JP2010210201A

JP2010210201A - 耐弾防護部材及び防護製品

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Publication number: JP2010210201A
Application number: JP2009059132A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Hananouchi; 裕隆花之内; Yuki Ninomiya; 有希二ノ宮; Toshiji Moriwaki; 淑次森脇
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】高速の飛来物に対し、安価で、かつセラミックスタイル接合面の隙間が小さく優れた耐衝撃性を有し、かつ、軽量である耐弾防護部材及び防護製品を提供する。
【解決手段】複数枚の曲面形状であるセラミックスタイル２と高強度繊維強化プラスチック３からなる耐弾防護部材1１であって、１つの軸に対して、セラミックスタイル２の接合面がすべて平行であることを特徴とする耐弾防護部材。
【選択図】図１

Description

本発明は耐弾防護部材及びそれを用いてなる防護製品に関する。

従来より、飛来する弾丸や砲弾等の破片から身体を防護するための防護製品が開発されおり、その１つとして複数のセラミックスタイルを配置することによって耐弾性を付与した防護製品がある。例えば、高強度繊維強化プラスチックからなる曲面形状成形物の表面に、裏面を高強度繊維強化プラスチックと同一の曲面形状に合せ、表面が平面であるセラミックスを所定数量組合せて並べ接着、固定する複合成形物が提案されている（特許文献１）。かかるセラミックスタイルの形状では、セラミックスタイル端面にテーパーを入れる必要がある（特許文献１の図３）。すなわち、端面にテーパーが入っていないセラミックスタイル（特許文献１の図１）では接合面に隙間を生じてしまい、耐弾性が劣るものとなるためである。しかし、端面にテーパーが入っているため同一の金型ではセラミックスタイルの厚さを変更できず、対象とする高速の飛来物それぞれに適した厚さとなるセラミックス成形用金型を製作する必要があり、製品価格が高価になるといった問題があった。

また、ヘルメットの表面層にセラミックスで構成された層を有する防護ヘルメットが提案されている（特許文献２）。かかる防護ヘルメットでは、ヘルメットの表層にセラミックを貼り付けるためにセラミックを特殊な形状とする（特許文献２の図３（Ａ）、図４）か、セラミックスタイル端面にテーパーを入れる（特許文献２の図３（Ｂ））必要がある。したがって、上記と同様の問題を抱えている。

特許第３２０７３３０号公報（請求項１、図１、図３）特開平９−１３８０９７号公報（特許請求の範囲、図３、図４）

本発明は、かかる従来技術に鑑み、高速の飛来物に対し同一の金型でセラミックスの厚さを変更することができるために安価で、かつセラミックスタイル接合面の隙間が小さく優れた耐弾性を有し、かつ、軽量であって身体等への装着物を構成する場合にも所望の機能を阻害せずに構成できる耐衝撃性部材及び防護製品を提供せんとするものである。

すなわち本発明は、複数枚の曲面形状セラミックスタイルと高強度繊維強化プラスチックとからなる耐弾防護部材であって、セラミックスタイルの接合面のすべてが任意の１つの軸に対して平行であることを特徴とする耐弾防護部材である。

また本発明は、本発明の耐弾防護部材を有してなることを特徴とする防護製品である。

本発明によれば、従来のものに比べ、安価で、かつセラミックスタイル接合面の隙間が小さく優れた耐弾性を有し、かつ、軽量である耐弾防護部材及び防護製品を提供できる。したがって、身体等への装着物を構成する場合には所望の機能を発揮させることが可能になり、また、車両、艦船、航空機の付加装甲に用いる場合にも、極めて優れた耐弾性を発揮することができる。

