JP2011504992A - マルチヒット対応透明積層装甲システム - Google Patents

マルチヒット対応透明積層装甲システム Download PDF

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Abstract

透明装甲積層体システムは、層間層によって分離される複数のサブスタックを含む。サブスタックは、ガラスセラミック正面被弾面層を含む複数の層と、耐スポール性材料を含む裏打ち層と、被弾面層と裏打ち層との間に積層された少なくとも１つのガラス層とを含む。層間層は、サブスタック間の亀裂を隔離し、ポリマー、気体または液体等の隔離材料を含み得る。本積層体システムは、従来の全ガラスまたは全ガラスセラミック透明装甲に比較して重量が低減し改善された性能を提供する。

Description

優先権
本出願は、２００７年８月３１日に出願され、発明者としてＬｉｎｄａ Ｒ． Ｐｉｎｃｋｎｅｙ、Ｈｕａｎ−Ｈｕｎｇ Ｓｈｅｎｇ、Ｓｔｅｖｅｎ Ａ． ＴｉｅｔｊｅおよびＪｉａｎ Ｚｈｉ（Ｊａｙ）Ｚｈａｎｇを挙げ、「ＭＵＬＴＩ−ＨＩＴ ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ， ＭＵＬＴＩ−ＳＴＡＣＫ ＡＲＭＯＲ ＳＹＳＴＥＭ」と題する、米国仮特許出願第６０／９６７，２３２号明細書の優先権を主張する。
本発明は、ハイブリッド積層透明装甲システム、特に、ガラスセラミック材料および従来のガラス材料を含む複合装甲システムに関する。
防弾（装甲）に使用される透明材料には、（１）従来のガラス、たとえば通常フロートプロセスを用いて製造されるソーダ石灰ガラスおよびホウケイ酸ガラス、（２）酸窒化アルミニウム（ＡＬＯＮ）、スピネルおよびサファイア等の結晶材料、および（３）ガラスセラミック材料（「ＧＣ」）がある。最後のカテゴリでは、いくつかのグループにより、Ａｌｓｔｏｍ製のＴｒａｎｓＡｒｍとして知られる透明な二ケイ酸リチウムＧＣが研究されてきた。ＴｒａｎｓＡｒｍは、球形弾丸および小さい破片に対して重量効率が優れているため、フェイスシールド等の保護装置の性能を向上させる可能性があり、これら材料の衝撃挙動の研究により、ＣＧはアモルファスガラスに比較して破壊後強度が高いことが分かった。特許文献１、特許文献２および非特許文献１を参照されたい。他の従来技術には［１］特許文献３および［２］特許文献４があり、それらにはそれぞれ、［１］エネルギー吸収性の繊維含有裏打ち層に接合されたガラスセラミックに基づく装甲材料と、［２］高熱および直火に耐性がある安全ガラスまたは装甲ガラスに使用されるように意図された、ガラスセラミックおよびポリマーの平行シートを備えた耐火性かつ耐衝撃性透明積層体とが記載されている。さらなる特許または特許出願技術には、Ｇｌａｓｓ Ｍａｔｒｉｘ Ａｒｍｏｒと題する特許文献５（内部にセラミック粒子が分散したソーダ石灰ガラスマトリックスについて記載されており、セラミックはガラス内においてインサイチュで成長しない）およびＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｆｒｏｍ Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｔｈｒｅａｔｓ Ｕｓｉｎｇ Ｇｌａｓｓ−Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌと題する特許文献６（２００５）（灰長石（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８）ガラスセラミックに基づく不透明装甲について記載されている）がある。
英国特許出願公開第２２８４６５５Ａ号明細書 国際公開第０３／０２２７６７Ａ１号パンフレット 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
Ｊ．Ｃ．Ｆ．Ｍｉｌｌｅｔｔ、Ｎ．Ｋ．ＢｏｕｒｎｅおよびＩ．Ｍ．Ｐｉｃｋｕｐ著、Ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ａ ＳｉＯ２−Ｌｉ２Ｏ ｇｌａｓｓ ｃｅｒａｍｉｃ ｄｕｒｉｎｇ ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｈｏｃｋ ｌｏａｄｉｎｇ、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８、３５３０−３５３６（２００５）
一態様では、本発明者等は、ガラス、ガラスセラミックおよび耐スポール性層のさまざまな組合せの弾道試験を用いることにより、硬質な透明ＧＣ被弾面をガラスの１つまたは複数の中間層および耐スポール性裏打ち層と組み合わせることにより、全ＧＣまたは全ガラス設計より、面密度の関数として著しく優れた弾道性能が提供されることを発見した。本発明者等は、従来技術において、この特定の構造の利点に対する言及を目にしたことはない。
