JP2005520116A - 構造用複合装甲及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

複合装甲（１０）及びその製造方法とする。装甲（１０）は、多角形の開口部（１４）及び向かい合って面する側面（１６、１８）を備えたハニカム心材（１２）を有する。それら開口部の少なくとも幾つかの中にはインサート（２０）が入れられる。一対のシート（２２、２４）が、開口部を封止し、それによって衝撃後の破片くずを封じ込め、また補強するようにして、ハニカム心材の向かい合って面する側面にそれぞれ固定される。この複合装甲を製造するための一つの方法は、多角形の開口部を有するハニカム心材を提供するステップ、このハニカム心材の一方の面に位置する多角形の開口部を覆うようにして、シートを接着するステップ、開口部の少なくとも幾つかを樹脂で少なくとも一部充填するステップ、開口部のこの少なくとも幾つかの中にインサートを入れるステップ、及びこのハニカム心材の反対側に面する側面に外側用面シートを接着するステップを含む。好ましい製造方法は樹脂注入法を用いる。

Description

本発明は、入射する投射物によって衝突時に伝達される運動エネルギーを吸収し、また入射する投射物の貫通を制限するための構造用複合装甲、及びその製造方法に関する。

従来の車両用装甲は、金属、セラミック、複合材料などの材料から作られる剛性の板及び／又はパネルの配備を必要とする。理想的には車両及びそれらの構成部品を保護するために使用される材料は、飛来する投射物に対して保護を与えると同時に軽量である。実際に使用される場合、装甲は入射する投射物に影響を及ぼし、それによって装甲板の貫通が避けられる。昔からこのような保護構造体により、投射物や、その装甲を形作っている材料に由来する破片又は細片が、装甲の背後の部分に生じた開口部を通って貫通するのを防止している。

運動エネルギーの伝達は、複数の機構の組合せによって起こる。その機構のうちの一つは、装甲が十分な厚さを有する場合に起こり、その材料は、飛来する投射物を妨害し、貫通できない防壁を与えるようにして、選択される。しかしながらこのような方法は、容積及び重量について不利な結果をもたらす。別の機構は、入射する投射物を、侵食、破裂、又は旋回させることによって、そのルートを変える場合に起こる。第三の機構は、その衝撃面積を広げ、それによって単位面積当たりの力を減少させるようにして、飛来する投射物を変形又は撓ませることを伴う。

しかしながらこのような保護の機構は、相反する要素の混ざった結果を生んでおり、理想的な装甲板、すなわち剛性、強度、低密度、耐衝撃性、及び製造しやすさと有利な製造コストという属性を有する装甲板の探求が続いている。

裏張り材料としてのＫＥＶＬＡＲ（登録商標）のような材料に接合されたセラミックタイルは、ある種の徹甲弾に対して有効な可能性があることが知られている。広義には用語「セラミック」には、金属及び合金を除くある種の無機材料が含まれる。セラミックスの形態は、ガラスから高密度多結晶質物質まで及ぶことができる。一般に弾道用セラミックス（装甲用セラミックス）は脆く、ほとんど線形の応力−ひずみ曲腺を示す。このような材料は、しばしば引張強さを上回る圧縮強さが特徴である。装甲用セラミックスには、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）などが含まれる。

セラミックスの硬さは、入射する投射物の崩壊を起こすことによって、その貫通を低減させる。粉砕後、投射物の残余の破片は理想的には、装甲裏張り材料（細片／破片用ライナー）により拘束される。従って従来の技術は、飛来する投射物を逸らせ、破壊するセラミック層を含み、一方で裏張り材料が、残余の投射物及び破片を拘束する。

従来の技術の例は、それぞれＫｉｂｂｕｔｚ Ｋｆａｒ Ｅｔｚｉｏｎ及びＭｏｆｅｔ Ｅｔｚｉｏｎに譲渡されている米国特許第５，７６３，８１３号及び第６，１１２，６３５号である。この第５，７６３，８１３号特許は、重ね合わせた列の状態に固化した材料によって直接に接合及び保持されたセラミックペレットの単一の内層から本質的になるパネルを有する複合装甲材料について開示している。大部分のペレットは、少なくとも４個の隣接したペレットと接している。このような方法は、ペレットの配列の位置決めにおいて、特にパネルの縁の周辺に、また装甲板によって保護される支持体にパネルを取り付ける箇所の周辺に、むらを引き起こす。局所的な弱点の結果、若干の非等方性が生ずる。このような方法はまた、複数回打撃性能の改良の機会を残す。

