JP2010505718A

JP2010505718A - 透明ガラスセラミック防護具

Info

Publication number: JP2010505718A
Application number: JP2009513238A
Authority: JP
Inventors: エフクライン，カール; アールピンクニー，リンダ; ジェイザン，ジアン−ジ
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2010-02-25
Also published as: US7875565B1; WO2008130366A1; EP2029352A1; IL195533A0

Abstract

本発明は、透明防護具に用いるための透明なガラスセラミック材料に関する。その用途は、人員の防御基材のみでなく、地上車両、航空機のための防御具システムを含む。本発明によるガラスセラミック材料は、少なくとも１．０の、好ましくは１．１以上の、より好ましくは１．２以上の弾道限界対面密度線勾配を示す。

Description

優先権主張

本願は、「透明ガラスセラミック防護具」と題して２００６年５月３１日付けで提出された米国仮特許出願第６０／８１０２２２号の優先権を主張した出願である。

政府の所有権

本発明の一部は、ＤＡＲＰＡ（国防総省国防高等研究事業局）により与えられた協定第HR0011-05-C-0127号による米国政府の援助の下になされたものである。

本発明は、防弾に使用できる透明ガラスセラミック防護具に関するものである。特に、本発明は、可視光および赤外線（ナイトビジョン）の双方の電磁波スペクトル範囲において透明なガラスセラミック防護具に関するものである。

透明防護具は、光学的透明性を保ちながら防弾機能を提供するように構成された材料である。この種の材料は、窓（車両および建築物の）、防護バイザーおよび別の用途に共通する感知器等の機器の防護カバーに関して戦闘および非戦闘（例えば暴徒鎮圧）に使用可能である。それぞれの特殊な用途に対して特定の必要条件があるが、大多数のシステムまたは装置に対して共通する必要条件がある。特に、透明防護具に対する第１の必要条件は、特定の脅威に屈しないのみでなく、打痕の周囲の領域の見え方を歪めることなしに複数の打撃に耐える能力を持つことである。さらなる必要条件は、最適化されなければならないが、特定の用途に応じて決定される。これらのさらなる必要条件は、重量、空間効率および対コスト性能である。透明防護具が抱えている多くの問題は、防護具の厚さを増すことによって解決可能であるが、人または車両が負担すべき重量が増大し、材料の厚さによる歪みの増大、したがって透明性の低下を招き、車両においてはスペースが限定されているので実際的ではなく、この解決策は望ましくない。

防弾に用いられる透明材料（透明防護具）としては、下記の材料が挙げられる：
（ａ）最も一般的なものがポリカーボネートであるポリマー材料。これは製造が容易な安価な材料であり、粉々になり難いという良い特性を有する。この材料は一般に、ゴーグル、バイザー、フェイスシールド、および眼鏡に使用される。透明なナイロン（登録商標）、アクリレート、およびポリウレタン等の他のプラスチックも研究されてきたが、耐久性（例えば紫外線に対する）および光学的特性のために、用途が限定されている。
（ｂ）一般にフロート法を用いて製造されるソーダ石灰ガラスおよび硼珪酸ガラス等の一般的なガラス。これらの材料は安価であるが、軽量、優れた光学的特性および防弾性能に関する必要条件が増えているので、材料の改良が必要である。
（ｃ）酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、単結晶酸化アルミニウム（サファイヤ）およびスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）等の結晶材料は現在主要な材料と考えられている。
（ｄ）ガラスセラミック材料
（１）一つのガラスセラミック材料は、Alstom UK 社が販売している二ケイ酸リチウム
・ガラスセラミックであるTrans Arm（登録商標）である。その弾性反発試験および
粉々にならないことに関する卓越した重量効率のために、「Trans Arm」は爆発物処
理に用いられるフェイスシールド等の防護機材の特性を増大させる能力を有する。こ
れらの材料の耐衝撃特性を調査すると、ガラスセラミックは、アモルファスガラスよ
りも高い破壊強度を有することを示した。
（２）特許文献１には、エネルギー吸収用繊維入り裏打ち層に接着されたガラスセラミ
ックを主成分とする防護具が記載されている。この特許文献１に挙げられているガラ
スセラミック材料を生成させるために用いられているガラス組成物は、リチウム亜鉛
珪酸塩、リチウムアルミノ珪酸塩、リチウム亜鉛アルミノ珪酸塩、リチウムマグネシ
ウムアルミノ珪酸塩、マグネシウムアルミノ珪酸塩、カルシウムマグネシウムアルミ
ノ珪酸塩、マグネシウム亜鉛珪酸塩、カルシウムマグネシウム亜鉛珪酸塩、亜鉛アル
ミノ珪酸塩系燐酸カルシウム、カルシウムシリコ燐酸塩および珪酸バリウムを含む。
得られたガラスセラミック組成物の透明性が指定されていなかった場合でも、繊維
入り裏打ち層がこれら組成物を不透明にする可能性が高い。
（３）特許文献２には、高熱および直火焔および衝撃に耐えることができる安全ガラス
および防護ガラスとしての使用を目的とするガラスセラミックおよびポリマーからな
る平行シートを備えた耐火および耐衝撃透明貼り合せ組成物が記載されている。この
特許文献２に挙げられている材料は、市販の板ガラス、フロートガラスおよびシート
ガラス組成物、アニールされたガラス、強化ガラス、化学的に強化されたガラス、パ
イレックス（登録商標）ガラス、硼珪酸ガラス、リチウム含有ガラス、パイロセラム
、リチウム含有セラミックス、有核セラミックスおよび種々のポリマー材料である。