別の態様では、本発明は、さまざまな装甲システム、たとえば地上車両および飛行機用ならびに個人用保護装置用の装甲システムに対し、透明ＧＣのガラスとの積層を用いることに関する。これら装甲システムの光学特性は、可視光透過性要件とともに軍用装甲システムの近赤外線透過性要件を満たし、それらの密度が適度であることと弾道限界が高いことと組み合わせることにより、以下の２つの重要な属性のいずれかまたは両方の属性の組合せが提供される。
（１）より薄い厚さで、ガラスの弾道性能と等価の弾道性能を達成することができ、それにより、装甲システムに対し非常に必要とされる軽量化を提供することができること。
（２）現行の透明装甲システムで用いられている積層体と同じ厚さでより優れた弾道性能を達成することができること。
一態様では、本発明は、透明装甲積層体システムに関し、前記積層体システムは、１つまたは複数のガラスセラミック材料層と、１つまたは複数のガラス層と、裏打ちまたはスポール層とを備え、前記ガラスセラミック層は結晶成分およびガラス成分を有し、結晶成分はガラスセラミックの２０体積％〜９０体積％の範囲であり、ガラス成分は２体積％〜８０体積％の範囲である。別の実施形態では、結晶成分は５０体積％〜９８体積％の範囲であり、ガラス成分は２体積％〜５０体積％の範囲である。上述した材料のスタックにおける層を、任意の形態、たとえばペースト、ゲルまたはシート材料の接着材料を用いて互いに接合することができる。接着材料は、各スタックの層の間に配置される。ガラスセラミック層、ガラス層およびスポール層が、高分子シート材料を用いて互いに接合される場合、接合は、熱および／または圧力を加えることによって達成される。ゲル、ペーストあるいは他の流体または半流体の形態の接着剤を硬化させて、熱または放射線を加えることにより接合を達成してもよい。接合材料、接着剤または高分子材料は、光学性能を低下させないように可能な限り他の材料の屈折率と一致するべきである。好ましい実施形態では、接着材料および高分子材料は、赤外線に対して透過性であるべきである。
別の態様では、本発明は、ガラスセラミック被弾面層と、少なくとも１つの中間ガラス層と、裏打ち層とを含む複数の「ｎ」個のサブスタックを有する透明装甲積層体システムに関し、ｎは１より大きい値の整数であり、各サブスタックは層間層によって分離される。層間層は、気体（空気を含む）、流体、高分子材料、ゲルまたはそれらの組合せを含む充填材料を含む。ＧＣ層は、結晶成分およびガラス成分を有し、結晶成分は２０体積％〜９０体積％の範囲であり、ガラス成分は、２体積％〜８０体積％の範囲である。別の実施形態では、結晶成分は５０体積％〜９８体積％の範囲であり、ガラス成分は２体積％〜５０体積％の範囲である。上述した材料のスタックにおける層を、任意の形態、たとえばペースト、ゲルまたはシート材料の接着材料を用いて互いに接合することができる。接着材料は、各スタックの層の間に配置される。ガラスセラミック層、ガラス層およびスポール層が、高分子シート材料を用いて互いに接合される場合、接合は、熱および／または圧力を加えることによって達成される。ゲル、ペーストあるいは他の流体または半流体の形態の接着剤を硬化させ、熱または放射線を加えることにより接合を達成してもよい。接合材料、接着剤または高分子材料は、光学性能を低下させないように可能な限り他の材料の屈折率に一致するべきである。好ましい実施形態では、接着材料および高分子材料は、赤外線に対して透過性であるべきである。
さらなる実施形態では、本発明は、ガラスセラミック被弾面層と、１つまたは複数のガラス層と、裏打ち層とを含む複数の「ｎ」個のサブスタックを有する透明装甲積層体システムに関し、ｎは１より大きい整数であり、各サブスタックは、空気または不活性ガス等の気体で充填された間隙を有する層間層によって分離され、ガラスセラミック層は、結晶成分およびガラス成分を有し、結晶成分は２０体積％〜９８体積％の範囲であり、ガラス成分は、２体積％〜８０体積％の範囲である。別の実施形態では、結晶成分は５０体積％〜９８体積％の範囲であり、ガラス成分は２体積％〜５０体積％の範囲である。
層間層によって分離された複数のサブスタックを備える透明装甲積層体システムであって、正面または第１サブスタックが、
ガラスセラミックを含む被弾面層を含む複数の層と、
耐スポール性材料の裏打ち層と、
ガラスを含み、被弾面層と裏打ち層との間に積層された少なくとも１つの中間層とを備え、
残りのサブスタックが、ガラスセラミック層およびガラス層からなる群から選択された少なくとも１つを備えた被弾面を含む複数の層と、
耐スポール性材料の裏打ち層と、
ガラスを含み、被弾面層と裏打ち層との間に積層された少なくとも１つの中間層とを備え、
少なくとも正面または第１スタックと、隣接するサブスタックとの間の層間層が、気体、流体、高分子材料、ゲルおよびそれらの組合せからなる群から選択された隔離材料を含む、透明装甲積層体システム。
