JP4945245B2 - Boron carbide composite and method for producing the same - Google Patents

Boron carbide composite and method for producing the same Download PDF

Info

Publication number
JP4945245B2
JP4945245B2 JP2006541654A JP2006541654A JP4945245B2 JP 4945245 B2 JP4945245 B2 JP 4945245B2 JP 2006541654 A JP2006541654 A JP 2006541654A JP 2006541654 A JP2006541654 A JP 2006541654A JP 4945245 B2 JP4945245 B2 JP 4945245B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon
boron carbide
armor
preform
composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006541654A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2007513854A5 (en
JP2007513854A (en
Inventor
マイケル, ケー. アグジャニアン,
アリーン, エル. マコーミック,
ブラッドリー, エヌ. モルガン,
ジュニア., アンソニー, エフ. リスケヴィッチ,
ジェフェリー, アール. ランバーグ,
デヴィッド, ダブリュー. マッケナー,
Original Assignee
エム キューブド テクノロジーズ, インコーポレイテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by エム キューブド テクノロジーズ, インコーポレイテッド filed Critical エム キューブド テクノロジーズ, インコーポレイテッド
Publication of JP2007513854A publication Critical patent/JP2007513854A/en
Publication of JP2007513854A5 publication Critical patent/JP2007513854A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4945245B2 publication Critical patent/JP4945245B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41WEAPONS
    • F41HARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00Armour; Armour plates
    • F41H5/02Plate construction
    • F41H5/04Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0414Layered armour containing ceramic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/563Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on boron carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0022Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof obtained by a chemical conversion or reaction other than those relating to the setting or hardening of cement-like material or to the formation of a sol or a gel, e.g. by carbonising or pyrolysing preformed cellular materials based on polymers, organo-metallic or organo-silicon precursors
    • C04B38/0032Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof obtained by a chemical conversion or reaction other than those relating to the setting or hardening of cement-like material or to the formation of a sol or a gel, e.g. by carbonising or pyrolysing preformed cellular materials based on polymers, organo-metallic or organo-silicon precursors one of the precursor materials being a monolithic element having approximately the same dimensions as the final article, e.g. a paper sheet which after carbonisation will react with silicon to form a porous silicon carbide porous body
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/5093Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials with elements other than metals or carbon
    • C04B41/5096Silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81Coating or impregnation
    • C04B41/85Coating or impregnation with inorganic materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00905Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as preforms
    • C04B2111/00913Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as preforms as ceramic preforms for the fabrication of metal matrix comp, e.g. cermets
    • C04B2111/00931Coated or infiltrated preforms, e.g. with molten metal
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/20Resistance against chemical, physical or biological attack
    • C04B2111/2038Resistance against physical degradation
    • C04B2111/2046Shock-absorbing materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3817Carbides
    • C04B2235/3821Boron carbides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3817Carbides
    • C04B2235/3826Silicon carbides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/428Silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208Fibers
    • C04B2235/5216Inorganic
    • C04B2235/524Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5248Carbon, e.g. graphite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54Particle size related information
    • C04B2235/5418Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5436Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof micrometer sized, i.e. from 1 to 100 micron
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/616Liquid infiltration of green bodies or pre-forms

Description

関連出願の相互参照Cross-reference of related applications

[0001]本特許文献は、2003年11月25日に出願された共同所有の米国特許仮出願第60/524,916号の優先権を主張するものである。さらに、本特許文献は、2002年10月15日出願された共同所有の部分継続米国特許出願第10/271,312号であり、これは、2001年11月20日に出願された共同所有の部分継続米国特許出願第09/990,175号であり、現在許可され、2001年10月15日出願された共同所有の米国特許仮出願第60/329,358号、および2000年11月21日出願された第60/252,489号の優先権を主張する。これらの共同所有の特許出願の全体の開示は、参照により明白に組み込まれている。   [0001] This patent application claims priority to co-owned US Provisional Application No. 60 / 524,916, filed Nov. 25, 2003. Further, this patent document is a co-owned partially continued US patent application Ser. No. 10 / 271,312 filed Oct. 15, 2002, which is a co-owned patent application filed Nov. 20, 2001. Co-owned US Provisional Application No. 60 / 329,358, filed Oct. 15, 2001, which is a partial continuation U.S. patent application Ser. No. 09 / 990,175, and Nov. 21, 2000. Claim priority of filed 60 / 252,489. The entire disclosure of these jointly owned patent applications is expressly incorporated by reference.

[0002]本発明は、金属溶浸工程によって製造された金属−セラミック複合体、例えばケイ素溶浸複合体に関する。さらに詳細には、本発明は、炭化ホウ素充填材または補強材を有する反応結合およびケイ素化された複合体、およびそれらの炭化ホウ素複合体から製造された防弾装甲構造に関する。また、本複合体は極めて剛性があり、その低い比重の可能性と組み合わされて、半導体製造に用いられる機械などの精密装置の用途における魅力的な候補材料になる。   [0002] The present invention relates to metal-ceramic composites, such as silicon infiltrated composites, produced by a metal infiltration process. More particularly, the present invention relates to reactively bonded and siliconized composites having boron carbide filler or reinforcement, and bulletproof armor structures made from those boron carbide composites. Also, the composite is extremely rigid and combined with its low specific gravity capability makes it an attractive candidate material for precision equipment applications such as machinery used in semiconductor manufacturing.

<1.他の関連技術の説明>
[0003]多くの用途において、重量は重要な要因ではなく、鋼などの従来材料は、弾道発射体および弾片などの空からの脅威に対してあるレベルの保護を提供することができる。鋼製装甲は低コストの利点と、それらが組み込まれる装置の構造部材として働くこともできる利点を提供する。ここ数十年間、ある種の硬質セラミックがある種の装甲用途に開発された。アルミナ、炭化ホウ素、炭化ケイ素など、これらのセラミック系装甲は、同じ弾道衝撃停止力に対して鋼よりも質量が軽いという利点を提供する。したがって、(人間の)身体の装甲および航空機装甲など、できるだけ軽い質量が重要である装甲の用途において、低比重の装甲材料が必要とされる。密度が低いほど、同じ面積密度で与えうる装甲の厚さはより厚い。一般に、装甲の容積が大きいと、入射する発射体に打ち勝つ目的に適合することができるので、厚い装甲材料は薄いものよりも望ましい。さらに、より厚い装甲プレート上への発射体の衝撃は、衝撃を受けた反対側のプレート面の引っ張り応力を、より薄い装甲プレートの裏面に生じるであろう応力よりも少なくする。したがって、セラミックなどの脆い材料に関しては、装甲の裏面の過剰な引っ張り応力による脆性破壊を防止することが重要であり、さもなければ、装甲は簡単に破壊される。むしろ、それらの引っ張り応力を防止することによって、発射体の動エネルギーは、おそらく装甲体内部に完全に吸収することができ、そのエネルギー吸収は、多数の破壊の形、例えば粉砕の形で、装甲材料の非常に大きな新しい表面を形成することは明らかである。
<1. Explanation of other related technologies>
[0003] In many applications, weight is not an important factor, and conventional materials such as steel can provide a level of protection against airborne threats such as ballistic projectiles and pieces. Steel armor offers the advantage of low cost and the ability to act as a structural member of the equipment in which they are incorporated. Over the last few decades, certain hard ceramics have been developed for certain armored applications. These ceramic armor, such as alumina, boron carbide, silicon carbide, offers the advantage of being lighter in weight than steel for the same ballistic impact stopping force. Therefore, low-weight armor materials are needed in armor applications where the lowest possible mass is important, such as (human) body armor and aircraft armor. The lower the density, the thicker the armor thickness that can be given with the same area density. In general, a thick armor material is preferable to a thin one, since a large armor volume can be adapted to overcome the incident projectile. Further, the impact of the projectile on the thicker armor plate causes the tensile stress on the opposite plate surface to be impacted less than would occur on the back side of the thinner armor plate. Therefore, for brittle materials such as ceramic, it is important to prevent brittle fracture due to excessive tensile stress on the backside of the armor, otherwise the armor is easily destroyed. Rather, by preventing their tensile stress, the kinetic energy of the projectiles can probably be absorbed completely inside the armor body, which energy absorption is in the form of numerous fractures, for example in the form of shattering, Obviously it forms a very large new surface of the material.

[0004]Ezisの米国特許第5,372,978号は、主として炭化ケイ素からなり、ホットプレス技術によって作られた発射体耐装甲を開示する。密度を高める目的で約3重量%までの窒化アルミニウムを加えることができる。完成された製品は、約7ミクロン未満の最適粒子サイズを有する微小構造を特徴とする。破壊は粒子間であり、エネルギーを吸収するクラックディフレクションであることを示す。さらに、材料の構造的な完全さを妥協せずに、より安価で純度の低い炭化ケイ素を使用することができることは、製造の経済性を高める。   [0004] U.S. Pat. No. 5,372,978 to Ezis discloses a projectile armor resistant armor made primarily of silicon carbide and made by hot pressing technology. Up to about 3% by weight aluminum nitride can be added to increase density. The finished product is characterized by a microstructure having an optimum particle size of less than about 7 microns. Destruction is between particles, indicating that it is crack deflection that absorbs energy. Furthermore, the ability to use cheaper and less pure silicon carbide without compromising the structural integrity of the material increases the economics of manufacturing.

[0005]Lihleichらの米国特許第4,604,249号は特に装甲車両に適した組成物を開示する。組成物は炭化ケイ素と鋼または鋼合金の複合体である。ケイ素と炭素粒子は、場合によって炭化ケイ素粒子を含んで、有機結合剤と混合され、次いで成形体をつくるために型に入れられる。次いで、成形体は約800℃〜約1000℃の範囲の最高温度でコークス化される。次いで、少なくとも圧力1バールの不活性雰囲気中で、温度を急速に約1400℃〜約1600℃の範囲へ上昇する。この温度範囲で、ケイ素と炭素は反応して炭化ケイ素を形成し、それによって多孔質体を生成する。次いで、真空室内で孔を脱気し、多孔質体を溶融鋼または鋼合金に浸漬する。金属は孔を充填し、高密度の複合体装甲材料を生成する。   [0005] US Patent No. 4,604,249 to Lihleich et al. Discloses a composition particularly suited for armored vehicles. The composition is a composite of silicon carbide and steel or steel alloy. Silicon and carbon particles, optionally containing silicon carbide particles, are mixed with an organic binder and then placed in a mold to form a shaped body. The compact is then coked at a maximum temperature in the range of about 800 ° C to about 1000 ° C. The temperature is then rapidly raised to a range of about 1400 ° C. to about 1600 ° C. in an inert atmosphere at least at a pressure of 1 bar. In this temperature range, silicon and carbon react to form silicon carbide, thereby producing a porous body. Next, the holes are degassed in a vacuum chamber, and the porous body is immersed in molten steel or steel alloy. The metal fills the pores, producing a dense composite armor material.

[0006]Weaverの米国特許第3,725,015号は、用途の中でも特に、弾道発射体による侵入に対する保護のための装甲材料として有用な複合耐熱性物品を開示する。これらの組成物は、粉状耐熱材料(炭化ホウ素とすることができよう)と、約10〜35容積部の有機結合剤材料または元素状炭素の炭素性材料などの炭素含有物質を冷間プレスして予備成形品を形成し、この予備成形品を熱処理して炭素性材料を炭素に変換し、次いで加熱された予備成形品を、少なくとも2種の金属を収容し1700℃〜1900℃の温度に維持された溶融金属浴に接触させることによって調製される。溶融金属は予備成形品に溶浸し、耐火材料マトリックスは焼結し、金属成分の少なくとも1種は炭素と反応して金属炭化物を生成する。金属混合物の熱膨張係数は耐熱材マトリックスのそれに近いかまたはそれよりも僅かに大きいので、複合体の形状は本質的に亀裂および残留歪みなしに室温まで冷える。Weaverは、最終製品に望ましい特性によって定まる因子以外に粒子サイズに固定の因子はないが、プレスされる混合物を作る粉状材料の粒子には、約350ミクロンの最大サイズが好ましいと述べている。さらに、彼は耐熱材料の金属成分として金属混合物に同じ金属を加えることを推奨する。例えば、彼は、炭化ホウ素が耐熱材料であるならば、約6%のホウ素を溶融金属混合物に組み込むことで、炭化ホウ素からホウ素が溶出することを防止すると述べている。   [0006] Weaver U.S. Pat. No. 3,725,015 discloses a composite heat resistant article useful as an armor material for protection against intrusion by ballistic projectiles, among other uses. These compositions cold press a powdered refractory material (which could be boron carbide) and about 10-35 parts by volume of an organic binder material or a carbonaceous material of elemental carbon. Forming a preform, heat treating the preform to convert the carbonaceous material to carbon, and then heating the preform into a temperature between 1700 ° C and 1900 ° C containing at least two metals. Prepared by contacting with a molten metal bath maintained at a constant temperature. Molten metal infiltrates into the preform, the refractory material matrix sinters, and at least one of the metal components reacts with carbon to form a metal carbide. Since the coefficient of thermal expansion of the metal mixture is close to or slightly greater than that of the refractory matrix, the shape of the composite cools to room temperature essentially without cracking and residual strain. Weaver states that there is no fixed factor in particle size other than the factor dictated by the properties desired for the final product, but a maximum size of about 350 microns is preferred for the particles of powdered material making up the pressed mixture. In addition, he recommends adding the same metal to the metal mixture as the metal component of the refractory material. For example, he states that if boron carbide is a refractory material, incorporating about 6% boron into the molten metal mixture prevents boron from eluting from the boron carbide.

[0007]Weaverの米国特許第4,104,062号明細書は、弾道発射体に対する保護装甲として適した、高密度のアルミニウムで修飾した炭化ホウ素組成物を開示する。約70〜97重量%の炭化ホウ素に約3〜30%のアルミニウム粉が混合される。一時的な結合剤をこの混合物に加え、成形体がプレスされる。次いで、この予備成形品は酸素のない雰囲気下で少なくとも500psi(3.5MPa)、1800℃〜約2300℃の温度でホットプレスされる。   [0007] Weaver U.S. Pat. No. 4,104,062 discloses a high density aluminum modified boron carbide composition suitable as protective armor for ballistic projectiles. About 3 to 30% aluminum powder is mixed with about 70 to 97% by weight boron carbide. A temporary binder is added to the mixture and the compact is pressed. The preform is then hot pressed at a temperature of at least 500 psi (3.5 MPa), 1800 ° C. to about 2300 ° C. in an oxygen free atmosphere.

[0008]Mossの米国特許第3,857,744号明細書は、炭化ホウ素を含む複合体物品の製造法を開示する。詳細には、炭化ホウ素粒子の均一な混合物と一時的な結合剤を含む成形体が冷間プレスされる。Mossは炭化ホウ素粒子のサイズは重要ではなく、600グリット〜120グリットの範囲で任意のサイズを用いることができると述べている。成形体は約1450℃〜約1550℃の範囲の温度に加熱され、溶融ケイ素が溶浸する。ケイ素が溶融したホウ素または炭素を含むとは述べていない。結合剤は加熱作業の早い段階で除去される。次いで、ケイ素含浸炭化ホウ素体を有機樹脂裏打ち材料に結合し、装甲プレートを製造することができる。   [0008] U.S. Pat. No. 3,857,744 to Moss discloses a method for making a composite article comprising boron carbide. Specifically, a compact comprising a uniform mixture of boron carbide particles and a temporary binder is cold pressed. Moss states that the size of the boron carbide particles is not critical and that any size in the range of 600 grit to 120 grit can be used. The shaped body is heated to a temperature in the range of about 1450 ° C. to about 1550 ° C. and molten silicon is infiltrated. No mention is made that silicon contains molten boron or carbon. The binder is removed early in the heating operation. The silicon impregnated boron carbide body can then be bonded to an organic resin backing material to produce an armor plate.

[0009]Baileyの米国特許第3,859,399号明細書は、二ホウ素化チタンおよび炭化ホウ素を含む成形体に、約1475度の温度で、溶融ケイ素を溶浸させることを開示する。成形体は、さらに場合によって炭化することのできる一時的な結合剤を含む。二ホウ素化チタンは実質上影響を受けずに残るが、溶融ケイ素は少なくとも炭化ケイ素のいくらかと反応していくらかの炭化ケイ素をその場で生成する。得られる複合体の曲げ強度は、約140MPaと比較的控えめであった。個人用、車両用、および航空機用装甲を含む様々な用途が開示されている。   [0009] Bailey, US Pat. No. 3,859,399 discloses infiltrating molten silicon into a compact comprising titanium diboride and boron carbide at a temperature of about 1475 degrees. The shaped body further comprises a temporary binder which can optionally be carbonized. While titanium diboride remains substantially unaffected, molten silicon reacts with at least some of the silicon carbide to produce some silicon carbide in situ. The flexural strength of the resulting composite was relatively modest, about 140 MPa. Various applications are disclosed, including personal, vehicle and aircraft armor.

[0010]Taylorらの米国特許第3,796,564号明細書は、特にセラミック装甲として意図された硬質の高密度炭化物複合セラミック材料を開示する。粒状炭化ホウ素は、結合剤と混合され、予備成形品に形状加工され、固化される。次いで、予備成形品は不活性雰囲気中で制御された量の溶融ケイ素と共に約1500℃〜約2200℃の温度範囲で熱処理され、溶融ケイ素は予備成形品に溶浸し、炭化ホウ素のいくらかと反応する。形成された物体は炭化ホウ素、炭化ケイ素、およびケイ素を含む。Taylorらは、それらが大口径で高速の発射体に対する保護に必要な最適特性に欠けるにしても、それらの複合体が小口径で低速の発射体に対して保護する装甲として好適であると述べている。彼らは、ある量の炭化ホウ素相の反応を望むが、彼らは、過剰の反応がしばしば物体の亀裂を招き、したがって、過剰の加工温度および過剰に微細な粒状炭化ホウ素はこの点で有害であることを認識する。同時に、彼らは、過剰に大きなサイズの粒子は強度が低くなり弾道衝撃性能を劣化させることも認める。   [0010] Taylor et al., US Pat. No. 3,796,564, discloses a hard, high-density carbide composite ceramic material specifically intended for ceramic armor. The granular boron carbide is mixed with a binder, shaped into a preform and solidified. The preform is then heat treated with a controlled amount of molten silicon in an inert atmosphere at a temperature range of about 1500 ° C. to about 2200 ° C., and the molten silicon infiltrates the preform and reacts with some of the boron carbide. . The formed body includes boron carbide, silicon carbide, and silicon. Taylor et al. Stated that these composites are suitable as armor to protect against small-caliber, low-speed projectiles, even though they lack the optimal properties necessary to protect against large-caliber, high-speed projectiles. ing. They want a certain amount of boron carbide phase to react, but they often have excessive reactions that lead to cracking of the body, so excessive processing temperatures and excessively fine granular boron carbide are detrimental in this respect Recognize that. At the same time, they also find that excessively large sized particles are less strong and degrade ballistic impact performance.

[0011]上述の装甲発明のいずれも、ひとつまたは他の欠点を有する。ホットプレスは高価であり、形状の制限がある。ホットプレスされた、または焼結されたセラミックは、反応結合した炭化ケイ素(「RBSC」)ほどに寸法公差を保持しない。鉄マトリックス複合材料はセラミック装甲に比べて重い。この文献でしばしば「反応結合炭化ホウ素」または「RBBC」と呼ばれる、炭化ホウ素の強化材を有する従来のRBSC装甲は、ケイ素溶浸材との反応によって、微小構造が顕著に粗化するのと同時に、炭化ホウ素のいくらか、特により細かい粒子サイズの炭化ホウ素を失う。これは以下で詳細に示す。1475℃の比較的低い温度においてさえも炭化ホウ素は溶融ケイ素と化学反応を起こすことができる。SiC充填材を含む複合材については、2200℃の溶浸温度は高すぎ、粒子の拡大成長、および微小構造の有害な粗化を招きうる。   [0011] Any of the armored inventions described above have one or other disadvantages. Hot presses are expensive and have shape limitations. Hot pressed or sintered ceramics do not retain dimensional tolerances as well as reaction bonded silicon carbide (“RBSC”). Iron matrix composites are heavier than ceramic armor. Conventional RBSC armor with boron carbide reinforcement, often referred to in this document as “reaction-bonded boron carbide” or “RBBC”, simultaneously undergoes significant roughening of the microstructure due to reaction with the silicon infiltrant. Losing some of the boron carbide, especially the finer particle size boron carbide. This is shown in detail below. Even at relatively low temperatures of 1475 ° C., boron carbide can chemically react with molten silicon. For composites containing SiC fillers, the infiltration temperature of 2200 ° C. is too high and can lead to particle growth and deleterious roughening of the microstructure.