（ａ）本発明の好ましい態様における、耐弾防護部材の好ましい形状（シングルカーブ）の一例を表した断面模式図である。（ｂ）本発明におけるセラミックスタイルの好ましい態様の一例でを表した図である。（ｃ）本発明におけるセラミックスタイルの好ましい態様の別の一例でを表した図である。（ａ）従来技術の耐弾防護部材の形状（シングルカーブ）の一例を表した断面模式図である。（ｂ）及び（ｃ）は従来技術で使用されているセラミックスタイルの好ましい態様の一例の模式図である。本発明の好ましい態様における、耐弾防護部材の好ましい形状（シングルカーブ）の一例を表した図である。本発明の好ましい態様における、耐弾防護部材の好ましい形状（多面表面及び複心曲線から構成された形状）の一例を表した図である。本発明の好ましい態様における、セラミックスタイルの好ましい配置の一例を表した図である。本発明の好ましい態様における、セラミックスタイルの好ましい配置の別の一例を表した図である。本発明の好ましい態様における、セラミックスタイルの好ましい配置の別の一例を表した図である。本発明の好ましい態様における、セラミックスタイルの好ましい配置の別の一例を表した図である。

本発明の耐弾防護部材は、複数枚の曲面形状のセラミックスタイルおよび高強度繊維強化プラスチック（以下、「ＦＲＰ」とも表す。）からなる。セラミックスが自身の破壊により着弾の衝撃エネルギーを分散・吸収し、さらにＦＲＰが残る弾丸の衝撃エネルギーを吸収して弾丸の貫通を食い止める。

本発明の耐弾防護部材におけるセラミックスの材料としては、アルミナ類、窒化類、珪石類、ボロン類、マグネシア類等や、これらの混合焼成物を好ましく採用することができる。なかでも、耐弾性、軽量性、強度などの点から、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３、純度８０〜９９．９％）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）をより好ましく使用できる。

セラミックスの特性としては、耐弾性の面から、曲げ強度２５０ＭＰａ以上、弾性率３００ＧＰａ以上、ビッカース硬度１０００ＧＰａ以上であることが好ましい。

本発明の耐弾防護部材においては、１枚の防護製品について複数枚のセラミックスタイルを配列させてセラミックスタイル層を形成し、ＦＲＰと積層させる。本発明においては、複数枚の曲面形状のセラミックスタイルを配列させるために、配列する全てのセラミックスタイルの接合面（端面）の全てがある任意の１つの軸に対して平行であることが必須である（図１参照。）。ここで接合面が任意の１つの軸と平行であるとは、接合面に含まれる直線の１つが任意の１つの軸と平行であることを意味する。

このようなセラミックスタイルの接合面（端面）形状にすることで、乾式プレスによるグリーン成形時に容易にセラミックスタイルの厚さを変えることができ、対象とする高速の飛来物に合わせたセラミックスタイルの設計が可能となり、セラミックスタイル用金型の費用削減が図れる。また、隣り合うセラミックスタイルとの接合面に隙間が生じにくく、優れた接合面の耐衝撃性が得られ、特に多面表面及び複心曲線から構成された形状に有用である。

一方、隣り合うセラミックスタイルとの接合面に隙間を生じさせない方法としては、図２のような方法も有りうる。すなわち、各接合点における法線ベクトルにあわせて接合面を形成する方法であるが、特に多面表面及び複心曲線から構成された形状の場合、焼結時に生じたセラミックスタイルの歪みによって、テーパーのあるセラミックスタイル接合面に隙間が生じやすくなる。また、図２（ｂ）や（ｃ）のような従来のセラミックスタイルの場合、セラミックスタイル端面にテーパー（α）が入っているため、対象とする弾丸それぞれに適した厚さに容易に設計変更できない。すなわち、従来形状のセラミックスタイルの厚さを変更する場合、セラミックスタイル用金型を一義的に設計するか、あるいは必要とするセラミックスタイル寸法よりも大きなセラミックスタイルを製作、研削する必要が生じ、状況に合わせて厚さを変えるといった柔軟な対応は不可能である。