ガラスおよびポリカーボネート裏打ちから構成された典型的な市販の装甲システムの図である。 ガラスセラミック被弾面、１つまたは複数のガラス層およびポリカーボネート裏打ちの使用を概略的に示す本発明の図である。 市販の全フロートガラスシステムに比較した軽量のガラスセラミック／ガラスを示す。 他のタイプのシステムに対する本発明のガラスセラミック／ガラス装甲システムの優位性を示す被弾速度対面密度のグラフである。 全ガラス積層体とは対照的にガラスセラミック／ガラス積層体を用いることによって達成することができる軽量化を示すグラフである。 ポリマー、空気、不活性ガス、ゲル、または装甲積層体の透明性を損なわない他の流体等の材料のまたはそれを含む層間層または間隙により分離されるサブスタックを具現化する構造を示す。 ポリマー、空気、不活性ガス、ゲル、または装甲積層体の透明性を損なわない他の流体等の材料のまたはそれを含む層間層または間隙により分離されるサブスタックを具現化する構造を示す。 ポリマー、空気、不活性ガス、ゲル、または装甲積層体の透明性を損なわない他の流体等の材料のまたはそれを含む層間層または間隙により分離されるサブスタックを具現化する構造を示す。 スタックの間に空隙がある本発明の２スタック透明装甲システムを用いた弾道試験を示す。 スタックの間に空隙がある本発明の２スタック透明装甲システムを用いた弾道試験を示す。 スタックの間に空隙がある本発明の２スタック透明装甲システムを用いた弾道試験を示す。 スタックの間に空隙がある本発明の２スタック透明装甲システムを用いた弾道試験を示す。 スタックの間に空隙がある本発明の２スタック透明装甲システムを用いた弾道試験を示す。 スタックの間に空隙がある本発明の２スタック透明装甲システムを用いた弾道試験を示す。 スタックの間に空隙がある本発明の２スタック透明装甲システムを用いた弾道試験を示す。 スタックの間に空隙がある本発明の２スタック透明装甲システムを用いた弾道試験を示す。
本明細書で使用する被弾面という用語は、着弾する発射体を受ける積層体装甲の面を意味するように用いられている。
一般に、材料の硬度および破壊靭性がその弾道性能に寄与することが理解されているが、静的材料特性と弾道性能との正確な相関は、何十年もの研究の後にも依然として定義し難い（Ｊ．Ｊ．Ｓｗａｂ著、Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ Ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ Ａｒｍｏｒ Ｃｅｒａｍｉｃｓ、 Ｉｎｔ． Ｊ． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｅｒａｍ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．、 Ｖｏｌ．１［３］（２００４）、 ｐｐ．２１９〜２２５参照）。１つの仮説は、理想的な装甲材料は、発射体を粉砕するのに十分な硬度を有する必要があるが、一定の閾値を超えると、硬度はそれ以上性能を左右しない、ということである。硬度が閾値を上回る一方で、破壊靭性等の他の機械的特性の最適化を達成することができる場合、装甲性能を同様に最適化することができる。
図１に示すように、典型的な市販の透明装甲システム１０は、１枚または複数枚（最初の４つの層）のガラス１２または透明な結晶セラミックが、裏打ち層１４または「スポールキャッチャ（ｓｐａｌｌ ｃａｔｃｈｅｒ）」とともに複合層状構造に積層された構成となっている。図１の灰色の矢印１１は、着弾する発射体の経路を示す。複合構造における層の数および層の順序は、装甲システムが打破するように設計されている脅威のタイプによって決まる。透明な結晶材料は、通常ＡＬＯＮ（酸窒化アルミニウム）、スピネルおよびサファイアである。これらの層に対して用いられる典型的な透明ガラス材料は、通常従来のフロートガラス処理を用いて製造される、ソーダ石灰ガラスおよびホウケイ酸ガラス等の従来のガラスである。
透明な結晶ＡＬＯＮ、スピネルおよびサファイアはすべて、ガラスの３倍を超える重量効率を実証しており、それにより装甲システムは、ガラスベースのシステムの総重量の１／３未満で同じ発射体を止めることができるが、これら結晶材料は、製作に高価な粉末処理法（ＡＬＯＮおよびスピネル）または結晶成長法（サファイア）を用いる必要がある。これら方法は、本質的に非常に高価であり、製品歩留まりが低く、仕上げる／研磨するのに非常にコストがかかる材料をもたらし、かつ、窓等の用途に必要なサイズの大きいシート状の透明材料を作製するのに適していない。さらに、特定の用途に対して湾曲シートが必要である場合、この要件によりさらに複雑になりかつコストがかかることになる。その結果、これら高性能材料は、主に研究室で用いられ、現実の状況ではほとんど用いられない。
ガラスは、高温処理を必要とする結晶材料に比較して著しい費用便益を提供する。しかしながら、ガラス装甲の弾道性能を向上させるためには、より多くの層および／またはより厚いガラスを追加しなければならない。その結果、装甲の全体の重量が、人であっても車両であってもその「ユーザ」に対してますます耐えられないものとなる。基本的な解決法は、同じガラスをより多く使用することではなく革新的な材料を使用することにあるという共通認識がある。