[0012]先行の特許文献の概要が示すように、ケイ素溶浸工程によって作られた炭化ケイ素複合材および炭化ホウ素複合材は、数十年前に装甲材料の候補として提案され評価された。   [0012] As outlined in the prior patent literature, silicon carbide composites and boron carbide composites made by a silicon infiltration process were proposed and evaluated as armored material candidates decades ago.

[0013]1987年の第3回TACOM装甲協定会議(the Third TACOM Armor Coordinating Conference)において、Viechnickiらは、焼結およびホットプレスされた炭化ケイ素材料に対するRBSC材料の弾道衝撃試験を報告した。Viechnickiらは、RBSCが実質上他の炭化ケイ素よりも劣るだけではなく、最小量の第2相および多孔質を有するより純粋なモノリシックセラミックは、多相および複合セラミックよりも良好な弾道衝撃性能を有するという全体的な結論を得た。(D.J.Viechnicki、W.Blumenthal、M.Slavin、C.Tracy、およびH.Skeele、「装甲セラミック(Armor Cramics)−1987」、第3回TACOM装甲協定会議、Monterey、CA(米国戦車−自動車指令(U.S.Tank−Automotive Command)、Warren、MI、1987)27〜53頁。)   [0013] At the 3rd TACOM Armor Coordinating Conference in 1987, Vienicki et al. Reported ballistic impact testing of RBSC materials on sintered and hot pressed silicon carbide materials. Vienicki et al. Not only have RBSC substantially inferior to other silicon carbides, but also purer monolithic ceramics with minimal amounts of second phase and porosity have better ballistic impact performance than multiphase and composite ceramics. Got the overall conclusion to have. (D.J. Vienicki, W. Blumenthal, M. Slavin, C. Tracy, and H. Skele, "Armor Ceramics-1987", 3rd TACOM Armor Agreement, Monterey, CA (US Tanks- (Automotive Command (US Tank-Automotive Command), Warren, MI, 1987) 27-53.)

[0014]したがって、焼結またはホットプレス炭化ケイ素に対してRBSCが価格の利点を有するにもかかわらず、市場が好んだのは焼結またはホットプレスされたモノリシックセラミック製品であった。実際に、いくつかの情報源によれば、近年、RBSCは装甲材料として真剣に考慮する価値がないという風評が広がっている。出願人の製品が紹介されるまで、RBSC装甲はわずかしか市場に見当たらなかった。   [0014] Therefore, despite the price advantages of RBSC over sintered or hot pressed silicon carbide, the market preferred was a sintered or hot pressed monolithic ceramic product. In fact, according to several sources, in recent years there has been an increasing reputation that RBSC is not worth considering seriously as an armored material. Until the applicant's product was introduced, there was little RBSC armor on the market.

[0015]弾道衝撃事象の詳細は複雑である。弾道発射体に打ち勝つために広く支持されたひとつの理論は、装甲が発射体を破壊して、それが装甲を貫通する前にそれを衰退させることが可能でなければならないことである。候補の装甲材料の圧縮強度および硬度は重要なはずである。上述のTaylorらの装甲特許は、例えば、強度と弾道衝撃性能の相関を示唆する。彼らは、最も大きな粒子のサイズが300ミクロンを超えると、破壊の剪断係数および弾道衝撃性能が低下することに注目した。炭化ホウ素のサイズを直径約300ミクロン以下に保つことによって、それらの反応結合した炭化ホウ素体は破壊の260MPaほどの高さの剪断係数を得ることができ、装甲用途には強度は少なくとも200MPaにすべきであることを彼らは推奨した。   [0015] The details of the ballistic impact event are complex. One theory that has been widely supported to overcome ballistic projectiles is that the armor must be able to destroy the projectile and cause it to decay before it penetrates the armor. The compressive strength and hardness of the candidate armor material should be important. The Taylor et al. Armor patent mentioned above, for example, suggests a correlation between strength and ballistic impact performance. They noted that when the size of the largest particle exceeds 300 microns, the shear modulus and ballistic impact performance of the failure are reduced. By keeping the size of the boron carbide below about 300 microns in diameter, their reactively bonded boron carbide bodies can obtain a shear modulus as high as 260 MPa for fracture, and for armor applications, the strength should be at least 200 MPa. They recommended that they should.

[0016]装甲開発の業界には、候補となる装甲材料に硬度が実際に重要であり、特に装甲の硬度は少なくとも発射体の硬度程度に大きくなければならないという合意があるように見える。しかし、これらの試験中の装甲材料は、強度因子に関して機械的強度(引っ張りおよび圧縮の両方)と弾道衝撃性能間の相関を取ることは困難であった。実際に、硬度以外に、セラミック材料における良好な装甲特性の良好な予測として機能する単一の静的特性はないように思われる。代わりに、装甲開発者達が材料開発者達に提供した実際の弾道衝撃試験に基づく指針は、候補となる装甲は一般に高い硬度と高い弾性係数、低いポアソン比と低い多孔質の組み合わせを有すべきであるということであった(Viechnickiら、32〜33頁)。   [0016] It appears that there is an agreement in the armor development industry that hardness is really important to the candidate armor material, and in particular that the hardness of the armor should be at least as high as that of the projectile. However, the armor materials under test were difficult to correlate between mechanical strength (both tensile and compressive) and ballistic impact performance with respect to strength factors. Indeed, besides hardness, there does not appear to be a single static property that serves as a good predictor of good armor properties in ceramic materials. Instead, guidelines based on actual ballistic impact testing provided by armor developers to material developers suggest that candidate armor generally has a combination of high hardness and high modulus, low Poisson's ratio and low porosity It should have been (Vienicki et al., Pages 32-33).

[0017]本発明者らは、その防弾性能がホットプレスされた装甲などの他の装甲セラミックに比肩する材料を低コストで開発できると信じたので、候補の装甲材料としてRBSC、さらに詳細には、RBBCに再び戻った。   [0017] The inventors believed that the bulletproof performance could be developed at a lower cost compared to other armored ceramics such as hot pressed armor, so RBSC as a candidate armor material, and more specifically , Returned to RBBC again.

<2.共同所有の特許に関する議論>
[0018]Waggonerらの米国特許第6,503,572号明細書は、反応結合または反応形成した炭化ケイ素体はケイ素と少なくとも1種の金属、例えばアルミニウムを含む溶浸材を用いて形成することができることを教示する。このようにしてケイ素相を修飾することによって、得られる複合材の物理的特性および他の重要な処理現象の成果を微調整することができる。それらの炭化ケイ素複合材料は、特に、精密装置、ロボット、工具、装甲、電子実装および熱管理、および半導体製造産業で注目されている。意図される特定の製造品目は、半導体ウェーハ取扱装置、真空チャック、静電気チャック、空気ベアリング筐体もしくは支持枠、電子実装および基板、機械工具の架橋および基底、ミラー基板、ミラー台および平坦なパネル表示据付具を含む。
<2. Discussion on jointly owned patents>
[0018] US Pat. No. 6,503,572 to Wagoner et al. States that a reactively bonded or reaction-formed silicon carbide body is formed using an infiltrant containing silicon and at least one metal, such as aluminum. Teaching that you can. By modifying the silicon phase in this way, the physical properties of the resulting composite and the results of other important processing phenomena can be fine-tuned. These silicon carbide composite materials are of particular interest in precision equipment, robots, tools, armor, electronic packaging and thermal management, and the semiconductor manufacturing industry. Specific intended items of manufacture include semiconductor wafer handling equipment, vacuum chucks, electrostatic chucks, air bearing housings or support frames, electronic mounting and substrates, bridging and bases for machine tools, mirror substrates, mirror stands and flat panel displays Includes fixtures.

[0019]McCormickらの米国特許第6,609,452号明細書は、微細粒子の反応結合した複合材料は、特に小さな武器の発泡に対して優れた弾道衝撃特性を提供できることを教示する。「微細粒子」は、約100ミクロン以上のサイズが、複合材料の微小構造を形成する形態学的形状の約10体積%を超えてはならないことを意味する。複合材料は、1種または複数の硬質強化物質で装填されることが好ましく、特に炭化ケイ素が好ましい。   [0019] McCorick et al., US Pat. No. 6,609,452, teaches that fine particle reactively bonded composites can provide superior ballistic impact properties, especially for small weapon foaming. “Fine particles” means that a size of about 100 microns or more should not exceed about 10% by volume of the morphological shape forming the microstructure of the composite material. The composite material is preferably loaded with one or more hard reinforcing substances, in particular silicon carbide.

[0020]これらの共同所有の米国特許の教示は参照により本明細書に組み込まれている。   [0020] The teachings of these co-owned US patents are incorporated herein by reference.

[0021]本発明のひとつの目的は、軽量で硬く、強くて実質上孔のない複合材料を製造することである。   [0021] One object of the present invention is to produce a composite material that is lightweight, stiff, strong and substantially free of pores.

[0022]本発明のひとつの目的は、精密装置および核エネルギー用途に有用な複合材料を製造することである。   [0022] One object of the present invention is to produce composite materials useful for precision equipment and nuclear energy applications.

[0023]本発明のひとつの目的は、炭化ホウ素の割合の多いことを特徴とするケイ素溶浸工程によって複合材料を製造することである。   [0023] One object of the present invention is to produce a composite material by a silicon infiltration process characterized by a high proportion of boron carbide.

[0024]本発明のひとつの目的は、処理中に、炭化ホウ素相と溶融ケイ素溶浸材の化学反応が減衰または抑制された、反応結合した炭化ホウ素複合材料を製造することである。   [0024] One object of the present invention is to produce a reactively bonded boron carbide composite in which the chemical reaction between the boron carbide phase and the molten silicon infiltrant is attenuated or suppressed during processing.

[0025]本発明のひとつの目的は、炭化ホウ素とケイ素の間の化学反応を減衰させることによって、化学反応の減衰のないものよりも小さなまたは微細な粒子サイズの炭化ホウ素相を特徴とするケイ素溶浸炭化ホウ素複合材料を製造することである。   [0025] One object of the present invention is to provide silicon characterized by a boron carbide phase having a smaller or finer particle size than those without chemical reaction attenuation by attenuating the chemical reaction between boron carbide and silicon. It is to produce an infiltrated boron carbide composite material.

[0026]本発明のひとつの目的は、その弾道衝撃性能が少なくともアルミナまたはホットプレス炭化ホウ素などの市販されているセラミック装甲に近い防弾装甲を製造することである。   [0026] One object of the present invention is to produce a bulletproof armor whose ballistic impact performance is at least close to commercially available ceramic armor such as alumina or hot pressed boron carbide.

[0027]本発明のひとつの目的は、ホットプレスされたセラミック装甲よりも安価な防弾装甲を製造することである。   [0027] One object of the present invention is to produce bulletproof armor that is cheaper than hot pressed ceramic armor.

[0028]これらの目的および他の望ましい特性は、炭化ホウ素複合体の応用と技術によって達成することができる。好ましいが唯一ではない本発明の実施形態によれば、ケイ素および1種または複数のホウ素源を含む溶融溶浸材を、少なくともいくらかの炭化ホウ素を含み、また少なくともいくらかの反応性がありまたは「遊離」炭素も含む多孔質の塊に接触させる。溶融溶浸材は圧力または真空の助けなしに多孔質の塊に溶浸し、理論的密度に近い複合体を形成する。溶浸材のケイ素成分は、多孔質の塊中の遊離炭素と反応し、マトリックス相として炭化ケイ素をその場で形成する。さらに、溶融ケイ素が炭化ケイ素成分と反応する傾向は、ホウ素源および炭素源の1種または両方とケイ素を合金化すること、またはドープすることによって、抑制または少なくとも大きく減衰させることができる。このようにして得られる複合体は炭化ケイ素マトリックス全体に分散または分配された炭化ホウ素を含む。典型的に、ケイ素および少量ではあるが検出可能な量のホウ素および炭素を含む、残った未反応の溶浸材相もいくらか存在し、同様にマトリックス全体に分配または相互分散する。したがって、これらの複合材料は短縮形でSi/SiC/BCと記すことができる。 [0028] These objectives and other desirable properties can be achieved through the application and technology of boron carbide composites. According to a preferred but not the only embodiment of the invention, the molten infiltrant comprising silicon and one or more boron sources comprises at least some boron carbide and at least some reactive or “free” Contact with a porous mass that also contains carbon. The molten infiltrant infiltrates into the porous mass without the aid of pressure or vacuum, forming a composite close to the theoretical density. The silicon component of the infiltrant reacts with free carbon in the porous mass to form silicon carbide in situ as the matrix phase. Furthermore, the tendency of molten silicon to react with the silicon carbide component can be suppressed or at least greatly attenuated by alloying or doping silicon with one or both of a boron source and a carbon source. The composite thus obtained contains boron carbide dispersed or distributed throughout the silicon carbide matrix. There is also some residual unreacted infiltrant phase, typically containing silicon and small but detectable amounts of boron and carbon, which are also distributed or interdispersed throughout the matrix. Therefore, these composite materials can be abbreviated as Si / SiC / B 4 C.

[0029]炭化ホウ素補強を特徴とする反応形成された複合材は、通常の炭化ケイ素補強を特徴とするその競合品に比肩し得る剛性(例えば弾性またはヤング率)を有するが、同じ容積の充填材装填でより低い比重を示す。したがって、それらのBC補強SiC複合材は、しばしば高い加速度で精密な動作制御を要求する装置など、低質量で高剛性を必要とする用途に有用性を見出すであろう。さらに、炭化ホウ素の極めて高い硬度と低い比重故に、それらの複合材は魅力的な装甲材料の候補である。 [0029] Reaction formed composites characterized by boron carbide reinforcement have comparable stiffness (eg, elasticity or Young's modulus) to their competitors characterized by conventional silicon carbide reinforcement, but with the same volume filling Lower specific gravity with material loading. Therefore, these B 4 C reinforced SiC composites will find utility in applications requiring low mass and high stiffness, such as devices that often require precise motion control at high accelerations. Furthermore, because of the extremely high hardness and low specific gravity of boron carbide, these composites are attractive armor material candidates.

[0030]本発明に含まれる他の実施形態において、炭化ホウ素補強を特徴とする複合体はケイ素化工程によって作ることができる。ここで、予備成形品は、実質上溶融ケイ素金属と反応する形の炭素を含まず(例えば遊離炭素がない)、または少なくとも反応するのに十分な量の遊離炭素を含まない。ケイ素を含む溶融金属は、その場で炭化ケイ素相を形成することなく、多孔質の塊または予備成形品に溶浸する。   [0030] In another embodiment included in the present invention, a composite featuring boron carbide reinforcement can be made by a siliconization process. Here, the preform is substantially free of carbon in a form that reacts with the molten silicon metal (eg, free of free carbon) or at least does not contain a sufficient amount of free carbon to react. Molten metal containing silicon infiltrates into a porous mass or preform without forming a silicon carbide phase in situ.

[0031]特に装甲の実施形態において、本発明者らは、既知の硬度要件を比較的微細粒子の微小構造と組み合わせるとき、非常に望ましい装甲材料が製造できることを見出した。この微小構造を達成するために、溶浸中の化学反応の程度を最小にすること、および微小構造の生成(再結晶化または焼結の他の形)を最小にすることが重要である。この目的のために、発明者らは、溶浸すべき予備成形品の硬質充填材料を構成する物体(例えば粒子)のサイズを制限することを推奨する。一般に、充填材粒子のサイズは、直径約300〜350ミクロン以下に保つべきであり、小口径武器の発射に打ち勝つ非常に良好な性能は、全ての形態学的形状もしくは少なくともセラミック相の少なくとも90体積%が約100ミクロンのサイズに保たれるときに実現される。したがって、装甲用途に設計された、本炭化ホウ素複合材料により得られる微小構造は、限られたサイズの充填材粒子を特徴とし、多孔質の塊中または予備成形品中に提供された硬質相を構成する物体の相互接続性が制限された微小構造である。言い換えれば、充填材料を構成する物体は、過剰の焼結もしくは再結晶などによって、または過剰のその場で形成されたSiCによって、少量またはごく僅かな量のお互いの相互接続性も有すべきではない。   [0031] In particular in the armor embodiments, the inventors have found that highly desirable armor materials can be produced when known hardness requirements are combined with a relatively fine-grained microstructure. In order to achieve this microstructure, it is important to minimize the degree of chemical reaction during infiltration and to minimize the formation of microstructures (recrystallization or other forms of sintering). For this purpose, the inventors recommend limiting the size of the objects (eg particles) that make up the hard filling material of the preform to be infiltrated. In general, the size of the filler particles should be kept below about 300-350 microns in diameter, and a very good performance to overcome the firing of small caliber weapons is at least 90 volumes of all morphological shapes or at least the ceramic phase. This is achieved when the% is kept at a size of about 100 microns. Therefore, the microstructure obtained by the boron carbide composite material designed for armored applications is characterized by limited size filler particles and the hard phase provided in the porous mass or preform. It is a microstructure in which the interconnectivity of the constituent objects is limited. In other words, the objects that make up the filler material should also have a small or negligible amount of interconnectivity with each other, such as by excessive sintering or recrystallization, or by excessive in situ formed SiC. Absent.

<定義>
[0032]本明細書に用いられる「面密度」は、単位面積あたりの装甲系の質量を意味する。
<Definition>
[0032] "Area density" as used herein refers to the mass of the armor system per unit area.

[0033]本明細書に用いられる「弾道衝撃停止力(ballistic stopping power)」は、全面密度の単位あたりのV50発射体の速度を意味する。 [0033] As used herein, "ballistic stopping power (ballistic stopping power)" means the rate of V 50 projectile per unit of total areal density.

[0034]本明細書に用いられる「遊離炭素」は、溶融ケイ素と反応して炭化ケイ素を形成することを意図された炭素を意味する。この用語は、通常元素の形の炭素を指すが、必ずしも元素状炭素の形に制限されない。   [0034] "Free carbon" as used herein refers to carbon that is intended to react with molten silicon to form silicon carbide. The term usually refers to the elemental form of carbon, but is not necessarily limited to the elemental form of carbon.

[0035]本明細書に用いられる「不活性雰囲気」は、溶浸材または溶浸すべき多孔質の塊もしくは予備成形品と実質上非反応性である雰囲気を意味する。したがって、この定義は、別のわずかに還元性もしくはわずかに酸化性であると考えることのできるガス状構成成分を含む。例えば、約4%の水素を含み、残りが窒素であるフォーミングガスは、水素が充填材料を還元しない限り、また、窒素が溶浸材または充填材料を認められるほど酸化しない限り、本開示の目的において不活性雰囲気と考えることができる。   [0035] As used herein, "inert atmosphere" means an atmosphere that is substantially non-reactive with the infiltrant or porous mass or preform to be infiltrated. Thus, this definition includes other gaseous components that can be considered as slightly reducing or slightly oxidizing. For example, a forming gas containing about 4% hydrogen with the balance being nitrogen will be used unless the hydrogen reduces the filler material and unless the nitrogen oxidizes appreciably the infiltrant or filler material. It can be considered as an inert atmosphere.

[0036]本明細書に用いられる「質量効率(Mass Efficiency)」は、試験される所与の目標面密度と同じ弾道衝撃性能を与えるために必要な、均質な圧延鋼装甲の面密度(比で表した)を意味し、比で表される。   [0036] As used herein, "mass efficiency" is the surface density (ratio of the homogeneous rolled steel armor required to provide the same ballistic impact performance as a given target surface density being tested. And expressed as a ratio.

[0037]本明細書に用いられる「反応結合した炭化ケイ素」または「RBSC」は、反応結合、反応形成、反応性溶浸、または自己結合によって製造されたセラミック複合体を指す。   [0037] As used herein, "reactive bonded silicon carbide" or "RBSC" refers to a ceramic composite made by reactive bonding, reaction formation, reactive infiltration, or self bonding.

[0038]本明細書に用いられる「反応結合した炭化ホウ素」または「RBBC」は、複合材の充填材または補強(すなわち相が結合している)が炭化ホウ素を含む、反応結合した炭化ケイ素複合材の種類もしくは部分集合を意味する。   [0038] As used herein, "reactive bonded boron carbide" or "RBBC" is a reactive bonded silicon carbide composite in which the composite filler or reinforcement (ie, the phases are bonded) comprises boron carbide. Means the material type or subset.

[0039]本明細書に用いられる「反応結合」、「反応形成」、「反応性溶浸」、または「自己結合」は、ケイ素を含む溶浸材と反応して、少なくともいくらかのその場で生成した炭化ケイ素を含むセラミック複合体を形成することの可能な形で炭素を含む、多孔質の塊の溶浸を意味する。   [0039] As used herein, "reaction bonding", "reaction formation", "reactive infiltration", or "self-bonding" is a reaction with a silicon-containing infiltrant and at least some in situ. By infiltration of a porous mass containing carbon in a form capable of forming a ceramic composite containing silicon carbide produced.