また１９６９年２月１２日公開の英国特許第１，１４２，６８９号から、複合軽量装甲板の他の形態も、効果がある可能性があることが分かる。この参考文献は、プラスチックの基質中に埋め込んだエネルギー消散用球体について開示している（同、８５〜９０行）。米国特許第６，１１２，６３５号は、固化した材料によって板状に保持された高密度セラミックペレットの単一の内側層を有する複合装甲板について開示している。本発明に関連する調査中に注目された他の従来の技術には、Ｔａｍｕｒａの米国特許第３，５７７，８３６号、ＭｃＤｏｕｇａｌ他の同第３，７０５，５５８号、Ｎｏｒｔｏｎの同第４，１９８，４５４号、Ｍｉｇｕｅｌの同第４，４０４，８８９号、Ｂｒｏｗｎ他の同第４，５２９，６４０号、Ｐｒｉｃｅ他の同第４，８８０，６８１号、Ｖｉｖｅｓの同第５，２２１，８０７号、Ｂａｋｅｒ他の同第５，３１０，５９２号、Ｄｕｎｎの同第５，３４９，８９３号、及びＷｉｌｓｏｎの同第６，０３０，４８３号がある。

本発明の目的は、入射する投射物について装甲の背面を貫通する破片くずの侵入に対する防壁を与えることになる構造用複合装甲を提供することである。

より詳細には本発明の目的は、複数個の多角形の開口部と、前記複数個の開口部の両側に向かい合って存在する側面とを有するセル状構造物を含む、複合装甲を提供することである。これら開口部によって、インサートを収容する。開口部を封止するために、一対のシートを、そのセル状構造物の向かい合って面する側面に固定する。

本発明を実施する好ましい形態には、その製造方法が含まれる。

本発明の目的、特徴、及び利点は、添付の図面に関連して行う本発明を実施するための最良の形態に関する下記の詳細な説明から、容易に明らかになる。

まず図１〜２に目を向けると、セル状構造物を有し、好ましくは複数個の多角形の開口部１４と、複数個の開口部１４の両側に向かい合って存在する側面１６、１８とを有するハニカム心材１２の形態の、複合構造用装甲１０が図示されている。より好ましくはこの多角形の開口部１４は、六角形の形である。開口部１４内には、衝撃時に投射物の運動エネルギーを変換させるためのインサート２０（図１）が収容される。一組の布帛又は予備成形シート２２、２４が、これら開口部を封止するためにセル状構造物の向かい合って面する側面１６、１８（図１）にそれぞれ固定される。この開口部中には、化学的、物理的及び環境的耐久性を与えるために、また破片くずを封じ込めるために、また構造的に補強するために、インサート２０が入れられる。

構造用装甲中にセル状構造物を取り込むことには幾つかの利点がある。第一に、それはインサート２０のむらのない配置を生み出す。次に設計者は、各インサートをパネル内のどこに位置決めするかが分かる。これは、設計者がハニカム心材１２を用いてパネルを作る場合には常に、ハニカム心材がインサート間に均等に間隔をあけることによる。第二に、ハニカム心材１２は、せん断力を、耐久性カバー（前面）２４から、細片／破片用ライナー（背面）２２へ移動させ、それによってパネルの曲げ剛性を著しく高める。その結果、米国特許第５，７６３，８１３号に開示された基準装甲とは違って、ハニカムパネルは構造的負荷を支えることが可能である。第三に、ハニカムのセルは、隣接するインサートを完全に隔離する。基準装甲では、隣接するインサートが密着している。この基準装甲が強い衝撃を受ける場合、衝撃波は、インサートを束縛する基質材料がその衝撃波を減衰させるまで、衝撃の領域周辺に複数インサートを通って伝播する。散逸性樹脂系を有するハニカムを用いてインサートを完全に隔離する場合、衝撃波はずっと速やかに減衰し、その結果、損傷を受けるインサートの数は減少する。これは、その装甲システムの複数回打撃性能を改良する。