材料の種類として、ＧＣは、ガラスの製造し易さを、結晶材料の特性上の利益の多くと結合する。ＧＣは、徹甲（ハードスチールコア）弾を含む発射体の貫通に抵抗するために、従来のガラスに比較して著しい利点を提供する。本出願人等は、ガラス、ＧＣおよび耐スポール性裏打ちの層のさまざまな組合せの弾道試験において、硬質透明ガラスセラミック被弾面を、ガラスの１つまたは複数の中間層および耐スポール性材料を含む裏打ち層と組み合わせることにより、耐スポール性裏打ち層があるかまたはない全ガラスセラミックまたは全ガラス設計より、面密度の関数として大幅に優れた弾道性能を提供することを発見した。図２は、硬質ガラスセラミック被弾面層２６（第１または最表層）と、複数のガラス層２２（次の３つの層）と、耐スポール性材料を含む裏打ち層２４（最裏層）とを有する、本発明の積層装甲２０の図である。耐スポール性材料には、ポリカーボネートまたは他の高靭性ポリマーがあり得る。２０で表すシステムの利点は、事前に設定される速度（たとえば、所定のタイプの弾丸の初速）での発射体（矢印２１で表す）を止めることに加えて、従来のガラス積層体およびさらにはガラスセラミック／ガラスセラミック積層体より、厚さまたは面密度において必要な材料が少ないということである。図２における灰色の矢印２１は、着弾する発射体の経路を示す。
（ガラスのみの積層体に比較して）重量がより軽くかつ（結晶材料に比較して）コストがより低いことに加えて、本発明のハイブリッド構造では、必要な総ガラスセラミック厚さがはるかに小さく、たとえば、本発明の１０ｍｍ〜２０ｍｍの積層体は、ガラスセラミックのみの３０ｍｍ積層体に機能的に匹敵する。このように必要な材料がより少ないことにより、光透過の観点からガラスセラミックの製造し易さが大幅に促進される。酸化鉄等、ガラスに存在するわずかな量の不純物がＴｉＯ２（一般的な核形成剤）と反応して可視スペクトルの青色端における吸収をもたらす傾向にあるため、多くのガラスセラミックは吸収問題を受け易い。図３は、相違、したがって、「全フロートガラス」システム４０（図の左側）と比較して、ＧＣ／ガラス積層体５０（図の右側）を用いて得ることができる層低減を通しての軽量化を示す。
ガラスセラミックは、ガラスの制御された失透によってもたらされる微結晶固体である。ガラスを溶融し、成形するように加工し、その後、熱処理により非常に均一な微細構造を有する部分結晶材料にする。したがって、ガラスセラミックは、結晶成分とガラス成分とを含んでいる。制御された結晶化の基本は、効率的な内部核形成にあり、それにより、空隙、微小割れまたは他の孔のない微細なランダム配向粒子の成長が可能になる。ガラスおよびセラミックと同様に、ＧＣは、破損をもたらす歪みまで弾性挙動を示す脆性材料である。しかしながら、結晶微細構造の性質のため、強度、弾性、破壊靭性および耐摩耗性を含む機械的特性は、ＧＣの方がガラスより高い。透明装甲の用途に対して有用であることが分かったガラスセラミックは、透明性を維持しながら、２０体積％〜９８体積％の結晶成分と２体積％〜８０体積％のガラス成分とを含む。別の実施形態では、結晶成分は５０体積％〜９８体積％の範囲であり、ガラス成分は２体積％〜５０体積％の範囲である。
上述したように、静的材料特性と弾道性能との正確な相関は十分に理解されていない。１つの仮説は、理想的な装甲材料は発射体を粉砕するために十分な硬度を有していなければならないが、閾値を超えると、硬度はそれ以上性能を左右しない、ということである。この仮説は、たとえばスピネルＧＣで得られる７００〜７３０の適度であるが決して強い印象を与えるものではないヌープ硬度値によって支持される。透明なＧＣ自体の微細構造（通常、１０ｎｍ〜５０ｎｍの結晶が、材料を通して、多くの場合連続した「より軟質の」残留ガラスに均一に分散している）は、防弾性を向上させることができる。ＨａｓｓｅｌｍａｎおよびＦｕｌｒａｔｈ（「Ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ａ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｇｌａｓｓ ｍａｔｒｉｘ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．、４９（１９６６）、ｐｐ．６８〜７２）は、ガラス内における硬質な球状結晶の分散が、表面にもたらされる可能性のある欠陥のサイズを制限し、それにより強度が増大することになるという破壊理論を提案した。ＧＣの微細構造、強度および適度な硬度は、ガラスＧＣハイブリッド積層体における被弾面としてのそれらの効力を説明することができる。