上述した材料に加えて、防弾に関するさらなる材料および方法も研究されて来た。特許文献３には、予め形成されたセラミック材料からなる微粒子が材料全体に分散されたソーダ灰ガラス組織を有するガラス複合防護具が記載されている。したがって、セラミック材料は、ガラスセラミックの場合と同様にそのままで成長していない。特許文献４には、灰長石（ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８）を主成分とするガラスセラミックからなる不透明防護具が記載されている。

米国特許第５,０６０,５５３号明細書米国特許第５,４９６,６４０号明細書米国特許第５,０４５,３７１号明細書米国特許出願公開第２００５／０１１９１０４Ａ１号明細書

上述の材料および方法は防弾作用を提供するものであるが、透明防護具材料系の領域における改良が切に必要とされている。２０００年秋のAMPITACニュースレターに述べられているように、「将来の戦士環境は、現在のガラス／ポリカーボネート技術では満足することが期待できない、軽量で、脅威に順応した、多機能かつ経済的な防護具を必要とするであろう。」と説明されている。本発明は、特に、これらの要求に適合する新規な、低価格な、脅威に効果的な材料システムの透明防護具に関するものである。

一つの態様において、本発明は透明防護具材料として用いられるガラスセラミック材料に関する。本発明のガラスセラミック材料は、少なくとも１．０の、好ましくは１．１以上の、より好ましくは１．２以上の弾道限界対面密度線勾配を有する。上述の仕様を満足するものであれば、いかなるガラスセラミック材料も防護具システムに用いることができる。本発明のこのような材料は、それらに限定されないが、結晶相がβ石英、スピネル、βウィレマイト（珪酸亜鉛鉱）、フォルステライト（苦土かんらん石）、スピネル固溶体、ムライトおよび当業者周知の類似のガラスセラミックである。本発明の別の実施の態様においては、ガラスセラミック材料が３０ｎｍ以下のサイズの結晶微粒子を有する。一般には、３０ｎｍ以下のサイズの結晶微粒子が９０％以上存在する。

別の態様において、本発明は１．２以上の弾道限界対面密度線勾配を有する。

さらなる実施の形態において、本発明はガラスセラミック成分が少なくとも一つの構成要素を構成する複合防護具システムに関し、このガラスセラミック材料は、３０ｎｍ以下のサイズの結晶微粒子を有し、かつ１．０以上の弾道限界対面密度線勾配を有する。別の実施の形態においては、ガラスセラミックが、３０ｎｍ以下のサイズの結晶微粒子を有し、かつガラスセラミック中のスピネル結晶微粒子が３５％以下であるスピネルまたはスピネル固溶体である。さらなる実施の形態においては、ガラスセラミックが、３０ｎｍ以下のサイズの結晶微粒子を有するβ石英ガラスセラミックであり、このガラスセラミック中のβ石英結晶微粒子のパーセンテージが３０％以上である。好ましいβ石英の実施の形態においては、上記パーセンテージが５０％以上であり、より好ましいβ石英の実施の形態においては、上記パーセンテージが８５％以上である。スピネル、スピネル固溶体およびβ石英に関しては、ガラスセラミック中に存在する結晶微粒子の９０％以上が３０ｎｍ以下のサイズを有する。上記複合防護具システムの他の構成要素は、ポリマー、ポリカーボネート、ナイロン(登録商標)、アクリレート、追加のガラスセラミック組成物、多結晶または単結晶材料、ソーダ灰ガラスおよび硼珪酸ガラス等のガラス、ならびに本明細書に記載され、かつここに引用されている特許文献および非特許文献に記載されているような、ならびに透明防護具システムに有用な当業者周知の他の透明材料を含む透明材料から選ぶことができる。