各インサート２０は、好ましくはセラミックから作られ、中間部分２６を有する。一実施形態においてインサート２０は、丸みのある形状の本体部分を有する。更に好ましい実施形態においては、両端２８、３０がほぼ凸面であり、それぞれセル状構造物の向かい合って面する一対の側面１６、１８に隣接して位置決めされる（図１）。

一実施形態ではハニカム心材１２は、ステンレス鋼、アルミニウム、アラミドシート、Ｒｉｃｈｍｏｎｄ，ＶＡのＤｕＰｏｎｔ社から商標ＮＯＭＥＸ（登録商標）で販売されているものなど繊維又は布帛、フェノール樹脂、及び類似の材料からなる群から選択される材料で作られる。

別の実施形態では複合装甲は、セル状構造物１２の開口部１４内に入れられている充填材を含み、インサート２０がその充填材中に埋め込まれている。好ましくは充填材は、樹脂及び発泡体からなる群から選択され、最も好ましくは樹脂である。

図２に示すようにして、別の実施形態では、一対のシート２２、２４を、接着剤２６によってセル状構造物１２の向かい合って面する一対の側面１６、１８に固定する。外側用シート２４は一般には環境に曝され、保護又は耐久層からなる。向かい合う内側用シート２２は、一次構造用積層体である。これには細片／破片用ライナーが組み込まれる。外側の耐久層２４は、破片用ライナーを含む構造用積層体又は内側の層２２と比べて薄い。

続いて図１〜２を参照すると、この構造用装甲の製造方法が図示されている。まず、ハニカム心材１２のようなセル状構造物を用いて、インサート２０を単位セル構造内に整列する。好ましくは単位セルは、正六角形に該当する寸法を有する。ある別の方法では、次いでハニカム心材１２を、構造用樹脂系で充填する。これは、間隙を充填するだけでなく、ハニカム心材に加えてせん断力伝達材料を供給することによって、吸湿、核物質、生物学的作用、化学的作用、硬さ、又は汚染除去に関する問題を改善する目的にかなう。別の方法では、得られる複合装甲の密度を更に低減するために、構造用樹脂の代わりに軽量の合成発泡体が組み込まれる。別の実施形態では、間隙空間を、どのような樹脂又は構造用発泡体又は同等の材料によっても塞がない。

次いで、充填されたハニカム心材１２を、複合材料外側用シート２２、２４（図２）と接合するか、又はＦＭ７３Ｋなどの高強度接着剤を用いて外側用シートと共硬化させる。この接着剤は、Ｗｅｓｔ Ｐａｔｅｒｓｏｎ， Ｎｅｗ ＪｅｒｓｅｙのＣｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから入手できる。

外側用シート２２、２４は、耐久性カバーの必要に応じて、あるいは細片及び／又は破片用ライナーの必要に応じて、厚さを変えることができる。

別の、だが好ましい加工方法を図３に示す。この方法は、パネル注入の減圧促進樹脂トランスファー成形（Ｖａｃｕｕｍ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ（ＶＡＲＴＭ））法に関する更なる製造効率を与える。ＶＡＲＴＭ法は、比較的費用のかからない片面用の装置と真空圧を用いて、樹脂を繊維予備成形品に注入する。

このプロセス（図３）では、繊維予備成形品（又は布帛の層）を、片面成形用装置中に置く。ハニカム材料を予備成形品に適用し、インサート材料を充填する。次いで布帛の追加層（又は別の予備成形品）を、そのパネルの上面に適用する。次いでこの完全な組立体を真空バッグし、ＶＡＲＴＭプロセスを用いて構造用樹脂を注入する。

このプロセスは、破片又は細片用ライナーに同時に樹脂を注入することを可能にし、追加の接着剤又は機械的留め具の必要性を減らす。これに加えてこの方法は、従来の技術の方法を凌ぐ耐環境性及び耐薬品性の改良と共に、構造的性能の利点を提供する。更にこの構造用装甲は、標準的な切断砥石車を用いて機械加工することができる。これは、大型の容易に生産されるパネルから、完全な製品の形状寸法を機械仕上げする機会を与える。