[0040]本明細書に用いられる「ケイ素化」は、ケイ素金属を含む溶融溶浸材で多孔質の塊を溶浸させ、ケイ素金属を含むマトリックスを有する複合体を製造することを意味し、少なくともケイ素構成成分は多孔質の塊の構成成分と実質上非反応性である。したがって、「ケイ素化炭化ホウ素」は、炭化ホウ素およびケイ素金属を含む複合体を指すが、実質上ケイ素金属の反応からその場で形成された炭化ケイ素を含まない。   [0040] "Siliconization" as used herein means infiltrating a porous mass with a molten infiltrant containing silicon metal to produce a composite having a matrix containing silicon metal; At least the silicon component is substantially non-reactive with the porous mass component. Thus, “siliconized boron carbide” refers to a composite comprising boron carbide and silicon metal, but substantially free of silicon carbide formed in situ from the reaction of silicon metal.

[0041]本明細書に用いられる「総面密度」は、セラミック装甲材料の面密度に、装甲系を構成する成分の組み立て部分と考えることが適切である他の材料の面密度を加えたものを意味する。他の材料の例は、セラミック装甲プレートの裏打ちまたは収容のためにしばしば用いられるファイバー補強ポリマー材料とすることができよう。   [0041] As used herein, "total surface density" is the surface density of a ceramic armor material plus the surface density of other materials that are appropriate to be considered as assembled parts of the components that make up the armor system Means. An example of another material could be a fiber reinforced polymer material often used for lining or housing ceramic armor plates.

本発明の実施形態Embodiment of the present invention

[0051]本発明によれば、複合材の補強成分として、非常に硬い非常に硬質の材料を大きな割合で生成するために、好ましくは高容積比の、または1種または複数の極めて硬い炭化ケイ素などの硬質材料と組み合わせた炭化ホウ素を含み、実質上孔のない、機械的に強い複合材料が製造される。さらに、例えば炭化ホウ素相の反応抑制など処理条件の注意深い制御によって、優れた材料、特に優れた装甲製品を製造することができる。さらに、本発明によって製造された複合体は、ホットプレスおよび焼結体よりも熱処理の際に良好な寸法公差を維持する。   [0051] According to the present invention, preferably a high volume ratio or one or more extremely hard silicon carbides to produce a very hard, very hard material as a reinforcing component of the composite. A mechanically strong composite material is produced that contains boron carbide combined with a hard material such as and is substantially free of pores. Furthermore, excellent materials, in particular excellent armored products, can be produced by careful control of processing conditions such as, for example, suppression of boron carbide phase reaction. Furthermore, the composites produced according to the present invention maintain better dimensional tolerances during heat treatment than hot presses and sintered bodies.

[0052]上述のように、本発明によって考えられるある種の用途に非常に望ましい硬度を有する炭化ケイ素および炭化ホウ素の2種の候補材料を、焼結などの従来の手法によって完全に高密度化することは困難である。それらの材料はホットプレスが容易であるが、ホットプレスは、例えば、その費用、および多くの機械加工なしに製造できる幾何形状に制約を受ける欠点を有する。   [0052] As mentioned above, two candidate materials, silicon carbide and boron carbide, having very desirable hardness for certain applications contemplated by the present invention, are fully densified by conventional techniques such as sintering. It is difficult to do. While these materials are easy to hot press, hot presses have the drawback of being constrained by, for example, their cost and the geometry that can be produced without much machining.

[0053]したがって、特に経済性および製造の柔軟性の理由から、本発明の複合体は、ケイ素を含む溶融溶浸材が炭素および炭化ホウ素を含む少なくとも1種の硬質セラミック材料を含む多孔質の塊に接触する、通常「反応形成」または「反応結合」と呼ばれる反応性溶浸技術によって製造することができる。溶融ケイ素系材料は、多孔質の塊または予備成形品中の相互接続された孔に溶浸する。溶融ケイ素は、炭化ホウ素成分が溶融ケイ素と化学的に反応する傾向を減衰させるのに十分な量の1種または複数のホウ素源を含む。溶融ケイ素が1種または複数の炭素源も含むときは特に好ましく、その存在はまたこの化学反応の抑制を助けるようである。溶浸と同時に、ケイ素は多孔質の塊または予備成形品中の炭素と反応して炭化ケイ素を形成し、この炭化ケイ素は典型的に「ベータ」SiCの多形体を有する。溶浸材の量は、一般に、多孔質の塊または予備成形品中の炭素が完全に炭化ケイ素と反応する量提供され、充填材料とその場で形成された炭化ケイ素との間に残ったあらゆる空隙空間を充填するのに十分な追加の溶浸材が提供される。得られる複合材料はその場で形成された炭化ケイ素のマトリックスを特徴とする。充填材および残渣の未反応溶浸材量はマトリックス全体に分散される。残渣の溶浸材はしばしば相互接続されるので、それはしばしば複合材のマトリックスの部分と考えられる。   [0053] Thus, particularly for reasons of economy and manufacturing flexibility, the composite of the present invention comprises a porous infiltrant comprising silicon comprising at least one hard ceramic material comprising carbon and boron carbide. It can be produced by a reactive infiltration technique, usually referred to as “reaction formation” or “reaction bonding”, that contacts the mass. The molten silicon-based material infiltrates into interconnected pores in the porous mass or preform. The molten silicon includes an amount of one or more boron sources sufficient to attenuate the tendency of the boron carbide component to chemically react with the molten silicon. It is particularly preferred when the molten silicon also contains one or more carbon sources, and its presence also appears to help control this chemical reaction. Simultaneously with infiltration, silicon reacts with the carbon in the porous mass or preform to form silicon carbide, which typically has a “beta” SiC polymorph. The amount of infiltrant is generally provided in such an amount that the carbon in the porous mass or preform completely reacts with the silicon carbide, and any remaining material between the filler material and the silicon carbide formed in situ. Sufficient additional infiltrant is provided to fill the void space. The resulting composite material features a silicon carbide matrix formed in situ. The amount of filler and residual unreacted infiltrant is dispersed throughout the matrix. Because the residual infiltrant is often interconnected, it is often considered part of the composite matrix.

[0054]好ましい処理条件に関して、この種の溶浸に適合性のある雰囲気は真空またはアルゴンなどの不活性雰囲気を含むが、真空が好ましい。真空は「極度の」または高い真空度である必要はなく、機械的な「粗引き」ポンプで与えられる程度で完全に十分である。溶浸は高温でより堅牢になる傾向があるが、それはさらに激しくもなり、特に炭化ホウ素成分の望ましくない副反応が発生する。さらに、高温で溶浸材を空間的に拘束することはより困難である。さらに、より高い処理温度は、過度の粒子成長がより推進する傾向にある。これらの全ての理由のため、好ましい処理温度は、一般に、低くても信頼性のある溶浸が保たれる温度である。粗引き真空環境中で炭化ホウ素含有粒子状の塊中にケイ素系金属を溶浸させるためには、約1450℃〜1600℃の範囲の温度で十分なはずである。   [0054] For preferred processing conditions, atmospheres compatible with this type of infiltration include vacuum or an inert atmosphere such as argon, with vacuum being preferred. The vacuum need not be an “extreme” or high degree of vacuum, but is sufficient enough to be provided by a mechanical “roughing” pump. Infiltration tends to be more robust at higher temperatures, but it is even more intense, especially with undesirable side reactions of boron carbide components. Furthermore, it is more difficult to spatially constrain the infiltrant at high temperatures. Furthermore, higher processing temperatures tend to be more driven by excessive particle growth. For all of these reasons, the preferred processing temperature is generally one at which reliable infiltration is maintained, even if low. A temperature in the range of about 1450 ° C. to 1600 ° C. should be sufficient to infiltrate the silicon-based metal into the boron carbide-containing particulate mass in a roughing vacuum environment.

[0055]炭化ホウ素は、立方センチメートルあたり約2.45〜2.55グラムのその低い理論的密度のために、物品の質量が重要である場合、特に魅力的な充填材料の候補である。(報告された理論的密度の範囲は、炭化ホウ素が本質的にライン化合物ではなく、代わりに限られた化学量論的範囲を示す理由のためであろう。)炭化ホウ素のヤング率は炭化ケイ素のそれ(約450GPa)に匹敵するので、炭化ホウ素は炭化ケイ素よりも高い比剛性を有する。高い比剛性は、精密な動作および動作の制御を必要とする用途、特に大きな負荷または高い加速度が係わる用途において価値のある特性である。さらに、炭化ホウ素は、炭化ケイ素よりもさらに硬い。したがって、炭化ホウ素を補強または充填材料とすることを特徴とするRBSC複合体(すなわち「RBBC」)は、炭化ケイ素を充填材料として有するRBSC複合材に比べて、より高い硬度でありながらより低い比重を提供する。   [0055] Boron carbide is a particularly attractive filler material candidate when the mass of the article is important due to its low theoretical density of about 2.45 to 2.55 grams per cubic centimeter. (The reported theoretical density range may be because boron carbide is not essentially a line compound, but instead exhibits a limited stoichiometric range.) The Young's modulus of boron carbide is silicon carbide. Boron carbide has a higher specific stiffness than silicon carbide because it is comparable to that of about 450 GPa. High specific stiffness is a valuable property in applications that require precise motion and control of motion, particularly in applications involving large loads or high accelerations. Furthermore, boron carbide is harder than silicon carbide. Thus, an RBSC composite (ie, “RBBC”), characterized by boron carbide as a reinforcing or filler material, has a higher hardness but a lower specific gravity than an RBSC composite having silicon carbide as a filler material. I will provide a.

[0056]代替の実施形態において、本発明は、「ケイ素化SiC」を作る工程と類似の「ケイ素化」工程によって作られた炭化ホウ素複合材を含む。ここで、通常、市販の純粋な元素状ケイ素であるケイ素を含む溶融溶浸材は、少なくともいくらかの炭化ホウ素を含むセラミック材料の多孔質の塊に接触し、一般に真空または不活性ガス(例えばアルゴン)環境であると考えられる処理条件下で溶融溶浸材に濡れることができる。炭化ホウ素を含むセラミック材料は、粒子のゆるんだ質量など、実質上非接続粒子の形とすることができ、または、軽度に焼結された、もしくは「素焼き」材料の形とすることができ、または重度に焼結して少量の相互接続された多孔質を有することができる。RBSC工程とは異なり、ここで多孔質の塊中の炭素源は実質上欠乏する。したがって、ケイ素化はRBSC工程ほど堅牢な溶浸工程ではない。したがって、約1500℃〜約2000℃など、いくらか高い溶浸温度、および/または真空環境(例えば不活性環境とは逆に)が要求されるであろう。しかし、装甲用途のケイ素化炭化ホウ素を作るには、以下でさらに深く論じる理由のため、おそらく、より高い溶浸温度、および予備成形品のより重度の焼結を避けるべき(例えば、充填物をより相互接続させるために)であると本発明者らは推奨する。   [0056] In an alternative embodiment, the present invention includes a boron carbide composite made by a "siliconization" process similar to the process of making "siliconized SiC". Here, typically a commercially available pure elemental silicon-containing molten infiltrant comes into contact with a porous mass of a ceramic material containing at least some boron carbide and is generally vacuum or inert gas (eg, argon ) Can be wetted by the molten infiltrant under processing conditions considered to be the environment. The ceramic material comprising boron carbide can be in the form of substantially disconnected particles, such as a loose mass of particles, or can be in the form of a lightly sintered or “unglazed” material, Or it can be heavily sintered and have a small amount of interconnected porosity. Unlike the RBSC process, here the carbon source in the porous mass is substantially depleted. Thus, siliconization is not as robust an infiltration process as the RBSC process. Accordingly, a somewhat higher infiltration temperature, such as about 1500 ° C. to about 2000 ° C., and / or a vacuum environment (eg, as opposed to an inert environment) will be required. However, to make siliconized boron carbide for armor applications, one should probably avoid higher infiltration temperatures and more severe sintering of preforms (for example, fillings) for reasons discussed further below. The present inventors recommend that it be more interconnected).

[0057]しかし、多くの従来のケイ素溶浸条件下で、炭化ホウ素は少なくともいくらか溶融ケイ素と反応性がある。それらの反応の反応生成物の1種は多くが、その場で形成される炭化ケイ素であるが、炭化ホウ素装填を最大にすることを試みる場合、炭化ホウ素が実質上溶浸材に影響されずに残ることができるならば、すなわち、ケイ素が炭化ホウ素と反応しなかったならば、望ましいことである。反応結合の実施形態において、本発明は、いくらかのホウ素を溶融ケイ素に溶解し、それによってケイ素と炭化ホウ素との反応活性を低減することによって、この問題を解決する。純粋のケイ素は、それが多孔質の塊または予備成形品中の炭化ホウ素相と反応すると、結局ホウ素と炭素で飽和されるであろうが、この手法は、この多孔質の塊または予備成形品が「犠牲」にならないかぎり好ましいことではなく、最終的な商業的物品が製造されない。多くの場合、多孔質の塊または予備成形品の炭化ホウ素補強とケイ素溶浸材との反応は、得られる炭化ケイ素複合体の亀裂を招いた。代わりに、溶浸材が多孔質の塊または予備成形品に接触する前に、ホウ素源をケイ素系溶浸材に提供することが好ましい。ケイ素に溶解することのできる任意のホウ素含有物質は本発明の内容において有用になり得るが、元素状ホウ素および炭化ホウ素は特に好ましい。   [0057] However, under many conventional silicon infiltration conditions, boron carbide is at least somewhat reactive with molten silicon. One of the reaction products of these reactions is mostly silicon carbide formed in situ, but boron carbide is substantially unaffected by the infiltrant when attempting to maximize boron carbide loading. This is desirable if it can remain in place, i.e. if silicon has not reacted with boron carbide. In a reactive bonding embodiment, the present invention solves this problem by dissolving some boron in the molten silicon, thereby reducing the reaction activity between silicon and boron carbide. Pure silicon will eventually be saturated with boron and carbon when it reacts with the boron carbide phase in the porous mass or preform, but this approach is not possible with this porous mass or preform. Is not preferred unless it is "sacrificed" and the final commercial article is not manufactured. In many cases, the reaction between the porous mass or preformed boron carbide reinforcement and the silicon infiltrant resulted in cracking of the resulting silicon carbide composite. Instead, it is preferred to provide a boron source to the silicon-based infiltrant before the infiltrant contacts the porous mass or preform. Although any boron-containing material that can be dissolved in silicon can be useful in the context of the present invention, elemental boron and boron carbide are particularly preferred.

[0060]ホウ素源材料をケイ素溶浸材に加える技術はいくつも考えることができる。本発明による好ましい手法は、溶浸すべき予備成形品を支持し、炭化ホウ素を含む多孔質予備成形品からなるキルン装置によって溶浸材を予備成形品に供給することである。詳細には、ケイ素含有溶浸材は少なくともいくらかの炭化ホウ素を含むキルン装置(以降は「フィーダーレール」または「ビーム」と呼ぶ)を溶浸することができる。キルン装置は、多孔質状態、例えば予備成形品として、または「溶浸済み」状態、例えば複合体として提供することができる。溶浸後、最終的に商業的物品になることを意図した、しばしば「対象」予備成形品と呼ばれる予備成形品は、キルン装置上に支持される。ケイ素含有溶浸材はキルン装置の少なくともいくらかの炭化ホウ素に溶解し、炭素および/またはホウ素で飽和される。次いで、この溶融ケイ素がキルン装置に接触する対象予備成形品に溶浸し続けるとき、溶浸ケイ素は対象予備成形品の炭化ホウ素と非常に僅かしか反応しないであろう。ケイ素がキルン装置の炭化ホウ素と反応した結果生じるキルン装置の亀裂は、ケイ素が対象予備成形品中へ継続して溶浸することに対して過度に影響しないはずである。無論、支持キルン装置は本質的に炭化ホウ素を含む必要はない。ホウ素が溶浸材中のケイ素成分に溶解することのできる多くのホウ素含有物質は満足することができるはずであるが、酸化ホウ素などの物質は熱処理条件下で十分な耐火性がないであろう。さらに、ホウ素源がキルン装置中に配置される必要はなく、溶融ケイ素が対象予備成形品の炭化ホウ素と接触する前に、それは合金化され、またはせいぜい溶浸材のケイ素成分中に任意の点で導入されるであろう。本発明者らは、例えば溶浸のための「レイアップ(lay−up)」を作るとき、溶融ケイ素溶浸材を収容する容器の底に、例えばフィーダーレールの間にゆるい粉体として分散させて、炭化ホウ素粒子を提供することが有用であることを見出した。さらに、本発明者らは、少なくともRBBC実施形態において、溶浸すべき多孔質の塊または予備成形品上に窒化ホウ素被覆を存在させることが炭化ホウ素反応の抑制に役立つことに注目した。   [0060] Any number of techniques for adding a boron source material to a silicon infiltrant can be envisaged. A preferred approach according to the present invention is to support the preform to be infiltrated and to supply the infiltrant to the preform by a kiln device comprising a porous preform containing boron carbide. Specifically, the silicon-containing infiltrant can infiltrate a kiln apparatus (hereinafter referred to as “feeder rail” or “beam”) that includes at least some boron carbide. The kiln device can be provided in a porous state, such as a preform, or in an “infiltrated” state, such as a composite. A preform, often referred to as a “target” preform, intended to eventually become a commercial article after infiltration is supported on a kiln device. The silicon-containing infiltrant dissolves in at least some boron carbide in the kiln and is saturated with carbon and / or boron. Then, when this molten silicon continues to infiltrate the target preform that contacts the kiln apparatus, the infiltrated silicon will react very little with the boron carbide of the target preform. Kiln cracks resulting from the reaction of silicon with the kiln's boron carbide should not unduly affect the continued infiltration of silicon into the target preform. Of course, the support kiln device need not essentially contain boron carbide. Many boron-containing materials that can dissolve boron into the silicon component in the infiltrant should be satisfactory, but materials such as boron oxide may not be sufficiently fire resistant under heat treatment conditions. . In addition, the boron source need not be placed in the kiln apparatus, but before the molten silicon contacts the boron carbide of the subject preform, it is alloyed or, at best, any point in the silicon component of the infiltrant. Will be introduced in. For example, when making “lay-up” for infiltration, we distribute the loose silicon infiltrant at the bottom of the container containing the molten silicon infiltrant, for example, as a loose powder. Thus, it has been found useful to provide boron carbide particles. In addition, the inventors have noted that, at least in the RBBC embodiment, the presence of a boron nitride coating on the porous mass or preform to be infiltrated helps to suppress the boron carbide reaction.

[0061]炭化ホウ素ケイ素化工程など、多孔質の塊または予備成形品中の反応可能な炭素に依存しないケイ素溶浸材については、ホウ素源に加えて、溶融ケイ素に炭素源を添加して、ケイ素が炭化ホウ素から炭素を溶解させる傾向を抑制することも望ましいことであろう。無論、炭化ホウ素はホウ素源と同様に炭素源を提供するが、多くの元素状炭素の形など、独立の炭素源を提供することが望ましい。これらは粉体、例えば、グラファイト粉の形で提供することができ、フィーダー予備成形品を作る材料に混合することができ、またはケイ素溶浸材に混合することができ、これらはしばしば粉体状または塊の形状で提供される。また、ホウ素源とは独立した炭素の添加は、いくらか反応抑制の対策になり得る。   [0061] For silicon infiltrates that do not rely on reactive carbon in a porous mass or preform, such as a boron carbide siliconization process, in addition to the boron source, add a carbon source to the molten silicon; It would also be desirable to suppress the tendency of silicon to dissolve carbon from boron carbide. Of course, boron carbide provides a carbon source as well as a boron source, but it is desirable to provide an independent carbon source, such as many elemental carbon forms. These can be provided in the form of powder, for example, graphite powder, can be mixed with the material from which the feeder preform is made, or can be mixed with the silicon infiltrant, which are often in powder form Or provided in the form of a mass. In addition, the addition of carbon independent of the boron source can be a measure for suppressing the reaction.

[0062]約1550℃の処理温度で、僅かな量の元素状ホウ素、おそらく僅かに1重量%程度の炭素が溶融ケイ素に溶解するであろうことに注目すべきである。いずれにしても、これらの量は実質上炭化ホウ素補強の溶融ケイ素への溶解または反応を抑制するのに十分なはずである。   [0062] It should be noted that at processing temperatures of about 1550 ° C., a small amount of elemental boron, perhaps as little as 1% by weight of carbon, will dissolve in the molten silicon. In any event, these amounts should be sufficient to substantially inhibit the dissolution or reaction of boron carbide reinforcement in molten silicon.