種々のガラスおよびＧＣ積層体構造に対する弾道結果を、図４においてグラフに示す。図４で用いている積層体すべてにおいて、ガラス材料および／またはガラスセラミック材料とともに、１／２インチ（約１．２７ｃｍ（０．５インチ））のポリカーボネート裏打ちを用いた。図４は、積層体面密度（ポンド／平方フィート単位）に対する、ＡＰ弾道限界、すなわち、フィート／秒単位での徹甲弾を止める能力のグラフである。黒い円は、さまざまなＧＣ−ガラス構造を表している。市販のガラス積層体の対応するデータは、文献（Ｊ．Ｗ．ＭｃＣａｕｌｅｙ編、Ｃｅｒａｍｉｃ Ａｒｍｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｂｙ Ｄｅｓｉｇｎ、Ｃｅｒａｍｉｃ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ、 Ｖｏｌ．１３４（２００２））から引用している。最低面密度での高い弾道限界が望まれるものである。図５は、全ガラス積層体のものと比較したハイブリッドＧＣ−ガラス積層体の軽量化を示すグラフである。右のボックスは、各データ点に対するＧＣおよびガラス（それぞれ灰色および白色）の相対的な厚さを示す。ボックス１〜４は、全体的な厚さおよび面密度が同等である積層体を表す。ボックス１は、ガラスセラミック材料の厚さが最大であり、ボックス３は、ガラスセラミック材料の厚さが最小である。ボックス４は全ガラスである。ボックス５は、ボックス４より厚さが大きい全ガラス積層体を表す。
上記説明は、単一被弾衝撃に対する装甲性能に焦点を当てているが、実際の装甲システムは、典型的な敵対状況で通常起こるように複数の被弾に対して保護する必要がある。ＧＣ／ガラス／裏打ちサブスタックは、従来の全ガラスまたは全ＧＣ積層体に比較して単一被弾衝撃に対し著しい軽量化を示す。本発明者等は、間に層間層が積層された複数のサブスタックを備えたシステムが、複数の被弾に耐えることができることを発見した。層間層は、サブスタック間の亀裂を隔離し、隔離材料および／または間隙を含んでもよい。隔離材料は、たとえばポリマーまたはゲル等のエネルギー吸収材料を含んでもよい。第１ＧＣ／ガラス／裏打ちサブスタックは、第１被弾衝撃を止める。層間層は、第２サブスタックにおける著しい損傷を低減し、それにより、第２サブスタックが第２衝撃を止めることができる。本システムの重要な利益は、全積層を１つのオートクレーブプロセスステップで製造することができる、ということである。
図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは、単一被弾の場合に観察された軽量化が複数被弾の利益に容易につながるべきである３つの例示的なシステム設計を示す。着弾する発射体の衝撃の方向を、矢印７１、８１および９１によって表す。図６Ａは、２つのサブスタック７３、７５を備えたシステム７０を示し、そこでは各サブスタックは、ガラスセラミック被弾面層７６と、ガラスを含む少なくとも１つの中間層７２と、裏打ち層７４とを有する積層体を含む。層間層７８は、第１サブスタック７３を第２サブスタック７５から分離する。本システムは、着脱する発射体に対し被弾面層７６を向ける。
図６Ｂに、設計の変形を示し、そこでは、システム８０は２つのサブスタック８３、８５を備え、各サブスタックは、ガラスセラミック被弾面層８６と、ガラスを含む少なくとも１つの中間層８２と、裏打ちまたはスポール捕捉層８４とを有する積層体を含む。層間層８８は、第１サブスタック８３を第２サブスタック８５から分離する。本システムは、着弾する発射体に対し被弾面層８６を向ける。この実施形態における層間層８８は、２つのサブスタック間の間隙を含む。界面反射損失を低減するために、間隙を、空気、不活性ガスまたは透明ゲルで充填してもよい。間隙は、第１サブスタック８３における亀裂が第２スタック８５に損傷をもたらさないことをより確実にすることができ、それにより、可能性として複数被弾性能をさらに向上させる。
図６Ｃに、設計のさらなる変形を示し、そこでは、システム９０は２つのサブスタック９３および９５を備える。第１または正面サブスタックは、ガラスセラミック被弾面層９６と、ガラスを含む少なくとも１つの中間層９２と、たとえばポリカーボネートからなる裏打ち層またはスポール捕捉層９４とを有する積層体を含む。このシステムは、着弾する発射体に対しガラスセラミック被弾面を向ける。第２サブスタックは、ガラス被弾面層９２と、同様にガラスを含む少なくとも１つの中間層９２と、裏打ちまたはスポール捕捉層９４とを有する積層体を含む。層間層９８が、第１サブスタックを第２サブスタックから分離する。層間層９８は、この実施形態では、２つのサブスタック間の間隙を含む。間隙を、空気、不活性ガス、あるいは透明ゲルまたはポリマーで充填してもよい。間隙は、第１サブスタックにおける亀裂が第２サブスタックに損傷をもたらさないことを確実にすることができ、それにより複数被弾性能をさらに向上させる。