また、セラミックスタイルの正面形状としては、どのような形状でもよく、三角形、長方形、正方形、台形、５角形、６角形、円形等を採用することができ、耐連射性能や耐弾防護部材の形状に合わせ、適宜設計できる。例えば、耐弾防護部材の外寸が縦２０ｃｍ、横２５ｃｍの長方形な多面表面及び複心曲線から構成された形状である場合、正面形状が５ｃｍ角の正方形セラミックスタイルであれば２０枚を配置することになる。また、セラミックスタイルの厚さは、対象とする弾丸の構造や重量、速度、安全率などにより適宜選択するものとする。例えば、高速の飛来物が３０−０６Ｍ２ＡＰ弾の場合、アルミナセラミックスであれば７〜１３ｍｍの範囲内にあることが好ましく、ＮＡＴＯＭ８０弾の場合、アルミナセラミックスであれば４〜９ｍｍの範囲内にあることが好ましく、ＮＡＴＯＳＳ−１０９弾であれば３．５〜７ｍｍの範囲内にあることが好ましい。各飛来物に対し厚み未満であれば、十分な耐衝撃性能を付与できない。また、厚みを超えると満足できる耐衝撃性能を付与できるが、耐弾防護部材の重量が増す。

また、本発明のセラミックスタイルの製造方法として、一軸加圧成型あるいは冷間静水圧成型により成型後、焼結する方法や、ホットプレスにより焼結しながら成型する方法、鋳込み成型後、焼結する方法などをあげることができる。

また、本発明でいう曲面形状セラミックスタイルとは、おもて面及び裏面がいずれも曲面形状であるセラミックスタイルをいう。曲面形状は、セラミックスタイルのある一方向にのみ概ね同一の曲率を有する形状（シングルカーブ）でもよく、多面表面及び複心曲線から構成された形状（マルチカーブ）でもよいが、特にセラミックスタイルの厚さが均一で、かつ、多面表面及び複心曲線から構成された形状のものが本発明の効果が大きい。また、セラミックスタイルのおもて面及び裏面は同一の曲面形状であることが好ましく、さらに積層するＦＲＰの曲面形状にと同一に合わせることも好ましい。例えば、本発明の耐弾防護部材を身体の胸部へ着用する場合、シングルカーブであれば、セラミックスタイルの曲率が４５０ｍｍなど、身体の形状に合わせて適宜選択できる。また、マルチカーブの場合も、身体の形状に合わせて多面表面及び複心曲線を適宜選択できる。

また、図７や図８のように隣り合うセラミックスタイルの頂点同士が１点に会合する配列よりも、図５や図６のように隣り合うセラミックスタイルの頂点同士の会合する部分が、さらに隣り合う第三のセラミックスタイルの辺の途上に位置するように配列とすることが好ましい。このように配列することで、隣り合うセラミックスタイルの頂点同士が会合する点におけるセラミックスタイルの枚数を少なくし（例えば図７の丸で示す箇所において４枚に対し、図５の丸で示す箇所において３枚）、脆い箇所ができるのを防ぐことができる。

本発明の耐弾防護部材は、配列させたセラミックタイル層の片面にＦＲＰを積層し、固定する。耐弾性を発揮するメカニズムからかわるとおり、ＦＲＰは人体側に積層させる。

ＦＲＰにおける繊維としては、繊維糸条として引張強度が１７ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であるものが好ましい。一方、価格、生産性の点からは４５ｃＮ／ｄｔｅｘ以下が好ましい。なかでも、アラミド繊維が好ましい。アラミド繊維は耐熱性に優れ、徹甲焼夷弾に対しても優れた防弾性を発揮する。

ＦＲＰにおける繊維の総繊度としては、２００〜４０００ｄｔｅｘが好ましく、より好ましくは４００〜３５００ｄｔｅｘである。２００ｄｔｅｘ以上とすることで、耐弾性に優れる。また、４０００ｄｔｅｘ以下とすることで、裁断時等の取り扱い性に優れる。

ＦＲＰにおける繊維には、熱安定剤、酸化防止剤、光安定剤、帯電防止剤、可塑剤、増粘剤、顔料、難燃剤、などを含有させてもよく、また、酸化防止剤、光安定剤、平滑剤、帯電防止剤、顔料、難燃剤、油剤などを付着させてもよい。

ＦＲＰにおける繊維布帛の形態としては、織物、編物、不織布、フェルト、一方向性シート（ＵＤ）、ＵＤを０°／９０°に積層したもの、３次元構造物などが好ましく使用でき、寸法安定性、強度から織物がさらに好ましく使用できる。織物としては、平織、綾織、朱子織、畝織、斜子織、杉綾、二重織などを用いることができる。なかでも、平織が耐弾性、寸法安定性、取り扱い性の点から好ましい。