[0063]本発明の好ましい実施形態は、弾道発射体を停止する装甲としての、本炭化ホウ素複合材料の特定の用途に関する。入射する発射体に打ち勝つために、それらのセラミック装甲は通常少なくとも2層の完全に異なる材料から構成されることを特徴とする。すなわち、それらの弾道衝撃装甲系の成分は、最小でも典型的に互いに接合されたセラミック層と裏打ち層を特徴とする。名前が示唆するように、裏打ち層は発射体の進行方向に対して、セラミック層の後方に配置される。ときどき、1層または複数層の保護材料もセラミック層の前に配置されるが、これらは通常セラミックが日常の取扱い(または取扱いの誤り)によって破壊することを保護するためである。セラミック層の目的は、衝突する発射体を平坦化、粉砕、侵食等などによって「処理」することである。裏打ち層の役割は、次いで処理された発射体、ならびにセラミック層の後方に飛び散る破片を「捕捉」することである。典型的に、裏打ち層は粉々に破損することなく大きく変形することができる。裏打ち層は、アルミニウム、鉄もしくは鋼、チタン等の金属または合金から作ることができ、車両用装甲では車両自体の構造となることができる。軽量な装甲が必要な場合、裏打ち層は典型的に繊維補強ポリマー(FRP)材料である。これらの裏打ちに用いられる繊維は、ポリエチレン、アラミド、ガラス繊維を含む。周知のFRP裏打ち材料は、AlliedSignal Inc.(現在はHoneywell International Inc.が所有し、直角に交差積層された2層の単方向延伸鎖ポリエチレン繊維テープから構成され、不織布の熱可塑性複合材になるロール状製品を指す)によって登録された商品名「SpectraShield」があるが、いくつかのそれらのFRP裏打ち材料が市場で入手可能である。   [0063] Preferred embodiments of the invention relate to a particular application of the boron carbide composite material as armor to stop ballistic projectiles. In order to overcome incident projectiles, their ceramic armor is usually characterized by being composed of at least two completely different materials. That is, the components of their ballistic impact armor system are characterized by a ceramic layer and a backing layer that are at least typically joined together. As the name suggests, the backing layer is placed behind the ceramic layer relative to the direction of travel of the projectile. Sometimes a layer or layers of protective material are also placed in front of the ceramic layer, usually to protect the ceramic from destruction by routine handling (or mishandling). The purpose of the ceramic layer is to “treat” impacting projectiles by flattening, crushing, eroding, etc. The role of the backing layer is to “capture” the treated projectile, as well as debris that scatters behind the ceramic layer. Typically, the backing layer can be greatly deformed without breakage. The backing layer can be made from a metal or alloy such as aluminum, iron or steel, titanium, etc., and in vehicle armor it can be the structure of the vehicle itself. If lightweight armor is required, the backing layer is typically a fiber reinforced polymer (FRP) material. Fibers used for these backings include polyethylene, aramid, and glass fibers. Known FRP backing materials are available from AlliedSignal Inc. Products currently registered by Honeywell International Inc., which refers to rolled products that are composed of two layers of unidirectionally stretched polyethylene fiber tapes that are cross-laminated at right angles and become nonwoven thermoplastic composites Although there is the name “SpectraShield”, several of those FRP backing materials are available on the market.

[0064]装甲は、一般にプレートの形をとるが、プレートは平坦な規則的な多角形である必要はない。しばしば、装甲プレートは保護すべき下地構造に整合するように形状加工される。例えば、身体装甲は装着者の形状、例えば人間の胴体に良好に整合するように、1次元または複数次元に湾曲される。   [0064] Armor generally takes the form of a plate, but the plate need not be a flat regular polygon. Often, armor plates are shaped to match the underlying structure to be protected. For example, body armor is curved in one or more dimensions to better match the shape of the wearer, eg, the human torso.

[0065]装甲技術の多くの当業者によれば、装甲材料に求められたものは、衝突する発射体をそれが装甲系に侵入する前に破壊し侵食するものである。Viechnickiら(引用)は、少なくとも発射体と同じ硬度を有することは、装甲にとって硬度に関して要求される全てであるが、必要な「閾値」レベルを超えて硬度をさらに増加させても性能レベルは顕著に増加しないことを示した。   [0065] According to many persons skilled in the art of armor, what is required of armor material is to destroy and erode the impacting projectile before it enters the armor system. Vienicki et al. (Cited) is all that is required for the armor to have at least the same hardness as the projectile, but the level of performance is significant even if the hardness is further increased beyond the required "threshold" level Showed no increase.

[0066]したがって、上で示唆した動作制御用途に加えて、炭化ホウ素複合材は装甲材料の魅力的な候補になるはずであり、実際に従来技術が示すように、他の技術者は以前、炭化ホウ素複合材料を装甲として用いることを試みた。装甲はしばしば総重量で規定されるため、同じ質量からより厚く装甲を作ることができる(これが望ましいことは前に述べた)ためで、低い容積比重を有する装甲系が探求された。炭化ホウ素の極度に高い硬度のひとつの重要性は、非硬質相、例えば金属が、炭化ホウ素および金属を含む複合体中に多量許容され、複合体に要求される全体の硬度を満たしながら、例えば、強度または靭性などの他の特性を向上できることである。   [0066] Thus, in addition to the motion control applications suggested above, boron carbide composites should be attractive candidates for armor materials, and as the prior art actually shows, other engineers have previously Attempts were made to use boron carbide composites as armor. Since armor is often defined by gross weight, armor systems with low volume specific gravity have been sought because armor can be made thicker from the same mass (which was previously desirable). One important aspect of the extremely high hardness of boron carbide is that non-rigid phases, such as metals, are tolerated in composites containing boron carbide and metals, while satisfying the overall hardness required of the composite, for example Other properties such as strength or toughness can be improved.

[0067]本発明の炭化ホウ素複合材料の全体的な硬度は、複合材料の構成成分の硬度およびその容積割合に比例する。高性能の装甲材料の開発に関して、本発明の装甲の実施形態は、重要と考えられる全体的な硬度を満足するのに十分な、高容積の炭化ホウ素などの硬質セラミック相の装填を達成し、かつ、複合体を構成する最大粒子または結晶、特にセラミック結晶のサイズを制限することに焦点を合わせる。これをさらに正確に述べれば、炭化ホウ素複合体の微小構造を構成する実質上全ての形態学的な形状は、サイズが約350ミクロンよりも小さくなければならないことである。実質上これらの全ての形状は、約212ミクロンより小さいことがさらに好ましく、少なくとも90体積%が約100ミクロンより小さいことがさらに好ましい。炭化ホウ素複合体は、そのセラミックの形態学的形状の少なくとも90体積%が、約55ミクロンを超えないサイズを有することが特に好ましい。   [0067] The overall hardness of the boron carbide composite material of the present invention is proportional to the hardness of the components of the composite material and its volume fraction. With respect to the development of high performance armor materials, the armor embodiments of the present invention achieve a loading of a hard ceramic phase, such as high volume boron carbide, sufficient to satisfy the overall hardness considered important, And focus on limiting the size of the largest particles or crystals that make up the composite, especially the ceramic crystals. More precisely, substantially all the morphological shapes that make up the microstructure of the boron carbide composite must be less than about 350 microns in size. It is more preferred that substantially all these shapes are less than about 212 microns, and even more preferred that at least 90% by volume is less than about 100 microns. It is particularly preferred that the boron carbide composite has a size in which at least 90% by volume of the ceramic morphological shape does not exceed about 55 microns.

[0068]多孔質の塊または予備成形品に使用される充填材料の粒子サイズのそれらの上限は、技術の中でも特に充填体の篩かけによって達成することができる。例えば、170メッシュおよび200メッシュ(米国規格)スクリーンは、それぞれ最大サイズ約90ミクロンおよび75ミクロンの粒子を生成する。同様に、45メッシュ、50メッシュおよび70メッシュ(米国規格)篩スクリーンは、それぞれ最大サイズ約350ミクロン、300ミクロン、および212ミクロンの粒子を通過させる。炭化ホウ素複合体は、その形態学的形状の少なくとも90体積%が、約55ミクロンを超えないサイズを有することが特に好ましい。   [0068] Those upper limits on the particle size of the filler material used in porous masses or preforms can be achieved by sieving the filler, among other techniques. For example, 170 mesh and 200 mesh (US standard) screens produce particles with a maximum size of about 90 microns and 75 microns, respectively. Similarly, 45 mesh, 50 mesh, and 70 mesh (US standard) sieve screens pass particles of maximum sizes of about 350 microns, 300 microns, and 212 microns, respectively. It is particularly preferred that the boron carbide composite has a size such that at least 90% by volume of its morphological shape does not exceed about 55 microns.

[0069]複合体中の硬質相の量を最大にするひとつの技術は、典型的に硬度の高い充填材料の形で、硬質相に高容積装填された多孔質の塊または予備成形品を製造することである。高度に装填された予備成形品は、小さな粒子がより大きな粒子の間の空間に入り込み、または納まることができるように、充填材料粒子を分散して用いることによって製造することができる。最大粒子のサイズを本質的に上限を設けまたは制限することと、予備成形品中に硬質充填材の装填を最大にすることの2つの因子は互いに矛盾するので、同一材料において両方のパラメータの調整には注意が必要である。幸い、本発明は、充填材のサイズを制限する、例えば、少なくとも充填材の90体積%を直径約100ミクロンよりも小さくするような方法によって充填材のサイズを制限しながら、硬質充填材が高度に充填された予備成形体を得ることに比較的成功した。最大粒子が約100ミクロンという、より控えめな上限でさえも、SiCおよび/またはBCなどの硬質セラミック相に65体積%またはそれ以上を装填した予備成形品を製造することが可能である。 [0069] One technique for maximizing the amount of hard phase in a composite is to produce a porous mass or preform that is loaded with a high volume into the hard phase, typically in the form of a hard filler material. It is to be. Highly loaded preforms can be made by dispersing and using filler material particles so that small particles can enter or fit into the spaces between larger particles. The adjustment of both parameters in the same material, because the two factors of essentially limiting or limiting the maximum particle size and maximizing the loading of the hard filler in the preform are mutually exclusive. Care must be taken. Fortunately, the present invention limits the size of the filler, e.g., restricting the size of the filler by such a method that at least 90% by volume of the filler is less than about 100 microns in diameter, while the It was relatively successful to obtain a preformed body filled with Even with a more conservative upper limit of maximum particles of about 100 microns, it is possible to produce preforms loaded with 65% or more by volume in a hard ceramic phase such as SiC and / or B 4 C.

[0070]以下の実施例に用いられる「より大きな」硬質セラミック充填材のいくつかは、以下の粒子サイズ分布を有する。グレードF240 CRYSTOLON(登録商標)SiC(Saint−Gobain/Norton Industrial Ceramics、Worcester、MA)は、その全構成成分粒子の90体積%が約55ミクロンより小さく、97%が約70ミクロンよりも小さい。グレードF320 CRYSTOLON(登録商標)SiCはその粒子の90体積%が約37ミクロンより小さく、97%が約49ミクロンよりも小さい。これらの結果はEppendorf−Photosedimentometerに基づいて計算された。ふるい分析によれば、220グリットのTETRABOR(登録商標)BC(ESK、Kempten、Germany)はその粒子の85%が約75ミクロンよりも小さく、実質上その全ての構成粒子は約106ミクロンよりも小さい。 [0070] Some of the “larger” hard ceramic fillers used in the following examples have the following particle size distribution: Grade F240 CRYSTOLON® SiC (Saint-Gobain / Norton Industrial Ceramics, Worcester, Mass.) Has 90% by volume of its total constituent particles less than about 55 microns and 97% less than about 70 microns. Grade F320 CRYSTOLON® SiC has 90% by volume of its particles less than about 37 microns and 97% less than about 49 microns. These results were calculated based on the Eppendorf-Photodimentometer. According to sieve analysis, 220 grit TETRABOR® B 4 C (ESK, Kempten, Germany) has 85% of its particles smaller than about 75 microns, and virtually all its constituent particles are smaller than about 106 microns. Is also small.

[0071]本発明で規定した微細粒子サイズの制限は、実際に高い機械強度の代用、または少なくとも複合材料の機械強度の下限を設定する代用になり得る。粒子サイズの制限は、必要であるが、脆い材料に高い強度を与える十分条件ではないので、伝統的に、高い強度目標の達成は、製造されたセラミックまたは複合体の品質計量のひとつであると考えられた。一般に、脆い複合材料、特に溶浸によって製造された脆い複合材料では、欠陥の多くは、得られる複合体の機械的強度に重大な影響を及ぼす。これらは、予備成形品中の不均一な充填材料分布、例えば、多孔質および/または未反応炭素もしくは他の反応物が予備成形品中に残る、予備成形品の不完全な溶浸、充填材料またはその場で製造されたあらゆる炭化ケイ素の熱処理中の過剰の粒子成長を含む。それらの欠陥はおそらく材料の防弾性能も損なうであろう。   [0071] The fine particle size limitation defined in the present invention can actually be a substitute for high mechanical strength, or at least set a lower limit on the mechanical strength of the composite material. Limiting particle size is necessary but not a sufficient condition to give brittle materials high strength, so traditionally achieving high strength targets has been one of the quality metrics of manufactured ceramics or composites. it was thought. In general, in brittle composite materials, particularly those produced by infiltration, many of the defects have a significant impact on the mechanical strength of the resulting composite. These are non-uniform filler material distribution in the preform, for example, incomplete infiltration of the preform, filler material where porous and / or unreacted carbon or other reactants remain in the preform. Or including excessive grain growth during the heat treatment of any silicon carbide produced in situ. Those defects will probably also impair the ballistic performance of the material.

[0072]本発明の炭化ホウ素複合材料の微小構造が、より大きな、相互接続の多い微小構造を有する、ケイ素溶浸技術で作られた従来技術の複合体とは異なるモード(例えば、粒内に対して粒界)で破壊する場合があり得る。正確な理由または動作機構が何であれ、本発明者らは、限られた粒子サイズおよび限られた接続性のセラミック相のRBBC材料が、弾道発射体、特に小さな武器発射からの発射体の停止に非常に効果的であることを見出した。   [0072] The boron carbide composite microstructure of the present invention has a different mode (eg, intragranular) from a prior art composite made with silicon infiltration technology, which has a larger, interconnected microstructure. On the other hand, it may break at the grain boundary). Whatever the exact reason or mechanism of operation, the inventors have found that RBBC materials of limited particle size and limited connectivity ceramic phase are useful for stopping projectiles from ballistic projectiles, especially from small weapon launches. We found it to be very effective.

[0073]本発明の炭化ホウ素複合体の硬質充填材成分はケイ素成分よりはるかに硬い(例えば、それぞれBCの約2900〜3580kg/mmのヌープ硬度に対してSiの約1100kg/mm(ビッカース))ので、複合体の全体の硬度は各相の相対量に大きく依存する。したがって、本複合材料の最終使用物品が弾道発射体に対して保護するための装甲であるとき、特に残渣の溶浸材相成分がケイ素よりも柔らかい場合、複合体が大きな容積比の硬質相を含むことが重要であり、その内容は以下で詳細に論じる。反応形成された炭化ケイ素複合材料において、炭化ケイ素のいくらかはその場で製造される。したがって、多量の炭素を含む多孔質の塊中にケイ素を溶浸させることによって、炭化ケイ素で高度に装填された複合体を形成することが可能である。また、以下でより詳細に論じる理由により、この手法は好ましくない。代わりに、炭素ではなくむしろ充填材料の硬質セラミック相で高度に装填された多孔質の塊または予備成形品を反応させながら溶浸させることが望ましい。代替の実施形態において、反応性炭素が殆どない又は全くない硬質充填材料で高度に装填された予備成形品は、溶融ケイ素、またはケイ素含有金属で溶浸(例えば、「ケイ素化」)される。 [0073] hard filler component of the boron carbide composite of the present invention is much harder than the silicon component (for example, about the Si versus about 2900~3580kg / mm 2 Knoop hardness of each B 4 C 1100kg / mm 2 (Vickers)), the overall hardness of the composite greatly depends on the relative amount of each phase. Thus, when the composite end-use article is armor to protect against ballistic projectiles, especially when the residual infiltrant phase component is softer than silicon, the composite has a large volume ratio of the hard phase. It is important to include, the contents of which are discussed in detail below. In reaction formed silicon carbide composites, some of the silicon carbide is produced in situ. Accordingly, it is possible to form a highly loaded composite with silicon carbide by infiltrating silicon into a porous mass containing a large amount of carbon. Also, this approach is not preferred for reasons discussed in more detail below. Instead, it is desirable to infiltrate while reacting a porous mass or preform that is highly loaded with a hard ceramic phase of filler material rather than carbon. In an alternative embodiment, a preform that is highly loaded with a hard filler material with little or no reactive carbon is infiltrated (eg, “siliconized”) with molten silicon or a silicon-containing metal.

[0074]多孔質の塊または予備成形品が炭化ホウ素を含むとき、溶融溶浸材のケイ素は炭化ホウ素と反応することができるので、追加の炭素源は必要ではない。これはTaylorら(および他の研究者)が上で論じた‘564特許で採用した手法である。得られる複合体の硬度および/または炭化ホウ素装填を最大にすることが目的であれば、この手法は望ましくない。特に、炭化ホウ素は炭化ケイ素よりも高い硬度とより低い比重を有している。したがって、炭化ケイ素(プラスホウ化ケイ素)を製造するための炭化ホウ素とケイ素との反応は、低硬度であり高比重の物質と交換に高硬度の物質を手放す。したがって、炭化ホウ素成分の反応を最小にするのが望ましいことであろう。したがって、装甲系のように、高い硬度と低い比重の物体が望ましく、反応結合した複合体中の充填材料として炭化ホウ素が用いられる場合、炭化ホウ素以外の炭素源が多孔質の塊または予備成形品中に存在すべきである。   [0074] When the porous mass or preform includes boron carbide, no additional carbon source is required because the silicon of the molten infiltrant can react with the boron carbide. This is the approach adopted by Taylor et al. (And other researchers) in the '564 patent discussed above. This approach is undesirable if the goal is to maximize the hardness and / or boron carbide loading of the resulting composite. In particular, boron carbide has a higher hardness and lower specific gravity than silicon carbide. Therefore, the reaction of boron carbide and silicon to produce silicon carbide (plus silicon boride) gives up a high hardness material in exchange for a low hardness and high specific gravity material. Therefore, it would be desirable to minimize the reaction of the boron carbide component. Therefore, when an object of high hardness and low specific gravity is desired, such as an armor system, and boron carbide is used as the filler material in the reaction bonded composite, the carbon source other than boron carbide is a porous mass or preform. Should be present inside.

[0075]ケイ素化工程において、反応性炭素は多孔質の塊中に少量しか存在せず、または全然存在しない。しかし、少なくとも少量の炭素が存在しないと、溶融ケイ素は多孔質の塊の炭化ケイ素から炭素を溶解させるであろう。したがって、溶融ケイ素が溶浸すべき多孔質の塊と接触する前に、おそらく飽和点まで溶融ケイ素に炭素源を供給することが望ましい。この濃度を超えると、過剰の炭素はその場で形成されるSiCとして沈澱するであろう。再び、最初に溶融ケイ素が元素状炭素または炭化ケイ素などの炭素源と接触することによって、ケイ素は溶液中にいくらかの炭素を取り込むことができる。炭素源は、ケイ素溶浸材へのホウ素源の提供に用いられる技術と同じ技術で提供することができる。多孔質の塊または予備成形品の炭化ホウ素からの炭素を溶解するこの溶融ケイ素の問題は、通常、ケイ素を飽和しこの反応を抑制するのに十分以上の反応性炭素が存在するので、一般に反応性溶浸系、例えば、RBBCには問題ではない。   [0075] In the siliconization process, there is little or no reactive carbon present in the porous mass. However, in the absence of at least a small amount of carbon, molten silicon will dissolve the carbon from the porous mass of silicon carbide. It is therefore desirable to supply a carbon source to the molten silicon, possibly to the saturation point, before the molten silicon contacts the porous mass to be infiltrated. Beyond this concentration, excess carbon will precipitate as SiC formed in situ. Again, silicon can incorporate some carbon into the solution by first contacting the molten silicon with a carbon source such as elemental carbon or silicon carbide. The carbon source can be provided by the same technique used to provide the boron source to the silicon infiltrant. The problem with this molten silicon, which dissolves carbon from porous masses or preformed boron carbide, is generally the reaction because there is more than enough reactive carbon to saturate the silicon and inhibit this reaction. This is not a problem for reactive infiltration systems, such as RBBC.