代表的なガラスセラミック材料の卓越した発射体を止める能力を珪酸塩ガラス材料に比較して示す弾道限界対面密度のグラフである。

ここで用いられている「弾道限界対面密度線勾配」という用語は、図１に例示されたグラフを意味し、図１には弾道限界Ｖ_５０がフィート／秒の単位で、かつ面密度がポンド／平方フィートの単位で示されており、この用語は、使用されたユニットシステムに関係なく、弾道限界対面密度の如何なる類似のグラフをも含むという意味である。Ｖ_５０は、弾丸が的を貫通する確率が５０％存在する発射体速度を意味する。透明防護具として本発明に用いるのに有用なガラスセラミックは、Ｖｙｃｏｒ（登録商標）ブランドのガラスである図１の参照材料（すなわち、全ての比較測定の標準）の標準化された勾配よりも急峻な勾配を有する。「Ｖｙｃｏｒ」ガラスの勾配には１．０の標準化された値が与えられ、透明防護具として本発明に用いるのに有用なガラスセラミックは、１．０よりも急峻な勾配を有する。例えば、これに限定されないが、標準化された「Ｖｙｃｏｒ」の１．０の値に対して、本発明に用いるのに有用なガラスセラミックは、１．１以上または１．２以上等の勾配を有する。ここで用いられているように、「１．０を超える勾配を有する」または「１．０を超える弾道限界対面密度線を有する」という用語およびこれと類似した用語は上述した意味である。ここでは全ての結晶化度が体積パーセント（Ｖ．％）で示されている。全ての組成率が重量パーセントで示されている。

ガラスセラミックは、ガラスの管理された失透によって生成された微結晶固体である。例えば米国特許第５,０７０,０４５号、第６,５３１,４２０号、第６,５３２,７５８号、第６,９３６,４４４号および第７,００１,８６１号明細書（全てコーニング社に譲渡されている）における従来技術に記載された方法を用いて、ガラスが溶融され、造形され、次いで熱処理により結晶を主成分とするセラミックにされる。管理された結晶化の基本は、空洞、微細なひび割れ、またはその他の気泡を伴うことなしに、微細なランダムな方向を向いた粒子の成長を可能にする効率的な内部核化にある。ガラスおよびセラミックの双方と同様に、ガラスセラミックは、破壊を招く歪み点までは弾性を示す脆弱な材料である。しかしながら、ガラスセラミックにおいては、結晶の微細構造の性質によって、強度、弾性、破壊靭性および耐磨耗性を含む機械的特性がガラスよりも向上する。ガラスセラミック全体に亘って一様に分布された結晶の存在は、ひび割れを偏向させかつ生じ難くし、これにより、破砕の伝播に対する抵抗力を高める。

透明防護具システムは、重量および価格を低減しながら、より厳しい防弾要求条件を満たすことが要求されるので、ポリマー材料と貼り合せられた従来のガラスシートを用いた伝統的な構造は受け入れられなくなって来た。特に、防弾性能を向上させるためには、より多量のガラスを追加しなければならず、ユーザーまたは車両にとって、防護具全体の重量増加が耐えられないものになって来た。その結果、透明防護具を開発し使用することに関して、根本的な解決策は、ガラスを超えた画期的な材料にあるとの意見が一致している。本発明は、１．０を超える弾道限界対面密度線勾配を有する透明材料の発見の基づくものである。

