込まれ、あ るいは埋め込まれた強靱な繊維からなることを特徴とする請求項８記載の防具材 料。 １０．強靱な繊維が、ガラス繊維または炭素繊維、あるいはケプラーであること を特徴とする請求項９記載の防具材料。 １１．請求項１〜１０のいずれかに記載の積層状のアセンブリに用いるための防 具層であって、アルミナを著しく下回る硬度のガラスセラミック組成物からなり 、かつ、前記ガラスセラミック組成物が、対応するガラスの熱処理による制御さ れた結晶化を用いて製造され、それによって、防具材料に使用した際に弾道発射 体による衝撃を受けての多数の破面の発生が促進されることを特徴とする防具層 。 １２．エネルギー吸収性の裏材とともに積層状のアセンブリに用いるための防具 層の製造方法であって、ガラス材料を選定する段階と、これに熱処理による制御 された結晶化を施し、それにより、防具材料に使用した際に、弾道発射体による 衝撃を受けての多数の破面の発生が促進されるようにする防具層の製造方法。