ＦＲＰを構成するマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。

熱硬化性樹脂としては例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、珪素樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂などやその変性樹脂などを挙げることができる。

熱可塑性樹脂としては例えば、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル、ポリアミドなど、熱可塑性ポリウレタン、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、ネオプレン、ポリエステル等の合成ゴム又はエラストマーなどが好ましく使用できる。

中でも、フェノール樹脂とポリビニルブチラール樹脂とを主成分とする樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエステル樹脂が好ましく、とりわけ、フェノール樹脂とポリビニルブチラール樹脂とを主成分とする樹脂が耐衝撃性、寸法安定性、強度、価格などから好ましく使用できる。

マトリックス樹脂には、生産性や特性改善のために、変性剤、可塑剤、充填剤、離型剤、着色剤、希釈剤の添加剤などを含有せしめてもよい。

ＦＲＰの作製にあたっては、プリプレグを使用してもよい。

マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を用いる場合には、熱硬化性樹脂を溶剤に溶解してワニスに調整し、繊維布帛をワニス漕に通しバーコーターやクリアランスロールなどにて余分な樹脂を掻き取る方法や、コーティング、スプレーを用いた塗布等を採用することができる。

マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合には、溶融した樹脂、溶剤に溶解した樹脂あるいは樹脂エマルジョンをナイフやグラビアなどにて繊維布帛にコーティングする方法や、溶融した樹脂を直接布帛にラミネートする方法等を採用することができる。

樹脂の付着量としては、積層する高強度繊維織物の絶乾質量に対し３〜３０質量％が好ましく、より好ましくは５〜２０質量％である。３質量％未満であると、剛性が低いため形態保持性が低く、３０質量％を超えると、繊維の自由度を奪うため耐衝撃性に劣る。

ＦＲＰを製造する方法としては、上記プリプレグを積層した後に加熱加圧成形する方法やしてもよいし、高強度繊維織物間に樹脂パウダーやフィルムを配し、加熱加圧成形する方法等を採用することができる。

セラミックスタイルとＦＲＰを固定する方法としては、合成ゴムやエポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の接着剤を介して接着させることを採用できる。

また、本発明の耐弾防護部材には、セラミックスタイル層の上にさらに高強度繊維織物を積層させることも好ましい。そうすることで、耐衝撃性部材周辺部に高速の飛来物が衝突した際、セラミックスとＦＲＰの層間剥離を抑制でき耐弾性が向上する。

本発明の耐弾防護部材の形状としては、側面からみた場合は曲面形状の曲面板であり、図３のようなシングルカーブでも図４のような複心曲線の曲面形状でもよい。また、正面から見た形状は適宜選択できる。人体に着用する用途に用いる場合には、着用する部位にあわせた曲面形状の曲面板とすることが好ましい。

本発明の防護製品の例として、本発明の耐弾防護部材の形状を人体の胸服部、背部、脇部、肩部、下腹部などを覆う形状にすることで、人体用防護チョッキに用いることができる。また、本耐弾防護部材を頭部を覆う形状とし、更にクッション材、あご紐などを取り付けることで、ヘルメットに用いることができる。また、取っ手や覗き窓、自立用の足などを取り付けることで盾に用いることができる。

本発明は、例えば、防護チョッキ（防弾チョッキや防刃チョッキ）及び防弾板（防護チョッキへの挿入板）やヘルメット及びその装着板、盾、車両及び艦船または航空機の付加装甲といった防護製品の用途に好適に用いることができる。

１耐弾防護部材
２セラミックスタイル
３ＦＲＰ
４任意の１つの軸
５セラミックタイルの接合面（端面）
６法線ベクトル

Claims

複数枚の曲面形状セラミックスタイルと高強度繊維強化プラスチックとからなる耐弾防護部材であって、該セラミックスタイルの接合面のすべてが任意の１つの軸に対して平行であることを特徴とする耐弾防護部材。
請求項１記載の耐弾防護部材を用いたことを特徴とする防護製品。