本発明は、種々の防護具システムのための透明ガラスセラミックを用いることに関するものである。用途は個人的防護手段のみでなく、地上車両および航空機のための防護システムをも含む。これらの透明ガラスセラミックの光学的性能は、大多数の軍用防護システムに要求される近赤外線に対する透光性のみでなく、可視光に対する透光性を満たす。本発明の防護システムに用いることができる材料の実例は、上述の弾道限界対面密度の判断基準を満たすガラスセラミックを含む。このようなガラスセラミックは、それらに限定されないが、結晶相がβ石英、スピネル、β珪酸亜鉛鉱、苦土かんらん石、スピネル固溶体、ムライトおよび類似の透明な従来周知のガラスセラミックである。より高い弾道限界と組み合わされたこれらの材料の低い密度は、二つの重要な属性の一方または双方を示す。第１の属性は、より薄い材料でもガラスと同等の防弾性能が得られるという材料の能力であり、これにより防護具に関して極めて必要とされる軽量が達成される。第２の属性は、貼り合わされたシステムに用いられたときに、現存する防護システムに関して採用されている貼合せ体の厚さをもって卓越した防弾性能が得られる能力である。一例として、結晶相がβ石英、スピネル、またはスピネル固溶体であるガラスセラミックは、表に例示されたような結晶相である。

防弾性能に寄与する材料の硬度および破壊靭性が防弾性能に寄与することは一般に認識されているが、正確な相関関係は、長期間の研究後でもなおも理解しにくい（J.J.Swab著「防護具用セラミックの硬度決定に関する提案」Int.J.Appl.Ceram.Technol.1[3](2004)、219-225頁参照）。例えば、それらに限定されないが、材料の一つの部類として、β石英ガラスセラミックは、結晶材料の多くの強度特性とともにガラスの製造容易性を兼ね備え、かつ広い用途範囲に関する価格有利性とともに特性最適化に対する広い設計自由度を備えている。さらに、β石英ガラスセラミックは、多数の用途（非軍用、非警察用を含む）に使用可能な材料の開発に対する機会を提供し、したがって、特にそれらの用途のみでは十分な量を有し得ない全ての用途を利する価格低減を促進する規模の経済を提供する。異なる結晶相を有する他のガラスセラミックも同様の利益を提供する。下記の説明では、結晶相としてβ石英を有するガラスセラミックがモデルとして用いられているが、別の結晶相、または結晶相の組合せを有する他のガラスセラミックも、弾道限界対面密度を満足するものであれば使用可能であることが理解されよう。

或る透明防護具の用途においてβ石英はそれ自体でも十分な防弾性能を提供する。しかしながら、β石英またはスピネル・ガラスセラミックを用いた好ましいシステムにおいては、ガラスセラミック材料からなる１枚または複数枚のシートが、裏打ちまたは「破片飛散防止手段」としてのポリマー材料と貼り合せられた複合層構造を有する。これは従来のガラスを用いたものと同じ技法であるが、β石英等の種々の、卓越した革新的材料を備えている。上記複合構造における層の数および順序は、脅威の形式に応じてそれに打ち克つために防護具システムが構成される。或る場合には、最適の性能を得るために、ガラスセラミックシートの間に１枚または複数枚のポリマーシートを挟むことが効果的であろう。他の場合には、より高性能の徹甲銃弾等の脅威に対抗するために、ガラスセラミックよりも硬い材料を打撃面として用いて防弾性能を改善することが望ましい。このような硬い材料は、酸窒化アルミニウムまたはスピネル等の結晶材料、または硬質ガラスまたはβ石英ガラスセラミックよりも高い硬度を備えた他のガラスセラミックが良いであろう。上記ポリマーシートおよび中間層の接着材料は、現在防護具技術分野で用いられているものから選べばよい。ポリマー材料および接着剤を選ぶに際して考慮すべきことは、ガラスセラミックと一致する屈折率、ガラスセラミックとの化学的、機械的互換性、防弾性能および使用の可能性のある環境の範囲内における防護具システムの環境特性である。

本発明によるガラスセラミックは、徹甲（硬質鋼芯）形式の発射体を含む発射体の貫通に耐えることにおいて従来のガラスを凌駕する著しい効果を提供する。弾道限界（フィート／秒の単位の発射体を停止させる能力）を厚さまたは面密度（単位はポンド／平方フィート）に対してプロットした場合、ガラスセラミックはガラスに比較して急峻な勾配を示す。このことは、設定速度（例えば或る形式の弾丸の初速）における発射体を停止させるのには、従来のガラスよりもずっと少量（厚さまたは面密度において）のガラスセラミック材料で足りることを示している。このこと、従来のガラスである「Ｖｙｃｏｒ」ブランドのガラスとともに図１に示されている。質量密度が同一であると仮定すると、このことは、ガラスセラミックを主体とする防護具は、従来のガラスを主体とする防護具に比較してより軽量であると言い換えられる。知る限りの範囲では、本発明者等は、そして譲受け人であるコーニング社は、透明防護具の用途に関するこの急峻な勾配およびその意味するものを認識した最初のかつ唯一の存在である。