[0076]多孔質の塊または予備成形品中の充填材料の容積装填を最大化する技術は周知であり、通常、より小さな粒子がより大きな粒子の間の隙間に充填しやすいようなサイズ分布を有する複数の充填材料体、例えば粒子を混合する形が用いられる。しかし、粒子サイズの分布の程度にはサイズ分布の限界がある。例えば、化学反応の可能性がある場合、これらのケイ素溶浸系には炭化ホウ素が存在するので、より小さな粒子はその大きな総表面積のためにより大きな粒子よりも反応性が高くなる傾向がある。尺度の他の端のある点で、大きなサイズの充填材料粒子は複合体の強度を低下させ始め、材料への臨界サイズの欠陥の導入に起因する脆性破壊機構によって劣化するであろう。さらに、強度に関係するか否かにかかわらず、大きなまたは比較的大きな粒子を含むRBSC体は優れた装甲材料ではなかったという不確かな証拠が従来技術にある。したがって、本発明は、比較的微細な炭化ホウ素粒子を反応結合作業中に溶浸させることができ、入ってくるケイ素溶浸材との反応に消費されない技術を提供することによってこの問題を克服する。微細粒子のRBBCを作る可能性は装甲用途に有益であるばかりではなく、多くの精密装置用途に有益である。特に、微細粒子サイズの複合材料によって獲得した高い強度は重要ではなくても、微細粒子サイズは、より細かな形状を材料に研磨または機械加工することを可能にする。   [0076] Techniques for maximizing the volume loading of filler material in porous masses or preforms are well known and usually provide a size distribution such that smaller particles tend to fill gaps between larger particles. A plurality of filling material bodies, for example, a form of mixing particles is used. However, there is a size distribution limit in the degree of particle size distribution. For example, if there is a possibility of chemical reaction, smaller particles tend to be more reactive than larger particles because of their large total surface area because boron carbide is present in these silicon infiltration systems. At some other end of the scale, large size filler material particles will begin to reduce the strength of the composite and will be degraded by brittle fracture mechanisms due to the introduction of critical size defects into the material. Furthermore, there is uncertain evidence in the prior art that RBSC bodies containing large or relatively large particles, whether related to strength, were not good armor materials. Thus, the present invention overcomes this problem by providing a technique that allows relatively fine boron carbide particles to be infiltrated during the reaction bonding operation and not consumed for reaction with the incoming silicon infiltrant. . The possibility of making fine-grained RBBC is not only beneficial for armored applications, but also beneficial for many precision instrument applications. In particular, the fine particle size allows a finer shape to be ground or machined into the material, even though the high strength gained by the fine particle size composite material is not critical.

[0077]任意の既知の技術を用いて、ケイ素を含む溶融溶浸材で溶浸することのできる多孔質予備成形品を製造することができるが、1種または複数の充填材で高度に装填した予備成形品、特に比較的薄い予備成形品をより良好に製造できると思われる技術は、液体相を用いる、例えば、沈降成形、スリップ成形、またはチクソトロピー成形である。しかし、乾燥プレスなど、他の周知のセラミック加工技術も、組成物の特殊性および形成される物品に応じて、完全に満足することができる。   [0077] Any known technique can be used to produce a porous preform that can be infiltrated with a molten infiltrant containing silicon, but highly loaded with one or more fillers Techniques that appear to be able to better produce such preforms, particularly relatively thin preforms, are, for example, sedimentation, slip molding, or thixotropic molding using a liquid phase. However, other well-known ceramic processing techniques, such as a dry press, can also be fully satisfied depending on the particularity of the composition and the article being formed.

[0078]最近、反応形成炭化ケイ素体を作るのに用いられる溶浸材金属を合金化することが知られており、形成された物体の金属相はケイ素以外の構成成分を含む。(例えば共同所有の米国特許第6,503,572号参照。)例えば、本炭化ホウ素複合材系において、溶浸材はケイ素、ホウ素、および銅の合金を含み、形成された炭化ホウ素複合体中に金属銅もしくは銅合金、または銅−ケイ素金属間化合物を含む相を生成することができる。それらの合金溶浸材相を含む物体は、しばしば溶浸材相として本質的に純粋なケイ素を有する類似の物体よりも柔らかいが強靭である。硬度が低下するにもかかわらず、合金化された溶浸材相を有する反応結合炭化ホウ素複合材は、やはり装甲材料として良好に機能するはずである。例えば、圧縮強度または強靭性の特性は、特に高い硬度と組み合わせたとき、良好な防弾特性に貢献する重要な要因である。例えば、強化された靭性は、得られる装甲製品の改善された多重打撃能力に貢献することができ、および/または、市場における日常の取扱いにとっても重要な、改善された耐久性に貢献することができよう。また、ケイ素化工程では溶浸材への他の(ケイ素ではない)金属の添加も容易である。   [0078] Recently, it has been known to alloy infiltrant metals used to make reaction-formed silicon carbide bodies, and the metal phase of the formed object contains components other than silicon. (See, for example, co-owned US Pat. No. 6,503,572.) For example, in the present boron carbide composite system, the infiltrant includes an alloy of silicon, boron, and copper, in the formed boron carbide composite. A phase containing metallic copper or a copper alloy or a copper-silicon intermetallic compound can be produced. Objects containing their alloy infiltrant phase are often softer but tougher than similar objects with essentially pure silicon as the infiltrant phase. Despite the reduced hardness, reaction bonded boron carbide composites with alloyed infiltrant phases should still function well as armor materials. For example, compressive strength or toughness characteristics are important factors contributing to good ballistic properties, especially when combined with high hardness. For example, enhanced toughness can contribute to the improved multi-blow capability of the resulting armored product and / or contribute to improved durability, which is also important for daily handling in the market. I can do it. In addition, it is easy to add other (not silicon) metal to the infiltrant in the siliconization process.

[0079]再び、本発明の多孔質の塊は、常にいくらかの量の炭化ホウ素を含む。ケイ素溶浸材をホウ素源でドープすること、および必要であれば炭素源でドープすることなどの、先進的な技術がないと、多孔質の塊の炭化ホウ素成分は溶融ケイ素と反応して炭化ケイ素プラスホウ化ケイ素を生成する傾向がある。本発明において、炭化ホウ素が溶融ケイ素とは決して多量に反応しないように系を設計した。したがって、炭化ホウ素成分は実質上不活性充填材料であると考えることができる。炭化ホウ素に加えて、多孔質の塊は1種または複数のそれらの他の充填材料を組み込むことができる。これは、局部的な処理条件下で実質上溶融溶浸材とは反応性のない充填材料であることを意味する。特に好まれるそれらの充填材料の1種は、溶融ケイ素が酸化物などの他の不活性材料よりも容易に炭化ケイ素に濡れるので、炭化ケイ素である。しかし、局部的な処理条件下で炭化ホウ素または炭化ケイ素ほどの濡れ性がないが、溶融ケイ素による多孔質の塊全体への濡れ性と溶浸を達成する、少なくともいくらかの量の他の充填材料を混合することは可能なはずである。それらの代替の充填材料の例は、二ホウ化チタン、窒化ケイ素、および窒化アルミニウムを含む。特に多孔質の塊が反応性炭素源を含み、特にこの炭素源が充填体上の被覆の形などのように相互接続されているならば、「濡れ性のない」充填材料(例えば、酸化アルミニウム)の一定量を混合し、溶融ケイ素による多孔質の塊の濡れ性と溶浸性を達成することも可能である。   [0079] Again, the porous mass of the present invention always contains some amount of boron carbide. Without advanced techniques such as doping silicon infiltrant with a boron source and, if necessary, with a carbon source, the boron carbide component of the porous mass reacts with the molten silicon and carbonizes. There is a tendency to produce silicon plus silicon boride. In the present invention, the system was designed so that boron carbide never reacts in large quantities with molten silicon. Thus, the boron carbide component can be considered a substantially inert filler material. In addition to boron carbide, the porous mass can incorporate one or more of those other filler materials. This means that the filler material is substantially non-reactive with the molten infiltrant under local processing conditions. One type of those filler materials that is particularly preferred is silicon carbide because molten silicon wets silicon carbide more easily than other inert materials such as oxides. However, at least some amount of other filler materials that do not wet as much as boron carbide or silicon carbide under local processing conditions, but achieve wettability and infiltration of the entire porous mass with molten silicon It should be possible to mix. Examples of these alternative filler materials include titanium diboride, silicon nitride, and aluminum nitride. Especially if the porous mass contains a reactive carbon source, and this carbon source is interconnected, such as in the form of a coating on the packing, it is a “non-wetting” packing material (eg aluminum oxide) It is also possible to achieve the wettability and infiltration of the porous mass with molten silicon.

[0080]溶浸される多孔質の塊を構成する充填材料は、粒子、小板、フレーク、ウイスカー、連続繊維、微小球、凝塊等を含む多くの異なる形態で提供することができる。粒子は経済性および入手可能性の理由からしばしば好まれる。   [0080] The filler material comprising the porous mass to be infiltrated can be provided in many different forms including particles, platelets, flakes, whiskers, continuous fibers, microspheres, agglomerates and the like. Particles are often preferred for reasons of economy and availability.

[0081]視覚検査では不可能であるが、X線回折技術を用いて、補強または充填材料として存在することのできる任意の炭化ケイ素から反応形成された炭化ケイ素マトリックスを識別することが可能である。詳細には、反応形成された炭化ケイ素は、少なくとも本処理条件下では典型的にベータ多形体である。対照的に、大部分の市販されている特に通常グレードの炭化ケイ素は、充填材料として最も使用されるアルファ形である。したがって、複合体に存在する各々の相対量に関して、少なくとも概略の量的データを得ることができる。   [0081] Although not possible with visual inspection, X-ray diffraction techniques can be used to distinguish a reaction-formed silicon carbide matrix from any silicon carbide that can be present as a reinforcing or filling material. . Specifically, the reaction-formed silicon carbide is typically a beta polymorph, at least under the present processing conditions. In contrast, most commercially available particularly normal grade silicon carbide is the alpha form most used as a filler material. Thus, at least approximate quantitative data can be obtained for each relative amount present in the complex.

[0082]広範囲のサイズの充填材料体、例えば、数ミリメートルからミクロン程度のサイズの範囲の物体は、反応形成工程を用いて成功裏に溶浸することができる。再び、目標が防弾装甲に貢献する物体の製造であるとき、充填体および複合体のセラミック成分を構成する実際に全ての形態学的特徴は、約300〜350ミクロン、好ましくは約212ミクロン以下のサイズに保たなければならない。   [0082] A wide range of sized packing material bodies, for example objects in the size range of a few millimeters to microns, can be successfully infiltrated using a reaction forming process. Again, when the goal is the manufacture of objects that contribute to bulletproof armor, virtually all the morphological features that make up the ceramic components of the filler and composite are about 300-350 microns, preferably about 212 microns or less. Must be kept in size.

[0083]以前に、発明者らは形態学的特徴(例えば結晶等)のサイズは約100ミクロン程度以下に保つことを推奨した。しかし、ある種の反応条件が以下の節で説明する制御に維持されれば、約100ミクロンよりもいくらか大きい粒子を使用することが可能であり、なお良好な弾道衝撃性能を達成する。   [0083] Previously, the inventors recommended that the size of morphological features (eg, crystals, etc.) be kept below about 100 microns. However, if certain reaction conditions are maintained in the control described in the following section, particles somewhat larger than about 100 microns can be used and still achieve good ballistic impact performance.

[0084]多孔質の塊を構成する充填材物体の最大サイズを制限することに加えて、充填材料の多孔質の塊は、特に溶浸の間、過剰の温度に暴露してはならない。この点に関して、本発明は、約1550℃の温度で、炭化ホウ素とホウ素ドープケイ素溶浸材の反応を起こさずに、炭化ホウ素粒子(プラス添加された炭素)の多孔質の塊の溶浸に成功した。ここで、「過剰」はセラミック粒子が認識できる程度成長することのできる温度も指す。例えば、炭化ケイ素のベータからアルファ結晶学的形への転移は約2050℃で起きる。結晶学的転移は、しばしば広い粒子成長を伴い、これは微小構造の粗化として観察することができる。正確な条件に応じて、僅かに高い温度(おそらく、約2100℃)へ加熱し、かつ、この再結晶を防止することが可能であるが、この温度で炭化ホウ素成分に何が起きるかは未知である。さらに、約2000℃を超える温度で溶浸または溶浸された塊の後処理を行うべきではないことを推奨すべきであろう。再び、本炭化ホウ素複合材の製造に関する限り、目的を達成する最低の温度が一般に好ましい。   [0084] In addition to limiting the maximum size of the filler object that makes up the porous mass, the porous mass of the filler material should not be exposed to excessive temperatures, particularly during infiltration. In this regard, the present invention provides for infiltration of a porous mass of boron carbide particles (plus added carbon) without causing a reaction between boron carbide and boron doped silicon infiltrant at a temperature of about 1550 ° C. Successful. Here, “excess” also refers to the temperature at which the ceramic particles can grow to a discernable extent. For example, the transition from beta to alpha crystallographic form of silicon carbide occurs at about 2050 ° C. Crystallographic transition is often accompanied by broad grain growth, which can be observed as microstructure roughening. Depending on the exact conditions, it is possible to heat to a slightly higher temperature (probably about 2100 ° C.) and prevent this recrystallization, but it is unknown what happens to the boron carbide component at this temperature It is. Furthermore, it should be recommended that no infiltration or post-treatment of the infiltrated mass should be performed at temperatures above about 2000 ° C. Again, as far as the production of the boron carbide composite is concerned, the lowest temperature that achieves the objective is generally preferred.

[0085]さらに、反応結合複合材系において、硬質相の高容積割合は大量のその場で形成される炭化ケイ素相の生成からではなく、代わりに、硬質セラミック充填材料を高度に充填した塊を設計することによって達成すべきである。例えば、溶浸すべき多孔質の塊はその場で炭化ケイ素を形成する炭素源として遊離の、または元素状炭素を含むことが好ましい。この遊離炭素の量は、多孔質の塊の約10体積%を超えず、好ましくは約5〜6%を超えない量に制限すべき(一般に)である。したがって、一般に、その場で製造された炭化ケイ素の量は、最終複合体の約24体積%を超えず、好ましくは約12〜14%を超えない量に制限すべきである。溶浸工程中の過剰の反応に起因する問題の中で、ケイ素と炭素の化学反応の発熱性質による温度の急上昇がある。それらの温度の急上昇は局所的熱膨張に起因する亀裂を招く。また、元素状炭素の炭化ケイ素への変換は、約2.35倍の容積膨張を伴う。したがって、大量の容積変化が亀裂を発生させ得る観点から、大量の反応も有害である。   [0085] Furthermore, in a reaction bonded composite system, the high volume fraction of the hard phase is not from the production of a large amount of in situ formed silicon carbide phase, but instead a highly packed mass of hard ceramic filler material. Should be achieved by designing. For example, the porous mass to be infiltrated preferably contains free or elemental carbon as a carbon source to form silicon carbide in situ. This amount of free carbon should be (generally) limited to an amount not exceeding about 10% by volume of the porous mass, and preferably not exceeding about 5-6%. Thus, in general, the amount of silicon carbide produced in situ should be limited to no more than about 24% by volume of the final composite, and preferably no more than about 12-14%. Among the problems resulting from excessive reaction during the infiltration process is a rapid rise in temperature due to the exothermic nature of the chemical reaction between silicon and carbon. These rapid increases in temperature lead to cracks due to local thermal expansion. Also, the conversion of elemental carbon to silicon carbide is accompanied by a volume expansion of about 2.35 times. Therefore, a large amount of reaction is also harmful from the viewpoint that a large volume change can cause cracks.

[0086]しかし、本発明者らが注目したことは、多くの従来技術の反応結合の文献は、直前に上で警告したような、発明者らが「過剰反応」を伴うと認識した処理条件を明らかに開示することである。結果は、過剰の粒子成長と、個々の粒子または形態学的形状(例えば粒子)が合体若しくは融合して大きな粒子になることである。例えば、図8Aを参照されたい。この粗い微小構造とは対照的に、本発明者らは、良好な弾道衝撃性能を有し図8Bに示したものと類似の微小構造を有する、ケイ素を溶浸した装甲用の複合材料を製造した。この微小構造は、最小の化学反応、少ないか皆無のSiC再結晶、しばしば「凝集」と呼ばれる合体が最小であることを特徴とする。これらの2つの図は、充填材粒子としてSiCであり、BCではないことが特徴であるが、図示されている点を否定しないことを指摘すべきである。したがって、ケイ素溶浸技術によって最小の硬質充填材粒子の相互接続性を示すこれらの微小構造(当初個々の物体として提供された)を有するセラミックリッチの複合材料の製造を継続することができる限り、充填材の粒子サイズを100ミクロン程度以上に増加することができ、やはり装甲用途において許容できる弾道衝撃性能が得られることを本発明者らは主張する。例えば、充填材粒子のサイズを約212ミクロンまで、またはおそらく300〜350ミクロンの範囲まで増加することが可能であろう。 [0086] However, the inventors have noted that many prior art reaction binding documents, such as those warned above just before, have been recognized by the inventors as "overreaction" processing conditions. Is clearly disclosed. The result is excessive particle growth and individual particles or morphological shapes (eg, particles) coalesce or fuse into large particles. For example, see FIG. 8A. In contrast to this rough microstructure, we have produced a silicon infiltrated composite material with good ballistic impact performance and a microstructure similar to that shown in FIG. 8B. did. This microstructure is characterized by minimal chemical reaction, little or no SiC recrystallization, and minimal coalescence, often referred to as “aggregation”. It should be pointed out that these two figures are characterized by SiC as filler particles and not B 4 C, but do not deny the points shown. Therefore, as long as we can continue to produce ceramic-rich composites with these microstructures (originally provided as individual objects) that exhibit minimal hard filler particle interconnectivity through silicon infiltration techniques, We argue that the particle size of the filler can be increased to about 100 microns or more, and still provide acceptable ballistic impact performance in armored applications. For example, it may be possible to increase the size of the filler particles to about 212 microns, or perhaps in the range of 300-350 microns.

[0087]したがって、得られる本発明の装甲級炭化ホウ素複合材料の微小構造は、多孔質の塊または予備成形品中に提供された、炭化ホウ素を構成する物体および他の硬質相の相互接続性が制限された物体の1種である。言い換えれば、充填材料を構成する物体は、過剰焼結もしくは再結晶化、または過剰のその場で形成されるSiC形成によるものなど互いに少量の、または僅かな量の相互接続性も有すべきではない。   [0087] Accordingly, the microstructure of the resulting armor grade boron carbide composite material of the present invention provides interconnectivity of the body and other hard phases comprising boron carbide provided in a porous mass or preform. Is a kind of restricted object. In other words, the objects that make up the filler material should also have a small or negligible amount of interconnectivity with each other, such as by oversintering or recrystallization, or excessive in situ SiC formation. Absent.

[0088]必要ではないが、本発明の反応結合実施形態のために多孔質の塊または予備成形品に加えられる炭素源は、通常グラファイトなどの元素状炭素の形をとる。多くの用途、特に高い硬度を要求するものにおいて、得られる複合体の炭化ケイ素は少なくとも部分的に相互接続されることが望ましい。この成果は、多孔質の塊または予備成形品中の炭素が相互接続されているならばより容易に達成される。さらに、多孔質の塊または予備成形品中の相互接続された炭素は速度および信頼性の点で溶浸を助ける。好ましい実施形態において、炭素は樹脂として多孔質の塊に導入される。次いでこの混合物は所望の形状に成形することができる。樹脂の硬化は自立型多孔質の塊、例えば予備成形品を与える。典型的に非酸化性雰囲気中の後続の熱処理、または中間の焼成工程の間に、樹脂は相互接続した炭素の形に熱分解して少なくとも約1体積%の炭素を含む予備成形品を生成する。樹脂の溶浸および熱分解サイクルは、炭素含有量の増加が必要であれば、1回またはそれ以上繰り返すことができる。   [0088] Although not necessary, the carbon source added to the porous mass or preform for the reaction bonded embodiment of the present invention is typically in the form of elemental carbon such as graphite. In many applications, particularly those requiring high hardness, it is desirable that the resulting composite silicon carbide be at least partially interconnected. This result is more easily achieved if the carbon in the porous mass or preform is interconnected. In addition, the interconnected carbon in the porous mass or preform helps infiltration in terms of speed and reliability. In a preferred embodiment, carbon is introduced into the porous mass as a resin. This mixture can then be formed into the desired shape. Curing of the resin provides a free-standing porous mass, such as a preform. During a subsequent heat treatment, typically in a non-oxidizing atmosphere, or an intermediate firing step, the resin is pyrolyzed into interconnected carbon to produce a preform containing at least about 1 volume percent carbon. . The resin infiltration and pyrolysis cycle can be repeated one or more times if an increase in carbon content is required.

[0089]反応結合炭化ホウ素複合体は一般にホットプレス炭化ホウ素体よりも安価に製造される。複数のRBBC体を同時に熱処理することができるばかりでなく、工具(典型的にグラファイト)はホットプレス作業に用いられるものよりも長時間耐える。   [0089] Reaction bonded boron carbide composites are generally less expensive to manufacture than hot pressed boron carbide bodies. Not only can multiple RBBC bodies be heat treated simultaneously, but the tool (typically graphite) will withstand longer than those used in hot pressing operations.