最初の構造的及び弾道学的試験の結果、これら開示した方法は、従来のアップリケ・パネルに取って代わるだけでなく、弾道学的複合構造体として将来的な乗り物に使用できることが実証された。

従って本発明には、衝撃吸収媒体の比較的等方性の一様な空間的分布を可能にする制御されたセル状構造物が含まれる。このセル状構造物では、インサートの配列位置に極めてわずかなむらしかない。複合装甲パネルを保護用の支持体に取り付ける場合、例えばボルト穴が設けられる取付け箇所を、セル状構造物の１又は複数個の六角形の開口部を通して位置決めすることができる。

先に参照した延性−脆性の移行の結果、衝撃から生ずる衝撃波は、衝撃力に直交して存在する平面内で（装甲の厚さ方向ではなく装甲の平面内で）減衰する。その結果、隣接するインサートの損傷は比較的少ない。これは部分的には、インサートが延性のセル状構造物により分離されているので隣接するインサート間で直接の接触がないためである。それゆえ複数回打撃性能もまた改良される。

本発明の実施形態を図示し、また記述してきたが、これらの実施形態は本発明のすべてのあり得る形態を図示し記述することを意図していない。本明細書中で用いられる文言は、制限ではなく説明のための文言であり、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができるものと解釈される。

図２の切断面線１−１に沿って取った、本発明により構成される複合装甲の断面図である。 ハニカム心材の複数個の六角形の開口部内に収容されたインサートを備えている、複合装甲の製造の主なステップを示す概略組立図である。 本発明の別の製造方法の概略組立図である。

Claims (16)