ガラスセラミックは、単なる結晶材料、すなわち、一般にアモルファス相および結晶相を有する多相のガラスセラミックとは反対に相が結晶相のみである結晶材料を凌駕する費用効率を提供する。結晶材料は、重量効率を基準とすると、或る範囲の脅威に対して極めて良好な防弾性能を示したが、費用効率は劣る。例えば、結晶酸窒化アルミニウム、スピネルおよびサファイヤは、全てガラスの３倍を超える実証された重量効率を有する。このことは、これらの結晶材料を使用した防護具システムが、ガラスを主成分とするシステムの全重量の１／３未満で同じ発射体を止めることができることを意味する。しかしながら、透明な結晶材料は、極めて高価な粉末処理法（酸窒化アルミニウムおよびスピネルに関し）および結晶成長法（サファイヤに関し）を用いている。本質的に極めて効果なこれらの方法は製品収量が低く、かつ大きなサイズのシートの作製には適さない。製造コストに加えて、これらの結晶を仕上げかつ研磨するコストも非常に高く、一般に材料全体のコストに対して４０〜１００％が加算される。バイザー、車両の窓、暴徒鎮圧用の盾および類似の機材に使用可能な湾曲したシートの作製には、さらなる複雑性およびコストが加わる。その結果、これらの高性能材料は、現在研究所の外部では使用されてなく、予測される将来も同様であろう。これに対して、透明なβ石英ガラスセラミックは、平坦なロールシートおよび湾曲形状において何年間も使用されて来ており、それらの双方とも透明防護具の製造に利用することができる。

材料の一例としてβ石英を用いると、３０ｎｍ以下のサイズのβ石英微結晶を３０％以上有するガラスセラミック材料を形成するものであれば、いかなる組成のものも本発明により使用することができる。一例として、透明なガラスセラミック防護具を作製するために用いられた、３０ｎｍ以下のサイズのβ石英微結晶を少なくとも８５％有するこのような組成は、６０〜８０重量％のＳｉＯ_２、１５〜３０重量％のＡｌ_２Ｏ_３、および１〜５重量％のＬｉ_２Ｏを含有する。この組成物中に存在し得る随意的な成分は、それらの混合物を含むそれぞれ５重量％までのＭｇＯ，ＺｎＯ，ＢａＯおよびＳｒＯと、６重量％までのＴｉＯ_２、１重量％までのＡｌ_２Ｏ_３、およびそれぞれ２％までのＮａ_２ＯおよびＫ_２Ｏとを含む。一例として、上述の組成に含まれる、より具体的な実施例が表１に示された下記のガラスセラミックであり、すべての重量％は所定の重量％の量の±１０％である。この材料は、米国特許第５,０７０,０４５号明細書にしたがってセラミック化すればよい。この組成物は表２のＧＣ−２に相当する。

数種類の透明なβ石英およびスピネルからなるガラスセラミックならびに１種類の硬質光学ガラスが下記の表２に示されている。

本発明の実施に用いることができる透明なスピネルからなる、それらに限定されないガラスセラミック組成物Ａ〜Ｌからなる追加の実施例が表３に示されている。一般に、これらのスピネルは、４０〜７０重量％のＳｉＯ_２、１５〜２５重量％のＡｌ_２Ｏ_３、７〜２０重量％のＺｎＯ、０〜６重量％のＭｇＯ、０〜４重量％のＢａＯ、０〜２重量％のＣａＯ、０〜５重量％のＫ_２Ｏ、０〜５重量％のＮａ_２Ｏ、１〜８重量％のＴｉＯ_２、１〜８重量％のＺｒＯ_２および０．５±０．３重量％のＡｓ_２Ｏ_５からなる組成を有する。透明なスピネル・ガラスセラミック組成物に関する第１の判定基準は、それらが１．０以上、好ましくは１．１以上、より好ましくは１．２以上の弾道限界対面密度線勾配を有することである。アルカリ金属の追加は、ガラスセラミック中の色彩を低減するのにも役立つ。