図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃのシステム設計では、サブスタックは層間層によって分離される。層間層は、発射体が装甲積層体に衝撃を与える結果としてのサブスタック間の亀裂を隔離する役割を果たすことができる、隔離材料で充填される。隔離材料は、ポリマー、空気、不活性ガス、ゲルおよび流体を含む。隔離材料は、（ａ）第１サブスタックが第２サブスタックの存在とは比較的無関係に変形することができるようにし、（ｂ）光学歪みを低減するようにサブスタックと一致するかまたは実質的に一致する屈折率を有し、かつ（ｃ）システムを通して光透過損失を低減するように実質的に透明であるべきである。大部分の透明な装甲システム、たとえば、遮蔽、窓（たとえば車両および建物）およびゴーグルに用いられるシステムでは、近赤外線（たとえば７００ｎｍ〜１０００ｎｍ）における透過は、可能な限り損なわれるべきではない。しかしながら、積層体システムが日中にのみまたは主に日中に使用される場合、赤外線における損失は許容することができる。逆に、システムが赤外線機器とのみまたは主に赤外線機器と使用される場合、可視域における幾分かの透過損失を許容することができる。システムが紫外線機器と使用される場合、紫外線領域における透過損失は、可能な限り低減されるべきである。したがって、（可視、赤外線および／または紫外線）光損失に対する正確な許容範囲は、積層体が適用される用途によって左右される。したがって、積層体システムで用いられる材料は、意図される用途に従って選択されるべきである。
積層体システムのガラスセラミック部分は、選択された透過領域において（たとえば、限定なしに可視域、赤外域および紫外域において）、優れた透明性と最低の光透過損失とを有するべきである。相、結晶およびガラスの正確な割合は、結晶化熱処理（セラミング）前のガラスの組成と、ガラスを結晶化するために用いられる厳密な熱処理とによって決まる。上述した教示および本明細書の他の場所における教示に従って結晶化熱処理することができるすべてのガラス材料を、装甲積層体のガラスセラミック成分として用いることができる。さらに、ガラスセラミック材料は、ヌープ硬度が少なくとも６００であるべきである。ガラスセラミックにおける所望の微細構造および結晶度レベルは、直面するであろう脅威のタイプと求められているマルチヒット（複数被弾）パターンとによって決まる可能性が高い。ガラスセラミックの例には、限定されないが、結晶成分がβ石英、スピネルおよびムライトであるガラスセラミックがある。
装甲積層体のガラス成分は、厚さが５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲の少なくとも１つのガラス層からなってもよい。一実施形態では、各個々のガラス層は、厚さが１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲である。ガラス材料は、本明細書の他の部分で説明している透過率および低ゆがみの基準を満たす任意のガラスであり得る。こうしたガラスの例には、限定されないが、ソーダ石灰ガラス、石英ガラス、ホウケイ酸ガラスおよびアルミノホウケイ酸ガラスがある。
「スポールキャッチャ」としても知られる裏打ち層は、高分子材料等の耐スポール性材料を含む。好適な高分子材料には、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエステル、ポリスルホン、および現在入手可能な透明装甲に使用される他の高分子材料がある。本発明の装甲積層体で用いるガラスセラミック材料およびガラスと同様に、耐スポール性材料は、本明細書の別の部分で説明する透過率および低歪みの基準を満たさなければならない。
一実施形態では、透明装甲積層体は、ガラスセラミックを含む被弾面層と、ガラスを含む少なくとも１つの中間層と、裏打ち層とを有している。個々の層の厚さは１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であり、それにより装甲積層体の厚さは３０ｍｍ〜６０ｍｍになる。ガラスセラミック材料のヌープ硬度は６００を上回り、好ましくは７００を上回る。
別の実施形態では、透明装甲システムは、複数のサブスタック、すなわち、複数の「ｎ」個（ｎは、１より大きい値の整数、すなわち、ｎ＝２、３、４、５、…等）のサブスタックを有する。図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは、ｎ＝２の３つの実施形態を示す。図６Ａおよび図６Ｂでは、各サブスタックは、ガラスセラミック７６、８６と、ガラスの少なくとも１つの層７２、８２と、裏打ち層７４、８４との積層体である。発射体衝撃を矢印７１、８１で示す。図６Ｃにおいて、第１サブスタックは、ガラスセラミックと、ガラスの少なくとも１つの層と、裏打ち層との積層体であり、第２サブスタックは、ガラスの少なくとも１つの層と裏打ち層との積層体である。２つ以上のサブスタックの間に層間層７８、８８が介在しており、層間層には隔離材料が充填されている。層間層は、隣接するサブスタックを隔離するのに十分な厚さである。層間層の厚さは、通常、少なくとも約０．０５０インチ（約０．１２７センチメートル）であり、かつ最大約０．５００インチ（約１．２７センチメートル）である。隔離材料は、気体、流体、高分子材料、ゲルまたはそれらの組合せであり得る。気体は、空気または不活性ガスを含んでもよく、曇りを低減するように乾燥している、すなわち低湿度であることが好ましい。高分子材料は、脆性破壊に耐性があるべきであり、靭性が高い、すなわち、打撃または衝撃に耐性があり、破壊の前にエネルギーを吸収することができることが好ましい。高靭性ポリマーの例には、ポリカーボネート、ポリウレタンおよびいくつかのアクリル樹脂がある。隔離材料は、意図される用途に応じて選択され、歪みおよび透過率損失を低減することが好ましい。