[0090]前述のように、本RBBC複合材料は、正確な正味寸法公差の獲得で表現しまたは測定して、例えば、身体装甲用途のための湾曲したタイルとして、ホットプレスされた炭化ホウ素装甲タイルよりも良好に正味のサイズと形状に製造することができる。また、本発明者らは、本ケイ素化炭化ホウ素材料が、ホットプレス炭化ホウ素よりも良好な寸法再現性を示すことを期待する。   [0090] As noted above, the present RBBC composites are expressed or measured with accurate net dimensional tolerance acquisition, eg, hot pressed boron carbide armor tiles as curved tiles for body armor applications. It can be manufactured to a net size and shape better. The inventors also expect that the siliconized boron carbide material exhibits better dimensional reproducibility than hot pressed boron carbide.

[0091]より厳しい寸法公差は、性能の優位性を表すものである。詳細には、装甲製造、特に重量に敏感な用途の装甲は、典型的に、規定された最大重量または面密度で、V50発射体速度数で測定し、ある最小弾道衝撃保護レベルに見合うように規定または確認される。(情報として、本発明文献中の弾道衝撃試験用語はMIL−STD−662Fに記載された用語と同じ意味を有する。)目的は高い弾道衝撃性能と低い面密度であり、その両方の因子は厚さに関するが互いに反対に変化するので、装甲プレートはできるかぎり均一な厚さが望まれる。これは、V50値が、許される厚さ範囲の下限、すなわち、許容される最も薄いプレートで達成すべきであるが、最大重量は厚さ範囲の上限によって決定される事実から、特に正しいと言える。 [0091] Tighter dimensional tolerances represent a performance advantage. Specifically, armor for armor manufacturing, particularly weight sensitive applications, typically measured at V 50 projectile speeds at a specified maximum weight or surface density to meet a certain minimum ballistic impact protection level. Stipulated or confirmed. (For information, the ballistic impact test terminology in this document has the same meaning as the term described in MIL-STD-662F.) The purpose is high ballistic impact performance and low areal density, both factors being thickness The armor plate should be as uniform as possible because it varies with respect to the thickness. This is particularly true because the V 50 value should be achieved at the lower limit of the allowed thickness range, ie the thinnest plate allowed, but the maximum weight is determined by the upper limit of the thickness range. I can say that.

[0092]セラミック装甲プレートの形状全体が規格内にある限り、研磨または機械加工によって熱処理する間に進展した不均一性を回復することは少なくとも理論的に可能である。しかし、それらの後処理作業は、通常高価であり、身体装甲市場における市場的な実現可能性は少ない。したがって、セラミック装甲体は熱処理された状態のままで均一な厚さを持たなければならない。   [0092] As long as the overall shape of the ceramic armor plate is within specifications, it is at least theoretically possible to recover the developed non-uniformity during heat treatment by polishing or machining. However, these post-processing operations are usually expensive and have little market feasibility in the body armor market. Therefore, the ceramic armor body must have a uniform thickness while still being heat treated.

[0093]意図した形状に対して、形成されたセラミック装甲体の形状の整合性も重要である。所望の形状を忠実に再現する、複雑に形状加工された曲線を有するセラミック装甲プレートを作成する能力は、装甲製品の形状と適合要件を満たすために大きな価値を持つことができる。焼結またはホットプレスされた装甲セラミックよりも良好な厚さの均一性を示すRBBC材料は、焼結またはホットプレスされた製品よりも良好な形状再現性を示すことが期待される。類似の結果がケイ素化炭化ホウ素材料にも期待される。   [0093] The conformity of the shape of the formed ceramic armor to the intended shape is also important. The ability to create ceramic armor plates with intricately shaped curves that faithfully reproduce the desired shape can be of great value to meet the shape and conformance requirements of armored products. RBBC materials that exhibit better thickness uniformity than sintered or hot pressed armor ceramics are expected to show better shape reproducibility than sintered or hot pressed products. Similar results are expected for siliconized boron carbide materials.

[0094]以下の非制限的な実施例は、本発明をさらに例示する。   [0094] The following non-limiting examples further illustrate the present invention.

参考例1)
[0095]この参考例は、炭化ホウ素補強を含むSi/SiC複合体、すなわち、Si/SiC/BCの反応性溶浸による製造を例示する。さらに詳細には、この参考例は、樹脂性前駆体から誘導された相互接続炭素相、および炭化ケイ素と炭化ホウ素粒子を含む予備成形品へのケイ素含有溶融物の溶浸を例示する。
( Reference Example 1)
[0095] This reference illustrates the production by reactive infiltration of a Si / SiC composite containing boron carbide reinforcement, ie Si / SiC / B 4 C. More specifically, this reference example illustrates the infiltration of a silicon-containing melt into a preform containing an interconnected carbon phase derived from a resinous precursor and silicon carbide and boron carbide particles.

[0096]予備成形品は、沈降成形工程によって調製した。詳細には、約28部の水を100部のセラミック粒子および8部のKRYSTAR300結晶フルクトース(A.E.Staley Manufacturing Co.)に加えてスラリーを作製した。セラミック粒子の内容は、約66ミクロンのメジアン粒子サイズを有する220グリットTETRABOR(登録商標)炭化ホウ素(ESK GmbH、Kempten、Germany製、MicroAbrasives Corp.、Westfield、MAによって販売される)と、約13ミクロンのメジアン粒子サイズを有する500グリットのCRYSTOLON未焼成炭化ケイ素(St.Gobain/Norton Industrial Ceramics)(グレード500RG)の略等しい重量比からなった。固体および液体はプラスチックジャーに加え約40時間ロール混合した。スラリーを約760mmの真空中で約5分間脱気した。成形の約15分前にスラリーを再びロール混合して、あらゆる沈澱した粒子を懸濁させた。   [0096] A preform was prepared by a sedimentation process. Specifically, about 28 parts water was added to 100 parts ceramic particles and 8 parts KRYSTAR 300 crystalline fructose (AE Staley Manufacturing Co.) to make a slurry. The ceramic particle content is 220 grit TETRABOR® boron carbide (manufactured by ESK GmbH, Kempten, Germany, sold by MicroAbrasives Corp., Westfield, Mass.) Having a median particle size of about 66 microns and about 13 microns. 500 grit CRYSTOLON green silicon carbide (St. Gobain / Norton Industrial Ceramics) (grade 500 RG) with a median particle size of approximately equal weight ratio. Solids and liquids were roll mixed for about 40 hours in addition to plastic jars. The slurry was degassed for about 5 minutes in a vacuum of about 760 mm. About 15 minutes before molding, the slurry was roll mixed again to suspend any precipitated particles.

[0097]グラファイト製支持プレートを振動台上に置いた。成形すべき所望の形状の空洞を有するゴム型を界面活性剤で濡らした(Sil−Clean、Plastic Tooling Co.、Exton、PA)。次いで、濡れたゴム型をグラファイトプレート上に置いて乾燥させた。スラリーを空洞中に注いだ。振動を開始した。   [0097] A graphite support plate was placed on the shaking table. A rubber mold having a cavity of the desired shape to be molded was wetted with a surfactant (Sil-Clean, Plastic Tooling Co., Exton, PA). The wet rubber mold was then placed on a graphite plate and dried. The slurry was poured into the cavity. The vibration started.

[0098]沈降の間、周期的に成形品の頂部に残る液体をスポンジで吸い取った。粒子が完全に沈澱した後(約3時間)、振動を停止した。グラファイトプレート、ゴム型、および内部の成形品を振動台から約−20℃の温度に保った冷凍機へ移した。成形品を約6時間完全に冷凍し、それによって自立の予備成形品を形成した。   [0098] During settling, the liquid remaining on the top of the molded article was blotted with a sponge. After the particles had completely settled (about 3 hours), the vibration was stopped. The graphite plate, rubber mold, and internal molded product were transferred from the shaking table to a refrigerator maintained at a temperature of about −20 ° C. The molded article was completely frozen for about 6 hours, thereby forming a self-supporting preform.

[0099]冷凍機から、冷凍された予備成形品を離型し、グラファイト製の硬化トレーに置いた。次いで、グラファイトトレーおよび予備成形品を直ちに室温の窒素雰囲気炉に置いた。炉を点火し、約10℃/時間の速度で約50℃の温度まで加熱し、約50℃で約8時間保持し、次いで、約10℃/時間の速度で約90℃の温度まで加熱し、約90℃で約8時間保持し、次いで、約10℃/時間の速度で約120℃の温度まで加熱し、約120℃で約4時間保持し、次いで、約50℃/時間の速度で約600℃の温度まで加熱し、約600℃で約2時間保持し、次いで、約100℃/時間の速度で室温まで冷却するようにプログラムした。この焼成作業はフルクトースを熱分解し、約2.7重量%の炭素を含む良好に結合した予備成形品を生成した。   [0099] The frozen preform was released from the refrigerator and placed on a graphite curing tray. The graphite tray and preform were then immediately placed in a room temperature nitrogen atmosphere furnace. Ignition furnace, heat to a temperature of about 50 ° C. at a rate of about 10 ° C./hour, hold at about 50 ° C. for about 8 hours, then heat to a temperature of about 90 ° C. at a rate of about 10 ° C./hour Held at about 90 ° C. for about 8 hours, then heated to a temperature of about 120 ° C. at a rate of about 10 ° C./hour, held at about 120 ° C. for about 4 hours, and then at a rate of about 50 ° C./hour It was programmed to heat to a temperature of about 600 ° C., hold at about 600 ° C. for about 2 hours, and then cool to room temperature at a rate of about 100 ° C./hour. This calcination operation pyrolyzed the fructose and produced a well-bonded preform containing about 2.7% carbon by weight.

[0100]上述の工程を用いて2個の「ビーム」またはフィーダーレール予備成形品および多くのタイル予備成形品を製造した。各タイル予備成形品は、約174グラムの質量を有し、約100mm平方×約9mm厚さの全体寸法を有した。各レール予備成形品は図1に描いた断面を有し、長さ約220mm×幅約15mm×厚さ約25mmの寸法を有した。タイル予備成形品の溶浸の間、これらのレールは溶融溶浸材をタイル予備成形品へ導きその中へ導く導管として働くであろう。   [0100] Two “beam” or feeder rail preforms and a number of tile preforms were made using the process described above. Each tile preform had a mass of about 174 grams and an overall dimension of about 100 mm square x about 9 mm thickness. Each rail preform had the cross-section depicted in FIG. 1 and had dimensions of about 220 mm long x about 15 mm wide x about 25 mm thick. During infiltration of the tile preform, these rails will act as conduits that direct the molten infiltrant to the tile preform.

[0101]溶浸工程を制限する装備を調製した。   [0101] Equipment was prepared to limit the infiltration process.

[0102]図2Aおよび2Bに示すように、寸法約790mm×約230mm×約51mm深さのグレードATJのグラファイトトレー31(Union Carbide Corp.、Carbon Products Div.、Cleveland、OH)の内部表面をModel95 Binks噴霧ガンを用いて窒化ホウ素スラリーまたはペイント33を噴霧塗布した。窒化ホウ素ペイントは、約1800グラムのLUBRICOAT窒化ホウ素ペースト(ZYP Coatings、Oak Ridge、TN)を脱イオン水で約1ガロン(3.7リットル)に希釈して調整した。2種の窒化ホウ素の比較的薄い層は、塗布間にほぼ室温の空気乾燥を挟んで塗布された。   [0102] As shown in FIGS. 2A and 2B, the inner surface of a grade ATJ graphite tray 31 (Union Carbide Corp., Carbon Products Div., Cleveland, OH) with dimensions of about 790 mm × about 230 mm × about 51 mm deep is shown as Model 95. Boron nitride slurry or paint 33 was spray applied using a Binks spray gun. Boron nitride paint was prepared by diluting about 1800 grams of LUBRICOAT boron nitride paste (ZYP Coatings, Oak Ridge, TN) to about 1 gallon (3.7 liters) with deionized water. Two relatively thin layers of boron nitride were applied with approximately room temperature air drying between the applications.

[0103]次いで、窒化ホウ素を塗布したトレーを長さ約825mm×幅約270mm×高さ320mmの内部寸法を有する大きなグラファイト室35に置いた。また、室は平行列のグラファイト製のドエル(dowel)棒を支持する手段を特徴とした。   [0103] The boron nitride coated tray was then placed in a large graphite chamber 35 having internal dimensions of about 825 mm long x about 270 mm wide x 320 mm high. The chamber was also characterized by means for supporting parallel rows of graphite dowel rods.

[0104]ここで詳細に図2Bを参照すれば、重さ約48グラム、寸法約790mm×約230mmの2プライのPANEX(登録商標)30の低酸化炭素布44(グレードPW03、平織り、115g/m、Zoltek Corp.、St.Louis、MO)を、塗布されたグラファイトトレー31、33の床に置いた。各々約190グラムの質量および長さ約200mmの4個の炭化ホウ素レール予備成形品42を布の上に置き、トレーの長さ寸法に平行に配置した。次いで、約0.5重量%のFe(最大)を含み残りSiを含む塊の形のケイ素21(グレードLP、Elkem Metals Co.、Pittsburgh、PA)を個々の予備成形品レールの間の炭素布の上に多少とも均一に分配した。計算は、元素状炭素を完全に反応させ、布、フィーダーレール予備成形品、及びタイル予備成形品の間隙を充填するために、約1510グラムのケイ素溶浸材が必要であることを示した。ただし、約10%の追加のケイ素が装備に提供された。 [0104] Referring now in detail to FIG. 2B, a 2-ply PANEX® 30 low carbon oxide fabric 44 (grade PW03, plain weave, 115 g / weight) weighing about 48 grams and measuring about 790 mm × about 230 mm. m 2 , Zoltek Corp., St. Louis, MO) was placed on the floor of the coated graphite trays 31,33. Four boron carbide rail preforms 42 each having a mass of about 190 grams and a length of about 200 mm were placed on the fabric and placed parallel to the length of the tray. A mass of silicon 21 (Grade LP, Elke Metals Co., Pittsburgh, PA) containing about 0.5 wt% Fe (maximum) and remaining Si is then applied to the carbon cloth between the individual preform rails. Distributed more or less evenly on top. Calculations indicated that about 1510 grams of silicon infiltrant was required to fully react the elemental carbon and fill the gaps in the fabric, feeder rail preform, and tile preform. However, approximately 10% additional silicon was provided to the equipment.

[0105]窒化ホウ素33で噴霧塗布された直径約0.25インチ(6mm)の寸法のグラファイトドエル棒49をグラファイト保持具または支持具47中に置いた。総計15個の、同様に窒化ホウ素33で噴霧コーティングした四角のタイル予備成形品41(図には4個だけが示される)を2個のレールの端を横断してトレーの各半分に置いた。窒化ホウ素は過剰溶浸を防止する障壁材料として働く傾向があるので、炭化ホウ素予備成形品に接触されるタイルの表面は塗布しなかった。   [0105] A graphite dowel rod 49 having a diameter of about 0.25 inch (6 mm) spray coated with boron nitride 33 was placed in a graphite holder or support 47. A total of 15 square tile preforms 41 (only 4 shown in the figure), also spray coated with boron nitride 33, were placed on each half of the tray across the ends of the two rails. . Since boron nitride tends to act as a barrier material to prevent excessive infiltration, the surface of the tile that is in contact with the boron carbide preform was not applied.

[0106]室の頂部は、雰囲気の交換が可能な多数の直径約1cmの貫通孔36を特徴とする、緩く固定した(気密封止ではない)グラファイト蓋34で覆った。孔は動かない負荷として働くグラファイトブロック40で場所に固定された一片のグラファイトフェルト38で覆い、それによって装備を完成した。   [0106] The top of the chamber was covered with a loosely fixed (not hermetically sealed) graphite lid 34 characterized by a number of through-holes 36 of about 1 cm in diameter allowing exchange of atmosphere. The hole was covered with a piece of graphite felt 38 secured in place with a graphite block 40 which served as a stationary load, thereby completing the equipment.

[0107]次いで、完成した装備をほぼ室温(例えば、約20℃)の真空炉中に置いた。機械的粗引きポンプを用いて空気を抜き、その後、残りの約100ミリトル未満の圧力の粗い真空を維持した。次いで、レイアップ(lay−up)を室温から約200℃/時間の速度で約1350℃の温度に加熱した。約1350℃の温度を1時間維持した後、温度を約200℃/時間の速度でさらに約1550℃の温度に上昇させた。約1550℃の温度を1時間維持した後、温度を約100℃/時間の速度で約1450℃の温度に下げた。この温度を保持することなく、レイアップの温度を約25℃/時間の速度で約1300℃の温度までさらに下げ、続いて直ちに約200℃/時間の速度でほぼ室温まで冷却した。   [0107] The completed equipment was then placed in a vacuum oven at about room temperature (eg, about 20 ° C.). A mechanical roughing pump was used to evacuate and then maintain the remaining rough vacuum at a pressure of less than about 100 millitorr. The lay-up was then heated from room temperature to a temperature of about 1350 ° C. at a rate of about 200 ° C./hour. After maintaining a temperature of about 1350 ° C. for 1 hour, the temperature was further increased to a temperature of about 1550 ° C. at a rate of about 200 ° C./hour. After maintaining a temperature of about 1550 ° C. for 1 hour, the temperature was reduced to a temperature of about 1450 ° C. at a rate of about 100 ° C./hour. Without maintaining this temperature, the lay-up temperature was further lowered to a temperature of about 1300 ° C. at a rate of about 25 ° C./hour, and then immediately cooled to about room temperature at a rate of about 200 ° C./hour.

[0108]この加熱スケジュールに続いて、室およびその内容物を真空炉から回収し、分解して検査した。ケイ素溶浸は溶融し炭素布に溶浸し、それによって炭素布を炭化ケイ素布に変化させた。また、溶融ケイ素溶浸材はレール予備成形品を通って四角いタイル予備成形品にも溶浸し、その中の元素状炭素と反応して、炭化ホウ素補強を有する高密度の炭化ケイ素マトリックス複合体を形成した。予備成形品の各々は線状接触でレールに支持されたので、Si/SiC/BC複合材タイルをフィーダーレール複合材料から分離するのは、低〜中間の手の力で十分であった。 [0108] Following this heating schedule, the chamber and its contents were recovered from the vacuum furnace, disassembled and inspected. The silicon infiltration melted and infiltrated into the carbon cloth, thereby changing the carbon cloth into a silicon carbide cloth. The molten silicon infiltrant also passes through the rail preform and also into the square tile preform and reacts with the elemental carbon therein to form a dense silicon carbide matrix composite with boron carbide reinforcement. Formed. Since each of the preforms was supported on the rail with linear contact, low to intermediate hand force was sufficient to separate the Si / SiC / B 4 C composite tile from the feeder rail composite. .

参考例2)
[0109]予備成形品の作製に炭化ケイ素粒子を使用せず、炭化ホウ素の粒子サイズ分布を、実質上全ての粒子が約45ミクロンよりも小さくなるように修正したことを除いて、参考例1の技術を実質上繰り返した。熱分解工程に続いて、予備成形品は約75体積%の炭化ホウ素粒子と約4体積%の炭素を含んだ。
( Reference Example 2)
[0109] Reference Example 1 except that silicon carbide particles were not used to make the preform and the particle size distribution of boron carbide was modified so that substantially all of the particles were smaller than about 45 microns. The technology was substantially repeated. Following the pyrolysis step, the preform contained about 75% by volume boron carbide particles and about 4% by volume carbon.

[0110]溶浸の後、セラミック材料は公称75体積%のBC、9体積%の反応形成SiC、および16体積%の残りのSi(すなわち、Si/SiC/BC複合材)を含んだ。研磨した断面をNikon Microphot−FX光学顕微鏡を用いて検査した。材料の光学顕微鏡写真を図3に示す。ケイ素溶浸材へのホウ素源の添加を含む処理条件を注意深く選択することによって、僅かな粒子の成長と相互連結が起き、従って比較的微細な微小構造の維持が可能であったことが明らかに確認される。例えば、顕微鏡写真は、溶浸工程の結果として、SiとBCの間の反応を殆ど視認できないことを示している。 [0110] After infiltration, the ceramic material is nominally 75% by volume B 4 C, 9% by volume reaction-formed SiC, and 16% by volume remaining Si (ie, Si / SiC / B 4 C composite). Inclusive. The polished cross section was examined using a Nikon Microphoto-FX optical microscope. An optical micrograph of the material is shown in FIG. Clearly, careful selection of processing conditions including the addition of a boron source to the silicon infiltrant resulted in slight particle growth and interconnections, and thus the ability to maintain a relatively fine microstructure. It is confirmed. For example, the micrograph shows that the reaction between Si and B 4 C is hardly visible as a result of the infiltration process.