セラミック化後に、１．０以上、好ましくは１．１以上、より好ましくは１．２以上の弾道限界対面密度線勾配を有する透明なスピネル・ガラスセラミック材料を生成させる他の組成物も、本発明に従って用いることができることを理解すべきである。

多年に亘る多くの研究にも拘わらず、静的な材料特性と防弾性能との正確な相関関係は今日でも捕らえにくいものである。案出された一つの仮説は、理想的な防護具が発射体を粉砕するのに十分な硬度を有することが必要なことであるが、或る閾値を超えた硬度はもはや性能に影響しない。もし、硬度が上記閾値を越えていながら破壊靭性等の他の機械的特性の最適化が達成され得るならば、防護具の性能も同様に最適化することができる。ガラスセラミックは理想的にこの可能性を提供する。

上記仮説および理解に基づいて、種々の構造の実験用および市販用の双方のガラスセラミックがテストされた。これらは、（ＧＣ−６）、コーニング社のガラスコード番号９６６４（ＧＣ−７）、および添加されたアルミナを含むコード番号９６６４の改良型（ＧＣ−８および）ＧＣ−９として例示されている。テストされたβ石英ガラスセラミックは、コーニング社の特許であるβ石英ガラスセラミック（ＧＣ−２）、およびその他の市販されているガラスセラミック材料（ＧＣ−１）である。テストされた他の材料は、硬質光学ガラスおよび別のスピネル（ＧＣ−４）を含む。２種類の異なる厚さにおいて、ポリカーボネートで裏打ちされたＧＣ−２および「Ｖｙｃｏｒ」ガラスは興味深い現象を生じさせた。ポリカーボネートで裏打ちされたガラスセラミック材料は、図１に示されているように高い重量効率勾配を有する。今日までの結果に基づくこの高い重量効率勾配は、真実でありかつ約１インチ（２．５４ｃｍ）までの厚さにおいてリニアであると信じられ、厚さ１インチ（２．５４ｃｍ）のＧＣ−２が初速２７５０フィート／秒（８３８．２ｍ／秒）の７．６２ｍｍ対人弾丸を止めることができるであろうと予測する。これに対して、「Ｖｙｃｏｒ」ガラスは、同じ弾丸を止めるのに２インチ（５．０８ｃｍ）を超える厚さを必要とするであろう。

図１は、代表的なガラスセラミック材料の卓越した発射体停止能力をガラス材料と比較して示す弾道限界対面密度のグラフである（双方の材料はポリカーボネートによって裏打ちされている）。ガラスセラミック材料ＧＣ−２に関する線の勾配は、「Ｖｙｃｏｒ」ブランドの参照ガラスに関する線の勾配よりも急峻であり、１．０を超えている。実験結果に基づくと、透明防護具の用途に適したβ石英ガラスセラミック材料は、２５％以上の結晶度および１．０を超える、好ましくは１．１以上の弾道限界対面密度線勾配を備えるべきである。好ましい実施の形態においては、５０％以上の結晶度および１．１以上の勾配である。別の好ましいβ石英の実施例においては、結晶度が８５％以上である。さらに好ましいβ石英の実施例においては、弾道限界対面密度線勾配が１．２以上である。

これまでの弾道限界試験は、厚さ１インチ（２．５４ｃｍ）の全ての貼合せガラスセラミックが、厚さ２〜３インチ(約５．１〜７．６ｃｍ)の従来のガラスに相当する耐衝撃特性を有することを示している。上述で論議された全ての透明貼合せ体に施された試験は、現在入手可能な防護具システムと同様に、飛散防止層として厚さ１／２インチ（１．２７ｃｍ）のポリカーボネートが用いられた。

本明細書のどこかで言及されているように、静的材料特性と防弾性能との相関関係はあまり理解されていない。一つの仮説は、理想的な防護具材料は発射体を粉砕するのに十分な硬度を有していることが必要であるが、或る閾値を超えると硬度はもはや性能に影響しないということである。スピネル・ガラスセラミックに関しては、この仮説は、これらの材料で得られる７００〜７３０の適度のヌープ硬度の値によって立証される。これに加えて、１０〜２０ｎｍの硬いスピネルのナノ微粒子が連続的な低膨張の、「より軟らかい」ガラス相全体に一様に分散されているスピネル・ガラスセラミック自体のミクロ組織が優れた防弾性能を備えることができる。Hasselmanおよびfulrath著、「分散により強化されたガラス組織の破砕理論の提案」J.Am.Ceram.Soc.49,68-72頁(１９６６年) は、ガラス内部における硬い回転楕円面結晶の分散は、表面上に生成され得るひび割れのサイズを制限し、それにより強度増大を誘引するという破砕理論を提案している。このような結晶ミクロ構造は、ガラスの厚さに対してガラスセラミックが備えている観察されたより急峻な勾配を説明するのに役立つ。