当然ながら、用途に応じて追加のスタックを使用してもよい。この実施形態の変形では、サブスタックの数は３以上であり、各被弾面層、中間層および裏打ち層の厚さの範囲は５ｍｍ〜１５ｍｍであり、それにより、サブスタックの全体の厚さの範囲は１５ｍｍ〜４５ｍｍになる。第１サブスタックにおいて、ガラスセラミック被弾面層が最も前方であり、すなわち、サブスタックにおいて着弾する発射体に向けられており、それにより、複数被弾の場合、被弾面層が、先行するサブスタックを貫通するあらゆる発射体を受け取ることになる。
図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃとして示す３つの図は、あり得るシステム設計の例であり、サブスタックにおける３つの材料タイプの入替えが可能であることが理解されるべきである。最適な設計は、直面するであろう脅威のタイプと、求められているマルチヒットパターンとによって決まる可能性が高い。ガラスセラミック被弾面が、弾性率がそれより低いガラスによって裏打ちされ、さらにそれが非常に弾性率の低いポリマー層によって裏打ちされるさまざまな構造は、発射体を粉砕し失速させる際に最適な弾道効率を提供することができ、一方で、全ガラスまたは全ガラスセラミック構造のいずれかの場合より軽量のパッケージ（装甲システム）を提供する。
実施例１
２つのサブスタックを、各サブスタックがガラスセラミック被弾面、ガラス中間層およびポリカーボネート裏打ち層を有するように作製した。各サブスタックは、３０口径ＡＰＭ２発射体を止めることができた。一方のサブスタックを他方のスタックの上部に配置し、１／４インチ（０．６３５センチメートル）のスペーサがサブスタックを分離した。オートクレーブを用いて、空隙を含む層間層を有するシステム内にサブスタックを接合した。第１サブスタックの被弾面に第１発射体を向けた。予想通りに、第１サブスタックは発射体を止め、第２サブスタックはいかなる損傷も受けなかった。第２、第３および第４発射体を、システムにＴパターンで発射した。システムは、貫通なしに４つのすべての発射体を止めた。標本は、面密度が４０．５ポンド（１８．３７キログラム）／平方フィート（約１９７．７４キログラム／平方メートル）であった。対照的に、米国陸軍は、ガラスのみの解決法の場合に５０ｌｂ（２２．６８キログラム）／平方フィート（約２４４．１２キログラム／平方メートル）を超える面密度を報告している。
実施例２
２つのサブスタックを、正面サブスタックがガラスセラミック被弾面、ガラス中間層およびポリカーボネート裏打ち層を有するように作製した。第２サブスタックは、ガラス被弾面、ガラス中間層およびポリカーボネート裏打ち層を備えていた。一方のサブスタックを他方のサブスタックの上部に配置し、１／４インチ（０．６３５センチメートル）のスペーサがサブスタックを分離した。オートクレーブを用いて、空隙を含む層間層を有するシステム内にサブスタックを接合した。第１サブスタックの被弾面に第１発射体を向けた。予想通りに、第１サブスタックは発射体を止め、第２サブスタックはいかなる損傷も受けなかった。第２、第３および第４発射体を、システムにＴパターンで発射した。システムは、貫通なしに４つのすべての発射体を止めた。標本は、面密度が３８．５ポンド（１７．５ｋｇ）／平方フィート（約１８７．９７キログラム／平方メートル）であった。
実施例３
以下を除き、実施例１と同様に２つのシステムＡおよびＢを用意した。すなわち、層間層をポリウレタンで充填し、層間層厚さが、システムＡおよびＢそれぞれに対し、わずか０．１００インチ（０．２５４センチメートル）および０．０５０インチ（０．１２７センチメートル）であった。両方の場合において、第２スタックは、第１衝撃から損傷を受けた。システムＡでは、損傷は、明らかに小さかったため、装甲サンプルはＴパターンで発射された４つの発射体すべてを止めることはできた。システムＢは最初の３つの発射体を止めたが、第４発射体は完全にシステムを貫通した。
実施例４
システムを実施例２と同様に製作したが、ポリウレタンの代りに紫外線硬化性の半透明ポリマーを用いた。０．１００インチ（０．２５４センチメートル）の層間層サンプルと０．０５０インチ（０．１２６センチメートル）の層間層サンプルとはともに、Ｔパターンで発射された４つの発射体のうち３つしか止めなかった。
実施例５
システムを実施例２と同様に製作したが、ポリウレタンの代りにシリコーンポリマーを用いた。０．１００インチ（０．２５４センチメートル）の層間層サンプルと０．０５０インチ（０．１２６センチメートル）の層間層サンプルとがともに、Ｔパターンで発射された４つの発射体のうちの３つしか止めなかった。