参考例3)
[0111]ケイ素溶浸材をレイアップに供給する前に、単層のTETRABOR(登録商標)炭化ホウ素粒子(220グリット、ESK)をフィーダーレール間の炭素布上に散布したことを除いて、参考例2の技術を実質上繰り返した。加えた炭化ホウ素を相殺し、約10%の過剰のケイ素供給を維持するために、参考例1のように、付随してケイ素の量を増加させた。
( Reference Example 3)
[0111] Before supplying silicon infiltrant to layup, except that single layer TETRABOR® boron carbide particles (220 grit, ESK) were sprinkled on the carbon cloth between the feeder rails, for reference The technique of Example 2 was substantially repeated. The amount of silicon was concomitantly increased as in Reference Example 1 to offset the added boron carbide and maintain an excess silicon supply of about 10%.

(比較例1)
[0112]この例は、微細粒子炭化ケイ素充填材で高度に装填された炭化ケイ素複合材装甲プレートの作製を示す。この例は熱処理装置の部品のいくつかの再使用をさらに示す。
(Comparative Example 1)
[0112] This example illustrates the fabrication of a silicon carbide composite armor plate that is highly loaded with fine particle silicon carbide filler. This example further illustrates the reuse of some of the components of the heat treatment equipment.

[0113]装甲「胸当て」および4個の「フィーダーレール」予備成形品は沈降成形工程によって調製した。詳細には、約24部の脱イオン水を100部のCRYSTOLON未焼成炭化ケイ素(Saint−Gobain/Norton Industrial Ceramics、Worcester、MA)と約6部のKRYSTAR300結晶フルクトース(A.E.Staley Manufacturing Co.、Decatur、IL)に加えてスラリーを作製した。炭化ケイ素粒子は、約65重量%のグレードF320(メジアン粒子サイズ約29ミクロン、塊状の形態)と、残りのグレード500RG(メジアン粒子サイズ約13ミクロン、丸い形態)とからなった。固体および液体をプラスチックジャーに加え約40時間ロール混合した。スラリーを約760mmの真空中で約5分間脱気した。成形の約15分前にスラリーを再びロール混合して、あらゆる沈澱した粒子を懸濁させた。   [0113] Armored “breast pads” and four “feeder rail” preforms were prepared by a sedimentation molding process. Specifically, about 24 parts deionized water was added to 100 parts CRYSTALON unfired silicon carbide (Saint-Gobain / Norton Industrial Ceramics, Worcester, Mass.) And about 6 parts KRYSTAR 300 crystal fructose (A.E.Stay Manufacture. , Decatur, IL) to make a slurry. The silicon carbide particles consisted of about 65% by weight grade F320 (median particle size about 29 microns, bulk form) and the remaining grade 500RG (median particle size about 13 microns, round form). Solids and liquids were added to a plastic jar and roll mixed for about 40 hours. The slurry was degassed for about 5 minutes in a vacuum of about 760 mm. About 15 minutes before molding, the slurry was roll mixed again to suspend any precipitated particles.

[0114]グラファイト製支持プレートを振動台上に置いた。成形すべき所望の形状の空洞を有するゴム型を、JOY皿洗い洗剤(Proctor and Gamble、Cincinnati、OH)の10重量%の水溶液からなる界面活性剤で濡らした。次いで、濡れたゴム型をグラファイトプレート上に置いて乾燥させた。スラリーを空洞中に注いだ。振動を開始した。   [0114] A graphite support plate was placed on the shaking table. A rubber mold having a cavity of the desired shape to be molded was wetted with a surfactant consisting of a 10% by weight aqueous solution of JOY dishwashing detergent (Proctor and Gamble, Cincinnati, OH). The wet rubber mold was then placed on a graphite plate and dried. The slurry was poured into the cavity. The vibration started.

[0115]粒子が完全に沈澱した後(約3時間)、振動を停止した。成形品の頂部に残る液体をスポンジで吸い取った。グラファイトプレートおよびその上のゴム製モールド中の成形品を振動台から約−15℃の温度に保った冷凍機へ移した。   [0115] After the particles had completely settled (about 3 hours), the vibration was stopped. The liquid remaining on the top of the molded product was sucked up with a sponge. The molded product in the graphite plate and the rubber mold on the graphite plate was transferred from the shaking table to a refrigerator maintained at a temperature of about −15 ° C.

[0116]成形品が完全に冷凍されたならば、ゴム型を冷凍機から取り出し、その中に含まれる冷凍された成形品を離型し、乾燥および素焼き用グラファイト製硬化トレーに置いた。硬化トレーは胸当てプレート予備成形品の外側面の形状に加工した。次いで、グラファイトトレーおよび予備成形品を室温の窒素雰囲気炉に置いた。炉を点火し、約40℃/時間の速度で約90℃の温度まで加熱し、次いで約90℃で約2時間保持し、次いで、約100℃/時間の速度で約600℃の温度までさらに加熱し、約600℃で約2時間保持し、次いで、約200℃/時間の速度で室温まで冷却するようにプログラムした。この焼成作業はフルクトースを熱分解し、約2重量%の炭素を含む良好に結合した予備成形品を生成した。   [0116] Once the molded article was completely frozen, the rubber mold was removed from the refrigerator and the frozen molded article contained therein was released and placed on a graphite curing tray for drying and baking. The curing tray was processed into the shape of the outer side of the breastplate preform. The graphite tray and preform were then placed in a room temperature nitrogen atmosphere furnace. Ignit the furnace and heat to a temperature of about 90 ° C. at a rate of about 40 ° C./hour, then hold at about 90 ° C. for about 2 hours, then further to a temperature of about 600 ° C. at a rate of about 100 ° C./hour It was programmed to heat and hold at about 600 ° C. for about 2 hours and then to cool to room temperature at a rate of about 200 ° C./hour. This calcination operation pyrolyzed the fructose and produced a well bonded preform containing about 2 wt% carbon.

[0117]胸当て予備成形品の炭素含有量はKRYSTAR300結晶フルクトースの70重量%の水溶液を再溶浸することによって増加した。詳細には、予備成形品をフルクトース溶液に総計約20時間浸漬した。溶液を予備成形品中にさらに迅速に溶浸させるため、最初の約2時間、約60psi(410kPa)の過剰空気圧力を溶液に加えた。15分間空気加圧を停止した後、同じ圧力に戻した。過剰圧力をさらに2時間維持した後、圧力を大気圧に戻し、残る20時間予備成形品を溶液に浸漬した。次いで、胸当て予備成形品をフルクトース溶液から取り出し、湿った布で拭き、過剰のフルクトース溶液を除去した。次いで、上述と同じ熱処理計画に従って予備成形品を再熱分解した。第2熱分解工程は、予備成形品の全体質量に3%を加えた。   [0117] The carbon content of the breastplate preform was increased by re-infiltrating a 70 wt% aqueous solution of KRYSTAR300 crystalline fructose. Specifically, the preform was immersed in the fructose solution for a total of about 20 hours. An excess air pressure of about 60 psi (410 kPa) was applied to the solution for the first about 2 hours to infiltrate the solution more quickly into the preform. After stopping air pressurization for 15 minutes, the pressure was returned to the same pressure. After maintaining the excess pressure for an additional 2 hours, the pressure was returned to atmospheric pressure and the remaining 20 hours of the preform was immersed in the solution. The breastplate preform was then removed from the fructose solution and wiped with a damp cloth to remove excess fructose solution. The preform was then re-pyrolyzed according to the same heat treatment plan as described above. In the second pyrolysis step, 3% was added to the total mass of the preform.

[0118]胸当て予備成形品は、約700グラムの質量を有し、長さ約318mm×幅約241mm×厚さ約4.4mmの全体寸法を有した。胸当ては長さと幅寸法が僅かに湾曲した。フィーダーレール予備成形品は、断面に関して、四角いタイル予備成形品を溶浸する参考例1に用いたサイズと同じであった。 [0118] The breastplate preform had a mass of about 700 grams and had an overall dimension of about 318 mm long x about 241 mm wide x about 4.4 mm thick. The breastplate was slightly curved in length and width. The feeder rail preform was the same size as used in Reference Example 1 for infiltrating the square tile preform in terms of cross section.

[0119]次いで、溶浸用レイアップを調製した。   [0119] Next, an infiltration layup was prepared.

[0120]図4Aおよび4Bを参照すれば、寸法約790mm×約230mm×約51mm深さのグレードATJのグラファイトトレー31(Union Carbide Corp.、Carbon Products Div.、Cleveland、OH)
の内部表面を、実質上参考例1に説明したものと同じようにして、窒化ホウ素スラリーまたはペイント33を噴霧塗布した。
[0120] Referring to FIGS. 4A and 4B, a grade ATJ graphite tray 31 (Union Carbide Corp., Carbon Products Div., Cleveland, OH) having dimensions of about 790 mm × about 230 mm × about 51 mm deep.
A boron nitride slurry or paint 33 was sprayed onto the inner surface of the substrate in substantially the same manner as described in Reference Example 1.

[0121]次いで、窒化ホウ素を塗布したトレーを、トレーよりも僅かに大きな長さと幅の寸法を有するが、装甲プレートの長い寸法を収容するのに十分な高さを有するより大きなグラファイト室35に置いた。また、室は平行列のグラファイトドエル棒39を支持する手段37を特徴とした。   [0121] The boron nitride coated tray is then placed into a larger graphite chamber 35 having a slightly larger length and width dimension than the tray, but sufficient height to accommodate the longer dimensions of the armor plate. placed. The chamber also featured means 37 for supporting parallel rows of graphite dowel bars 39.

<炭素布および炭化ケイ素フィーダーレールの溶浸>
[0122]ここで詳細に図4Bを参照すれば、重さ約25グラム、寸法約790mm×約230mmの単一PANEX(登録商標)30の低酸化炭素布44(グレードPW03、平織り、115g/m、Zoltek Corp.、St.Louis、MO)を、塗布したグラファイトトレー31、33の床に置いた。各々約190グラムの質量を有する4個の炭化ホウ素レール予備成形品32を、布44の幅を横切って、各トレーの半分に一対で配置して置いた。約0.5重量%のFe(最大)を含み残りSiを含む十分なケイ素(グレードLP、Elkem Metals Co.、Pittsburgh、PA、塊の形)を炭素布の表面上に散布して、布と、レール、およびレール上に配置されたあらゆる予備成形品を完全に溶浸させた。室の頂部は、雰囲気の交換を許容する多数の直径約1cmの貫通孔36を特徴とする、緩く固定した(気密封止ではない)グラファイト蓋34で覆った。孔は動かない負荷として働くグラファイトブロック40で場所に固定された一片のグラファイトフェルト38で覆い、それによってレイアップを完成した。
<Infiltration of carbon cloth and silicon carbide feeder rail>
[0122] Referring now in detail to FIG. 4B, a single PANEX® 30 low carbon oxide fabric 44 (grade PW03, plain weave, 115 g / m) weighing approximately 25 grams and measuring approximately 790 mm x approximately 230 mm. 2 , Zoltek Corp., St. Louis, MO) was placed on the floor of the coated graphite trays 31,33. Four boron carbide rail preforms 32 each having a mass of about 190 grams were placed in pairs on half of each tray across the width of the fabric 44. Sprinkle sufficient silicon (grade LP, Elke Metals Co., Pittsburgh, PA, in the form of a lump) with about 0.5 wt% Fe (maximum) and the remaining Si onto the surface of the carbon cloth to The rails and any preforms placed on the rails were completely infiltrated. The top of the chamber was covered with a loosely fixed (not hermetically sealed) graphite lid 34 featuring a number of through-holes 36 of about 1 cm in diameter allowing the exchange of atmosphere. The hole was covered with a piece of graphite felt 38 secured in place with a graphite block 40 which served as a non-moving load, thereby completing the layup.

[0123]次いで、完成したレイアップをほぼ室温で(例えば、約20℃)真空炉中に置いた。機械的粗引きポンプを用いて空気を抜き、その後、残りの約100ミリトル未満の圧力の粗い真空を維持した。次いで、レイアップを室温から約200℃/時間の速度で約1350℃の温度に加熱した。約1350℃の温度を1時間維持した後、温度を約200℃/時間の速度でさらに約1550℃の温度に上昇させた。約1550℃の温度を1.5時間維持した後、温度を約100℃/時間の速度で約1450℃の温度に下げた。この温度を保持することなく、レイアップの温度を約25℃/時間の速度で約1300℃の温度までさらに下げ、続いて直ちに約200℃/時間の速度でほぼ室温まで冷却した。   [0123] The completed layup was then placed in a vacuum oven at about room temperature (eg, about 20 ° C.). A mechanical roughing pump was used to evacuate and then maintain the remaining rough vacuum at a pressure of less than about 100 millitorr. The layup was then heated from room temperature to a temperature of about 1350 ° C. at a rate of about 200 ° C./hour. After maintaining a temperature of about 1350 ° C. for 1 hour, the temperature was further increased to a temperature of about 1550 ° C. at a rate of about 200 ° C./hour. After maintaining a temperature of about 1550 ° C. for 1.5 hours, the temperature was reduced to a temperature of about 1450 ° C. at a rate of about 100 ° C./hour. Without maintaining this temperature, the lay-up temperature was further lowered to a temperature of about 1300 ° C. at a rate of about 25 ° C./hour, and then immediately cooled to about room temperature at a rate of about 200 ° C./hour.

[0124]この加熱スケジュールの後、室およびその内容物を真空炉から取り出した。ケイ素溶浸材は溶融して炭素布とレール予備成形品に溶浸し、それによって、炭素布を炭化ケイ素布へ変換し、高密度の炭化ケイ素複合材フィーダーレールを形成した。重量測定法から、炭化ケイ素布に溜まった約770グラムの未溶浸ケイ素があることがわかった。次いで、グラファイト室の内容物は、炭化ケイ素複合材装甲胸当てを作製するのに再使用した。   [0124] After this heating schedule, the chamber and its contents were removed from the vacuum furnace. The silicon infiltrant melted and infiltrated into the carbon cloth and rail preform, thereby converting the carbon cloth into a silicon carbide cloth to form a high density silicon carbide composite feeder rail. From the gravimetric method, it was found that there was about 770 grams of uninfiltrated silicon accumulated in the silicon carbide cloth. The contents of the graphite chamber were then reused to make a silicon carbide composite armor bib.

<胸当て予備成形品の溶浸>
[0125]約0.5重量%のFe(最大)および残りSiを含む約1775グラムの他のケイ素21(グレードLP、Elkem Metals Co.、Pittsburgh、PA)を炭化ケイ素複合材(例えば溶浸された)レール間の炭化ケイ素織物上に分配した。直径約0.25インチ(6mm)の寸法の、窒化ホウ素33で噴霧塗布したグラファイトドエル棒39をグラファイト保持具または支持具37中に置いた。同様に窒化ホウ素33で噴霧コーティングした4個の胸当て予備成形品11を、2個のレールの端を横断してトレーの各半分に置いた(図4A参照)。レールに接触する各予備成形品の表面は塗布しなかった。室の頂部を前述のように被覆してレイアップを完成させた。
<Infiltration of preforms for breast pads>
[0125] About 1775 grams of other silicon 21 (grade LP, Elke Metals Co., Pittsburgh, PA) containing about 0.5 wt% Fe (maximum) and residual Si is infiltrated with a silicon carbide composite (eg, infiltrated). D) distributed on the silicon carbide fabric between the rails. A graphite dowel bar 39 spray coated with boron nitride 33, measuring about 0.25 inch (6 mm) in diameter, was placed in a graphite holder or support 37. Similarly, four breastplate preforms 11 spray coated with boron nitride 33 were placed on each half of the tray across the ends of the two rails (see FIG. 4A). The surface of each preform that contacts the rail was not applied. The top of the chamber was covered as described above to complete the layup.

[0126]次いで、グラファイト室およびその内容物を、炭素布と炭化ケイ素フィーダーレール予備成形品の溶浸に用いた方法と実質上同じ方法で熱処理した。   [0126] The graphite chamber and its contents were then heat treated in substantially the same manner as used for the infiltration of the carbon cloth and silicon carbide feeder rail preform.

[0127]この加熱計画に続いて、室およびその内容物を真空炉から回収し、分解した。ケイ素溶浸は溶融し、複合材フィーダーレールおよび装甲胸当て予備成形品中に溶浸し、高密度の炭化ケイ素マトリックス複合体を形成した。各胸当てプレートは、レールによってその幅寸法の線接触で支持されたので、形成された胸当て複合体をフィーダーレールから分離するのは軽い手の力で十分であった。胸当ての窒化ホウ素塗布中にいくつかの点を通って染み出たいくらかのケイ素溶浸材の小塊を除去するには、軽いサンドブラストだけを必要とした。   [0127] Following this heating regime, the chamber and its contents were recovered from the vacuum furnace and disassembled. The silicon infiltrate melted and infiltrated into the composite feeder rail and armor bib preform to form a dense silicon carbide matrix composite. Since each bib plate was supported by rails in line contact of its width dimension, light hand force was sufficient to separate the formed bib complex from the feeder rail. Only a light sandblast was required to remove some silicon infiltrate lumps that would leak through several points during the breastplate boron nitride application.

(比較例2)
[0128]炭化ケイ素粒子が炭化ホウ素粒子の代わりに用いられたことを除いて、参考例2の技術を実質上繰り返した。しかし、参考例2のように、炭化ケイ素混合物の粒子サイズ分布は、実質上全ての粒子が約45ミクロンよりも小さいようにした。熱分解工程に続いて、予備成形品は約75体積%の炭化ケイ素粒子と約4体積%の炭素を含んだ。
(Comparative Example 2)
[0128] The technique of Reference Example 2 was substantially repeated except that silicon carbide particles were used instead of boron carbide particles. However, as in Reference Example 2, the particle size distribution of the silicon carbide mixture was such that substantially all particles were smaller than about 45 microns. Following the pyrolysis step, the preform contained about 75% by volume silicon carbide particles and about 4% by volume carbon.

[0129]溶融Siで溶浸した後、得られる物体は84体積%のSiC(元の75および反応で形成された9)と16体積%のSi(すなわちSi/SiC複合材)からなった。材料の典型的な微小構造(光学顕微鏡写真)を図5に示す。   [0129] After infiltration with molten Si, the resulting body consisted of 84% by volume SiC (original 75 and 9 formed in the reaction) and 16% by volume Si (ie Si / SiC composite). A typical microstructure of the material (optical micrograph) is shown in FIG.

[0130]光学顕微鏡写真において、元のSiCと反応形成したSiCの相違を識別することはできなかった。参考例2の反応結合BCのように、図5に示した反応結合SiCセラミックはSiCの相互連結と集団化を少しも示さず、したがって比較的微細な微小構造を維持することが可能であった。 [0130] In the optical micrograph, the difference between the original SiC and the SiC formed by reaction could not be identified. Like the reaction-bonded B 4 C of Reference Example 2, the reaction-bonded SiC ceramic shown in FIG. 5 does not show any SiC interconnection and clustering and can therefore maintain a relatively fine microstructure. there were.

(比較例3)
[0131]この比較例は、反応性溶浸工程による複合体の製造を示し、複合体は炭化ホウ素補強を特徴とする。工程は、以下を除いて参考例1に類似していた。
(Comparative Example 3)
[0131] This comparative example shows the production of a composite by a reactive infiltration process, the composite being characterized by boron carbide reinforcement. The process was similar to Reference Example 1 with the following exceptions.

[0132]炭素布およびフィーダーレールを最初に自己溶浸させ、別の熱処理を用いて溶浸されたレールからの総計8個のタイルを同時に溶浸した。炭化ホウ素成分の場所に、フィーダーレール予備成形品は広範囲の補強として炭化ケイ素を特徴とした。さらに正確には、フィーダーレール予備成形品は比較例1に述べたものと実質上同じ組成物を有した。2層の代わりに単一層の炭素布を用いた。最初の溶浸(布とレール)のためのケイ素溶浸材の量は、元素状炭素と完全に反応し、レールおよび布を構成する補強体、例えば、粒子と繊維の間の空隙を充填するのに計算される必要な量よりもいくらか過剰であった。この最初のケイ素溶浸から得られる物体は炭化ケイ素複合材布およびフィーダーレールであった。重量測定分析から、炭化ケイ素布に滞留する約800グラムの未溶浸ケイ素があることがわかった。   [0132] Carbon cloth and feeder rails were first self-infiltrated and a total of 8 tiles from the rails infiltrated using another heat treatment were infiltrated simultaneously. In place of the boron carbide component, the feeder rail preforms featured silicon carbide as a wide range of reinforcement. More precisely, the feeder rail preform had substantially the same composition as that described in Comparative Example 1. A single layer carbon cloth was used instead of two layers. The amount of silicon infiltrant for the initial infiltration (cloth and rail) reacts completely with elemental carbon and fills the reinforcements that make up the rail and cloth, for example, the voids between the particles and the fibers There was some excess over the required amount calculated. The objects resulting from this initial silicon infiltration were silicon carbide composite fabric and feeder rail. From gravimetric analysis, it was found that there was about 800 grams of uninfiltrated silicon remaining in the silicon carbide cloth.