要約すれば、例えばガラスセラミックは、貼合わせ構造における透明防護具材料として良好な特性を示した。限られたデータから推定すると、すべてのＧＣ−２貼合わせ体（半インチ（１．２７ｃｍ）のポリカーボネートによって裏打ちされた）は、通常の珪酸塩ガラスを用いた貼合わせ体に比較して約５０％の重量軽減となった。ガラスセラミックはまた、硬質ガラス打撃面に対する裏打ち材料としても効果的であることが示されており、追加された実施の形態は卓越した空間効率を提供する可能性を秘めている。

以上、限られた数の実施の形態について説明がなされたが、本発明の精神および範囲から離れることなしに、別の実施の形態を実施することが可能なことは、本明細書の恩恵を受ける当業者には明らかであろう。したがって本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ規定されるべきものである。

Claims

ガラスセラミック成分または材料が少なくとも一つの構成要素を構成する複合防護具システムであって、前記ガラスセラミック材料が、３０ｎｍ以下のサイズの微粒子と、少なくとも１．０の弾道限界対面密度線勾配とを有することを特徴とする複合防護具システム。
前記ガラスセラミックの結晶相は、β石英、スピネル、スピネル固溶体、ムライトおよび従来から知られている類似の透明相からなる群から選ばれたものであり、かつ前記ガラスセラミックが３０％を超える結晶化度を有することを特徴とする請求項１記載の複合防護具システム。
前記ガラスセラミック材料は、該ガラスセラミック中に存在する微粒子の９０％以上が３０ｎｍ以下のサイズを有することを特徴とする請求項１記載の複合防護具システム。
前記ガラスセラミック材料は、１．２以上の弾道限界対面密度線勾配を有することを特徴とする請求項２記載の複合防護具システム。
前記ガラスセラミック材料は、５０％以上の結晶化度を有するβ石英ガラスセラミックであることを特徴とする請求項２記載の複合防護具システム。
前記ガラスセラミック材料は、８５％以上の結晶化度を有するβ石英ガラスセラミックであることを特徴とする請求項２記載の複合防護具システム。
前記ガラスセラミック材料は、６０〜８０重量％のＳｉＯ_２、１５〜３０重量％のＡｌ_２Ｏ_３、および１〜５重量％のＬｉ_２Ｏを含有し、かつ、それぞれ５重量％までの、それらの混合物を含むＭｇＯ、ＺｎＯ、ＢａＯおよびＳｒＯと、４重量％までのＴｉＯ_２、１重量％までのＡｌ_２Ｏ_３、ならびにそれぞれ２重量％までのＮａ_２ＯおよびＫ_２Ｏとを随意的に含み、前記ガラスセラミックが１．２以上の弾道限界対面密度線勾配を有することを特徴とする請求項６記載の複合防護具システム。
前記ガラスセラミック材料は、下記の表に記載された組成を有し、

全重量％が、記載された重量％の量の±１０％であり、かつ前記ガラスセラミックが１．２以上の弾道限界対面密度線勾配を有することを特徴とする請求項７記載の複合防護具システム。
前記ガラスセラミック材料は、４０〜７０重量％のＳｉＯ_２、１５〜２５のＡｌ_２Ｏ_３、７〜２０重量％のＺｎＯ、０〜６重量％のＭｇＯ、０〜４重量％のＢａＯ、０〜２重量％のＣａＯ、０〜５重量％のＫ_２Ｏ、０〜５重量％のＮａ_２Ｏ、１〜８重量％のＴｉＯ_２、１〜８重量％のＺｒＯ_２および０．５±０．３重量％のＡｓ_２Ｏ_５からなる組成を有するスピネルおよびスピネル固溶体からなる群から選ばれたものであることを特徴とする請求項１記載の複合防護具システム。
前記ガラスセラミックの結晶化度が３５％未満であることを特徴とする請求項９記載の複合防護具システム。
前記ガラスセラミック材料は、１．２以上の弾道限界対面密度線勾配を有することを特徴とする請求項９記載の複合防護具システム。