図７Ａ〜図７Ｈは、スタックの間に空隙がある、本発明の２スタック透明装甲システムを用いた、弾道試験を示している。第１または正面スタックはガラスセラミック被弾面を有している。第２スタックの第１または正面層はガラス被弾面を有している。図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、単一発射体が第１スタックに当たった後の２スタックシステムの正面図および背面図である。図７Ｃは、図７Ｂと同様の背面図であるが、第１スタックと第２スタックとの間の間隙に１枚の紙が挿入されている。図７Ｃに亀裂または破壊がないことは、発射体が第２スタックの正面層（第２スタック被弾面）に打ち当たらなかったことを示している。したがって、第２スタックは損傷を受けていない。図７Ｄ、図７Ｆおよび図７Ｇは、第２、第３および第４発射体が当たった後の第１スタックを示す正面図である。図７Ｇは、４つの発射体がもたらした逆のＴパターンを明らかに示している。第２スタックの亀裂を示す背面図７Ｅおよび７Ｈ（それぞれ第２発砲および第４発砲の後）のように、第２スタックに貫通はない。
本発明を、少数の実施形態に関連して説明したが、この開示の利益を有する当業者は、本明細書で開示した本発明の範囲から逸脱しない他の実施形態を考案することができることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (10)

  1. 層間層によって分離された複数のサブスタックを備える透明装甲積層体システムであって、
    正面または第１サブスタックが、
    ガラスセラミック被弾面層を含む複数の層と、
    耐スポール性材料の裏打ち層と、
    ガラスを含み、前記被弾面層と前記裏打ち層との間に積層された少なくとも１つの中間層とを備え、
    残りのサブスタックが、
    ガラスセラミック層およびガラス層からなる群から選択された少なくとも１つを備えた被弾面を含む複数の層と、
    耐スポール性材料の裏打ち層と、
    ガラスを含み、前記被弾面層と前記裏打ち層との間に積層された少なくとも１つの中間層とを備え、
    少なくとも前記正面または第１スタックと、隣接するサブスタックとの間の層間層が、気体、流体、高分子材料、ゲルおよびそれらの組合せからなる群から選択された隔離材料を含むことを特徴とする透明装甲積層体システム。
  2. 各スタックにおいて、前記ガラスセラミック／ガラス層、前記ガラス中間層および前記耐スポール性裏打ち層が、接着剤を用いて互いに接合されることを特徴とする、請求項１に記載の透明装甲積層体システム。
  3. 前記ガラスセラミックが、２０体積％〜９８体積％の結晶成分と２体積％〜８０体積％のガラス成分とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の透明装甲積層体システム。
  4. 前記結晶成分が、β石英、スピネル、ムライトおよびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする、請求項３に記載の透明装甲積層体システム。
  5. 前記ガラスセラミックが、５０体積％〜９８体積％の結晶成分と２体積％〜５０体積％のガラス成分とを含むことを特徴とする、請求項４に記載の透明装甲積層体システム。
  6. 前記ガラスが、ソーダ石灰ガラス、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラスおよびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の透明装甲積層体システム。
  7. 層間層によって分離される複数のｎ個のサブスタックを備え、ｎが１より大きい値の整数である、透明装甲積層体システムであって、
    正面または第１サブスタックが、ガラスセラミック被弾面層を含む複数の層と、耐スポール性材料を含む裏打ち層と、ガラスを含み前記被弾面層と前記裏打ち層との間に積層される少なくとも１つの中間層とを有し、
    残りのｎ−１個のサブスタックが、ガラスセラミックまたはガラス層を含む被弾面を含む複数の層と、耐スポール性材料を含む裏打ち層と、前記被弾面層と前記裏打ち層との間の少なくとも１つの中間ガラス層とを備え、
    前記層間層が、少なくとも前記正面スタックとそれに隣接するスタックとの間に、気体、流体、高分子材料、ゲルおよびそれらの組合せからなる群から選択される隔離透明材料を含み、
    前記ガラスセラミックが、２０体積％〜９８体積％の結晶成分と２体積％〜８０体積％のガラス成分とを含み、
    前記層間層が、０．０５０インチ（約０．１２７センチメートル）から０．５００インチ（約１．２７センチメートル）の厚さであることを特徴とする透明装甲積層体システム。
  8. ｎが２より大きいことを特徴とする、請求項７に記載の透明装甲積層体システム。
  9. 前記結晶成分が、β石英、スピネル、ムライトおよびそれらの組合せからなる群から選択されることを特徴とする、請求項７に記載の透明装甲積層体システム。
  10. 前記サブスタックが１５ｍｍ〜４５ｍｍの厚さであることを特徴とする、請求項７に記載の透明装甲積層体システム。
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