1. 複数個の多角形の開口部と、前記複数個の開口部の両側に向かい合って存在する側面とを有する、セル状構造物、
   互いに間隔を空けて配置されるようにして、前記セル状構造物の複数個の多角形の開口部にそれぞれ収容されている、複数個のインサート、及び
   前記複数個の開口部を封止し、それによって化学的、物理的、及び環境的耐久性を与え、衝撃後の破片くずを封じ込め、且つ構造的に補強するようにして、前記セル状構造物の向かい合って面する側面にそれぞれ固定されている、一対のシート、
   を有する、複合装甲。
2. 前記セル状構造物が、ステンレス鋼、アルミニウム、アラミド繊維、フェノール樹脂等からなる群から選択される材料で作られている、請求項１に記載の複合装甲。
3. 前記インサートの少なくとも幾つかが、丸みのある形状の中間部分と、ハニカム心材の一対の向かい合って面する側面に近接してそれぞれ位置する凸形の一対の向かい合っている端部とを有する、請求項１に記載の複合装甲。
4. 前記セル状構造物の開口部内に配置されている充填材を更に有し、前記インサートがこの充填材中に埋め込まれている、請求項１に記載の複合装甲。
5. 前記充填材が、樹脂、発泡体等からなる群から選択される、請求項４に記載の複合装甲。
6. 前記セル状構造物がハニカム構造体を含む、請求項１に記載の複合装甲。
7. 前記インサートの少なくとも幾つかが、酸化アルミニウム、炭化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、金属、装甲用セラミック、及びこれらの混合物からなる群より選択される材料を含む、請求項１に記載の複合装甲。
8. 前記一対のシートの少なくとも一方が、金属カバー、プラスチック、強化複合材料、及びこれらの混合材からなる群より選択される材料を含む、請求項１に記載の複合装甲。
9. 前記一対のシートが、前記セル状構造物の外側用面に取り付けられている耐久性カバーと、前記セル状構造物の内側用面に取り付けられる内側用シートとを有し、前記内側用シートが、１又は複数層の一次構造用積層体と、１又は複数層の細片／破片用ライナーとを有する、請求項１に記載の複合装甲。
10. 前記ハニカム心材の向かい合って面する側面に前記一対のシートを固定する接着剤を更に有する、請求項１に記載の複合装甲。
11. 複数個の六角形の開口部と、前記複数個の開口部の両側に向かい合って存在する側面とを有する、セル状構造物、
    前記複数個の六角形の開口部にそれぞれ収容されている複数個のセラミックインサートであって、これらインサートの少なくとも幾つかが、中間部分を有し、且つ前記ハニカム心材の一対の向かい合って面する側面に隣接してそれぞれ位置する丸みのある形状の一対の向かい合っている凸形の端部とを有する、インサート、及び
    前記複数の開口部を封止するようにして、前記セル状構造物の向かい合って面する側面にそれぞれ固定されている、一対のシート、
    を有する、複合装甲。
12. 複数個の六角形の開口部と、前記複数個の開口部の両側に向かい合って存在する側面とを有する、セル状構造物、
    前記複数個の六角形の開口部にそれぞれ収容されている複数個のセラミックインサートであって、これらインサートの少なくとも幾つかが、筒形の中間部分を有し、且つ各インサートが、前記ハニカム心材の一対の向かい合って面する側面に隣接してそれぞれ位置する丸みのある形状の一対の向かい合っている凸形の端部を有する、インサート、
    前記ハニカム心材の開口部内に入れられており、前記セラミックインサートがその中に埋め込まれている、充填材、及び
    前記セル状構造物の向かい合って面する側面にそれぞれ接合されて、前記インサートが前記充填材に埋め込まれて収容されている前記セル状構造物の開口部を封止し、補強を行っている、一対のシート、
    を有する、複合装甲。
13. ステンレス鋼、アルミニウム、アラミド繊維、フェノール樹脂からなる群より選択される材料で作られており、且つ複数個の六角形の開口部と、前記複数個の開口部の両側に向かい合って存在する側面とを有する、セル状構造物、
    前記複数個の六角形の開口部にそれぞれ収容されている複数個のインサートであって、これらインサートの少なくとも幾つかが、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素、及びこれらの混合物からなる群から選択される材料を含み、またこれらインサートの少なくとも幾つかが、円柱形の中間部分を有し、且つ前記ハニカム心材の一対の向かい合って面する側面に隣接してそれぞれ位置する丸みのある形状の一対の向かい合っている凸形の端部を有する、インサート、
    樹脂及び発泡体からなる群より選択され、前記ハニカム心材の開口部内に入れられ、前記セラミックインサートがその中に埋め込まれている、充填材、及び
    前記セル状構造物の向かい合って面する側面にそれぞれ接合されて、前記インサートが前記充填材に埋め込まれて収容されている前記セル状構造物の開口部を封止し、補強を行っている、一対のシート、
    を有する、複合装甲。
14. 片面成形用装置中に、内部構造用積層体／破片用ライナーとしての繊維予備成形品を配置すること、
    前記予備成形品にセル状構造物を適用すること、
    前記セル状構造物の少なくとも一部にインサート材料を充填すること、
    外部耐久性カバーとしての１又は複数の布帛層を適用し、それによって前記セル状構造物上で構造用複合装甲を形成すること、
    前記組立体に構造用樹脂を注入し、それによって前記耐久性カバー、セル状構造物、及び構造用積層体／破片用ライナーに同時に、構造用樹脂を注入すること、
    を含む、複合装甲の製造方法。
15. 複数の多角形の開口部を有するハニカム心材を提供すること、
    前記ハニカム心材の一方の面に位置する前記多角形の開口部を覆うようにして、背面シートを接着すること、
    前記開口部の少なくとも幾つかを、樹脂で少なくとも一部充填すること、
    前記開口部の少なくとも幾つかの中に、１又は複数個のインサートを入れること、
    前記ハニカム心材の反対側面に、外側用シートを接着すること、
    を含む、複合装甲の製造方法。
16. 片面成形用装置中に、外部耐久性カバーとしての布帛の層を提供すること、
    前記布帛の層にセル状構造物を適用すること、
    前記セル状構造物の少なくとも一部にインサート材料を充填すること、
    前記セル状構造物上に内部構造用積層体／破片用ライナーとしての１又は複数の繊維予備成形品を適用すること、並びに
    前記組立体に構造用樹脂を注入し、それによって同時に前記耐久性カバー、セル状構造物、及び構造用積層体／破片用ライナーに同時に、樹脂を注入すること、
    を含む、複合装甲の製造方法。

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