[0133]8個の予備形成タイルを溶浸する後続の熱処理のために、約602グラムの塊状ケイ素21(グレードLP、Eikem Metals Co.、Pittsburgh、PA)を炭化ケイ素複合材レール(例えば、溶浸された)の間の炭化ケイ素織物の上に分配した。参考例1のように窒化ホウ素を塗布した8個の予備成形タイルを溶浸されたレール上に置き、参考例1のように窒化ホウ素を塗布したグラファイトドエル棒で支持した。 [0133] Approximately 602 grams of bulk silicon 21 (Grade LP, Eikem Metals Co., Pittsburgh, PA) was applied to a silicon carbide composite rail (eg, infiltrated) for subsequent heat treatment infiltrating the 8 preformed tiles. Distributed on the silicon carbide fabric during (soaked). Place eight preformed tile coated with boron nitride as in Example 1 on the infiltrated rails, supported by a graphite dowel rods coated with boron nitride as in Example 1.

[0134]両方の溶浸作業のための加熱計画は、参考例1に述べたものと実質上同じであった。 [0134] The heating schedule for both infiltration operations was substantially the same as that described in Reference Example 1.

[0135]この第2溶浸に続いて、室およびその内容物を真空炉から回収した。ケイ素溶浸材は溶融し、炭化ケイ素複合材レールを通ってタイル予備成形品へ溶浸し、高密度のSi/SiC/BC複合体を形成した。溶浸したタイルを回収した際に、各レールとの各接触点からタイルの中に展延する直径約1〜2cmのゾーンがあることが観察された。これらのゾーンは、残りの溶浸されたタイルよりうすい異なる暗部(shade)があり、各々、通常の暗部/非暗部の境界から複合材タイルの内部に向かって展延する長さ約2cmの亀裂を特徴とした。 [0135] Following this second infiltration, the chamber and its contents were recovered from the vacuum furnace. The silicon infiltrant melted and infiltrated through the silicon carbide composite rail and into the tile preform to form a high density Si / SiC / B 4 C composite. When the infiltrated tile was collected, it was observed that there was a zone with a diameter of about 1-2 cm extending into the tile from each contact point with each rail. These zones have shades that are slightly different than the remaining infiltrated tiles, each about a 2 cm long crack extending from the normal dark / non-dark boundary toward the interior of the composite tile. It was characterized.

[0136]典型的な微小構造を示す図6において、Si−BC反応が起きていることが示されている。構造の粗化(例えば、Siマトリックス内の大きなセラミック集団)が明らかに確認される。以前のいくつかの仕事のように、Si−BC反応が起きることが許されれば、微小構造は顕著に粗化される。(例えば、上で参照したBaileyおよびTaylorらの米国特許を参照されたい。)粗い微小構造は、より大きなサイズの傷を有するセラミックを招き、したがって強度はより低くなる。 [0136] In FIG. 6, which shows a typical microstructure, it is shown that the Si—B 4 C reaction occurs. Structural roughening (eg, large ceramic populations within the Si matrix) is clearly identified. As some previous work, if allowed to Si-B 4 C reaction occurs, the microstructure is significantly roughened. (See, for example, Bailey and Taylor et al., Referenced above.) A coarse microstructure results in a ceramic with larger size flaws, and therefore less strength.

<機械的および物理的特性の特徴付け>
[0137]作製工程の後、本反応結合セラミック複合材料の様々な機械的および物理的特性を測定した。密度はASTM規格B311による水浸漬技術によって求めた。弾性特性はASTM規格D2845に従って超音波プラスエコー技術によって測定した。硬度は、ASTM規格E92による2kg負荷でのビッカース尺度で測定した。4点曲げの曲げ強度は、ASTM手順第D790を用いた比較例1の複合材料を除いて、MIL−STD−1942Aに従って求めた。破壊靭性は4点曲げシェブロンノッチ技術およびネジ駆動Sintech model CITS−2000汎用試験機械を用い、1mm/分のクロスヘッド速度での変位制御下で測定した。寸法6×4.8×50mmの試験片を、6mm寸法に平行な負荷方向、および内部および外部負荷スパンはそれぞれ20mmおよび40mmで試験した。幅0.3mmのダイアモンド刃で切断したシェブロンノッチは60°の包括角を有し、各試験片の中間長に位置した。試験片の寸法は、Munzらの解析による2種の計算方法の間で解析差を最小にするように選択した(D.G.Munz、J.L.Shannon、およびR.T.Bubsey、「シェブロンノッチ試験片の4点曲げ試験における最大負荷からの破壊靭性計算(Fracture Toughness Calculation from Maximum Load in Four Point Bend Tests of Chevron Notch Specimens)」、Int.J.Fracture、16R137〜41(1980))。
<Characteristics of mechanical and physical properties>
[0137] After the fabrication process, various mechanical and physical properties of the reaction bonded ceramic composite were measured. The density was determined by a water immersion technique according to ASTM standard B311. Elastic properties were measured by ultrasonic plus echo technique according to ASTM standard D2845. Hardness was measured on a Vickers scale at 2 kg load according to ASTM standard E92. The bending strength of 4-point bending was determined according to MIL-STD-1942A, excluding the composite material of Comparative Example 1 using ASTM procedure No. D790. Fracture toughness was measured using a 4-point bend chevron notch technique and a screw-driven Sintech model CITS-2000 general purpose test machine under displacement control at a crosshead speed of 1 mm / min. Test specimens with dimensions 6 × 4.8 × 50 mm were tested with a load direction parallel to the 6 mm dimension and internal and external load spans of 20 mm and 40 mm, respectively. A chevron notch cut with a diamond blade having a width of 0.3 mm had an inclusion angle of 60 ° and was located at the intermediate length of each test piece. The dimensions of the specimens were chosen to minimize the analytical difference between the two calculation methods according to the analysis of Munz et al. (DG Munz, JL Shannon, and RT Bubsey, “ Fracture toughness calculation from maximum load in four points Bend Tests of Chevron Notch Spec.

[0138]本反応結合セラミックの密度、ヤング率、曲げ強度、および破壊靭性を表Iに提供する。適切な場合、結果は平均+/−1標準偏差として提供される。   [0138] The density, Young's modulus, flexural strength, and fracture toughness of the present reaction bonded ceramic are provided in Table I. Where appropriate, results are provided as mean +/- 1 standard deviation.

Figure 0004945245
Figure 0004945245

[0139]SiC系材料の密度は、比較的低い密度を有するSi相の存在のためモノリシックSiCよりも約6%低い。低下した密度は、装甲など重量が規定される用途にとって重要である。BC形材料は非常に低い密度を有し、モノリシックBCのそれに類似している。 [0139] The density of SiC-based materials is about 6% lower than monolithic SiC due to the presence of a Si phase having a relatively low density. Reduced density is important for applications where weight is specified, such as armor. The B 4 C type material has a very low density and is similar to that of monolithic B 4 C.

[0140]反応結合SiCおよび反応結合BCセラミックのヤング率は本質的に同じであり、他の高性能セラミック材料と有利に比較し得る。特定の結果は、それぞれ〜450、〜450および120GPaの高密度SiC、BC、およびSiについてのヤング率値に基づいて予測された通りである。特に、重量規定に基づいて、反応結合BCは非常に高いヤング率を有する。 [0140] The Young's modulus of reaction bonded SiC and reaction bonded B 4 C ceramic is essentially the same and can be advantageously compared to other high performance ceramic materials. Certain results, respectively 450, is as predicted based on the Young's modulus values for high density SiC of 450 and 120 GPa, B 4 C, and Si. In particular, based on weight specifications, the reactive bond B 4 C has a very high Young's modulus.

[0141]硬度は装甲材料にとって非常に重要な因子である。以前の仕事は、発射体が破壊されるとき、高い質量効率が硬質装甲貫通発射体に対してのみ得られ、効率的に発射体を破壊するためには装甲は硬度が高くなければならないことを示した。(例えば、M.L.Wilkins、R.L.Landingham、およびC.A.Honodel、「軽量装甲プログラムの第5回進展報告(Fifth Progress Report of Light Armor Program)」、報告No.UCRL−50980、University of CA、Livermore、Jan.1971、また、C.Hsieh、「セラミック面のアルミニウム装甲パネルの開発研究(Ceramic−Faced Aluminum Armor Panel Development Studies)」、報告No.JPL−D−2092のAppendix 9、ジェット推進研究所(Jet Propulsion Laboratory)、Feb.1985を参照されたい。)   [0141] Hardness is a very important factor for armor materials. Previous work has shown that when a projectile is destroyed, high mass efficiency is obtained only for hard armor penetrating projectiles, and armor must be hard to effectively destroy the projectile Indicated. (Eg, ML Wilkins, RL Landingham, and CA Hondel, “Fifth Progress Report of Light Armor Program”, report No. UCRL-50980, University of CA, Livermore, Jan. 1971, and C. Hsieh, “Ceramic-Faced Aluminum Armor Panel Development Studies”, Report No. 92 JPL-p-20, Report No. JPL-p-20. See Jet Propulsion Laboratory, Feb. 1985.

[0142]しかし、結果は試験方法と技術に大きく依存するので、多くの公開された文献中の硬度データを比較するのは困難である。したがって、本発明では多くの異なる市販材料を確保した。次いで、真の比較を行えるように、硬度測定を市販材料と本発明の新しい反応結合セラミックの両方について同一のやり方で実施した。結果を表IIに提供する。   [0142] However, it is difficult to compare hardness data in many published literature, as the results are highly dependent on test methods and techniques. Therefore, many different commercially available materials were secured in the present invention. The hardness measurements were then performed in the same manner for both the commercial material and the new reaction bonded ceramic of the present invention so that a true comparison could be made. Results are provided in Table II.

Figure 0004945245
Figure 0004945245

[0143]反応結合SiCおよびBCセラミックは、工具鋼発射体およびWC/Co発射体の両方を超える非常に高い硬度を有する。両方の場合、Si/SiCおよびSi/SiC/BC複合材は、多少とも構成成分の重量平均硬度を反映する硬度を有する。特に、モノリシックBCの非常に高い硬度のため、反応結合BCは非常に高い硬度値を有する。 [0143] Reaction bonded SiC and B 4 C ceramics have a very high hardness that exceeds both tool steel and WC / Co projectiles. In both cases, the Si / SiC and Si / SiC / B 4 C composites have a hardness that more or less reflects the weight average hardness of the constituents. In particular, because of the very high hardness of monolithic B 4 C, the reactive bond B 4 C has a very high hardness value.

<弾道衝撃試験>
[0144]第1回弾道衝撃試験は、市販されているホットプレス炭化ホウ素に対する比較例1のSiCを充填したRBSC複合材料の評価に焦点を合わせた。候補のセラミック装甲材料は一側部が約100mmの四角いタイルの形で提供した。試験したタイルの中のいくつかは比較例1の炭化ケイ素胸当てと実質上同じ組成物であった。
<Ballistic impact test>
[0144] The first ballistic impact test focused on the evaluation of the RBSC composite filled with the SiC of Comparative Example 1 against a commercially available hot pressed boron carbide. Candidate ceramic armor material was provided in the form of square tiles about 100 mm on one side. Some of the tiles tested had substantially the same composition as the silicon carbide bib of Comparative Example 1.

[0145]比較例1のセラミック複合材料は約80体積%の炭化ケイ素からなり、残りはケイ素であった。その塊の密度は約3.0g/ccであり、そのヤング率は約360GPaであった。さらに、組成物と処理がこの比較例1に非常に類似しているこのRBSC体は、約270MPaの4点曲げ強度を有した。   [0145] The ceramic composite of Comparative Example 1 consisted of about 80% by volume silicon carbide with the remainder being silicon. The density of the mass was about 3.0 g / cc and the Young's modulus was about 360 GPa. Furthermore, this RBSC body, which is very similar in composition and treatment to this Comparative Example 1, had a 4-point bending strength of about 270 MPa.

[0146]試験用の装甲ターゲットを製造するために、セラミックタイルをSpectraShield(登録商標)ポリマー複合材裏打ち層(AlliedSignal Inc.、Morristown、NJ)に取り付けた。この材料は、樹脂マトリックスに埋め込まれた2層の単一方向性の繊維からなる幅54インチ(1370mm)のロールとして供給され、1層の繊維が他の層の繊維に直交する。ロールから幅12インチ(305mm)のシートを多数切断した。次いで、適切な数のこれらのシートを、約150psi(1.3MPa)の印加圧力、約121℃の温度で約60分間オートクレーブ中で積層し、固め、それによって硬いポリマー複合材プレートを形成した。固化に続いて、54×12インチ(1370×305mm)のプレートから約12インチ(305mm)平方の寸法の裏打ちプレートを帯鋸または水ジェットを用いて切断した。裏打ちプレートの中央部の約5インチ(120mm)平方の領域を120グリットのサンドペーパーを用いて軽く研磨した。接合すべき表面をイソプロピルアルコールで洗浄した後、候補の装甲タイルを裏打ちプレートの中央に2層の厚さ76ミクロンのウレタンフィルム接着剤を用いて接合した。接合は、約121℃の温度に維持された完全な真空下の炉中で約30分間硬化し、それによって弾道衝撃試験片を形成した。   [0146] Ceramic tiles were attached to a SpectraShield (R) polymer composite backing layer (AlliedSignal Inc., Morristown, NJ) to produce an armor target for testing. This material is supplied as a 54 inch wide roll of two layers of unidirectional fibers embedded in a resin matrix, with one layer of fibers orthogonal to the other layers of fibers. A number of 12 inch (305 mm) sheets were cut from the roll. The appropriate number of these sheets were then laminated and consolidated in an autoclave for about 60 minutes at an applied pressure of about 150 psi (1.3 MPa) and a temperature of about 121 ° C., thereby forming a hard polymer composite plate. Following solidification, a backing plate measuring about 12 inches (305 mm) square was cut from a 54 × 12 inch (1370 × 305 mm) plate using a band saw or water jet. An approximately 5 inch (120 mm) square area in the center of the backing plate was lightly polished using 120 grit sandpaper. After cleaning the surfaces to be joined with isopropyl alcohol, candidate armor tiles were joined to the center of the backing plate using two layers of 76 micron thick urethane film adhesive. The bond was cured for about 30 minutes in a full vacuum oven maintained at a temperature of about 121 ° C., thereby forming a ballistic impact specimen.

[0147]裏打ちプレートの重量は使用した積層体の数によって変化し、セラミックタイルの重量はセラミックタイルを研磨した厚さの寸法によって変化した。しかし、各々の場合、総面密度(セラミックタイルに裏打ち材料をプラスした密度)はほぼ同じ量に維持した。   [0147] The weight of the backing plate varied with the number of laminates used, and the weight of the ceramic tiles varied with the thickness dimension of the polished ceramic tiles. However, in each case, the total areal density (the density of the ceramic tile plus the backing material) was maintained at approximately the same amount.

[0148]弾道衝撃試験用の目標を以下のように組み立てた。弾道衝撃試験片は、身体装甲の野外戦術用ベスト(OTV)を模擬するためのリップストップナイロンとカモフラージュ用のコーデュラ被覆を備える28層のKM2(600デニール)ブランケットの前に置いた。OTV模擬体および試験片は、約35℃の温度で約6時間処理した100mm厚さのRoma Plastiline模型粘土ブロックの前に置いた。試験片およびOTV模擬体は導管テープで粘土ブロックに固定し、粘土ブロックを試験台に固定された鋼の支持構造で支え、目標を完成した。   [0148] A target for ballistic impact testing was assembled as follows. Ballistic impact specimens were placed in front of a 28-layer KM2 (600 denier) blanket with ripstop nylon and camouflage cordura coating to simulate a body armored outdoor tactical vest (OTV). The OTV mimetics and specimens were placed in front of a 100 mm thick Roma Plasticine model clay block that had been treated at a temperature of about 35 ° C. for about 6 hours. The test piece and the OTV mimetic were fixed to the clay block with conduit tape, and the clay block was supported by a steel support structure fixed to the test stand, thereby completing the target.

[0149]2個の異なる種類の7.62mm発射体を用いて、目標を斜め角度ゼロ度で速度を変化させて撃った。表IIIは第1の射撃に対する比較弾道衝撃試験結果を示し、表IVは他の射撃に対する結果を報告する。この試験に用いられる弾道侵入抵抗の基本的な単位は、目標の部分侵入と完全な侵入が等しく起こり得る発射体の速度V50である。V50を総面密度に関して正規化すると、本開示において「弾道衝撃停止力」と呼ぶ因子を与える。 [0149] Two different types of 7.62 mm projectiles were used to shoot the target at a diagonal angle of zero degrees with varying speed. Table III shows the comparative ballistic impact test results for the first shot, and Table IV reports the results for the other shots. The basic unit of ballistic penetration resistance used in this test is the projectile velocity V 50 where the target partial and full penetrations can occur equally. Normalizing V 50 with respect to the total areal density gives a factor called “ballistic impact stopping force” in this disclosure.

Figure 0004945245
Figure 0004945245

Figure 0004945245
Figure 0004945245

[0150]これらの結果は極めて有望であり、市販されている主要なセラミック装甲のいくつか(例えば、ホットプレス)と性能的に競合し得る反応結合SiC装甲を製造できるであろうことを示唆した。したがって、本発明者らは、この手法の開発を継続し、本炭化ホウ素複合材料に至った。   [0150] These results were extremely promising and suggested that it would be possible to produce reaction bonded SiC armor that could compete in performance with some of the major ceramic armor commercially available (eg, hot press). . Therefore, the present inventors continued the development of this technique, and led to the present boron carbide composite material.

<弾道衝撃試験:第2回>
[0151]この第2回弾道衝撃試験において、参考例2の本RBBC材料を候補の装甲として評価し、比較例2のSiC充填RBSC材料ならびに市販のホットプレスBC(対照)と比較した。一連の試験の中で、弾道発射体として弾丸群に対して反応結合SiCおよび市販のホットプレスBCを試験し、第2回の試験の組において、装甲貫通(AP)群に対して反応結合BCおよびホットプレスBCを試験した。
<Ballistic impact test: 2nd>
[0151] In this second ballistic impact test, the RBBC material of Reference Example 2 was evaluated as a candidate armor and compared to the SiC-filled RBSC material of Comparative Example 2 and a commercially available hot press B 4 C (control). In a series of tests, reaction-bonded SiC and commercial hot press B 4 C were tested against a group of bullets as ballistic projectiles and reacted against an armor penetration (AP) group in the second set of tests. Bonded B 4 C and hot press B 4 C were tested.

[0152]第1回の弾道衝撃試験のように、100mm×100mmのセラミックタイルを300mm×300mmの繊維補強ポリマープレートに接着した。   [0152] As in the first ballistic impact test, a 100 mm x 100 mm ceramic tile was bonded to a 300 mm x 300 mm fiber reinforced polymer plate.

<弾道衝撃特性>
[0153]弾道衝撃試験の結果は表VおよびVIに提供する。反応結合SiCおよび市販のホットプレスBC(対照)について、7.62mmのM80弾丸の群に対する試験結果を表Vに提供する。反応結合BCおよび市販のホットプレスBCについて、7.62mmのAPM2の群に対する試験結果を表VIに提供する。各々の場合において、表は、系の面密度、目標の質量効率、ホットプレスBC対照に関して正規化した質量効率を提供する。表における質量効率は、同じ衝撃に対する均一なロール鋼製装甲(RHA)についての入手可能なデータに基づいて求めた。詳細には、質量効率は、同じ性能を与えるために必要なRHAの面密度を試験ターゲットの面密度で除して計算した。
<Ballistic impact characteristics>
[0153] Ballistic impact test results are provided in Tables V and VI. Test results for a group of 7.62 mm M80 bullets are provided in Table V for reaction bonded SiC and commercial hot press B 4 C (control). The test results for the 7.62 mm APM2 group for reaction bonded B 4 C and commercial hot press B 4 C are provided in Table VI. In each case, the table provides the mass efficiency normalized with respect to the areal density of the system, the target mass efficiency, and the hot press B 4 C control. The mass efficiencies in the table were determined based on the available data for uniform rolled steel armor (RHA) for the same impact. Specifically, mass efficiency was calculated by dividing the surface density of RHA required to give the same performance by the surface density of the test target.

Figure 0004945245
Figure 0004945245

Figure 0004945245
Figure 0004945245

[0154]弾道衝撃結果は、より低コストの反応結合セラミックを用いる装甲設計がホットプレスセラミックを用いる同じ設計の装甲と等価の質量効率を有したことを示す。これは、様々な用途に対してコスト効率のよい装甲製品の製造を可能にした。図7Aおよび7Cにおいて、例えば、航空機装甲および個人装甲タイルをSiC充填RBSCから作製した。図7Bの車両用装甲プレートはRBBCから作製した。   [0154] Ballistic impact results show that the armor design using the lower cost reaction bonded ceramic had equivalent mass efficiency to the same design armor using the hot pressed ceramic. This enabled the production of cost-effective armor products for various applications. In FIGS. 7A and 7C, for example, aircraft armor and individual armor tiles were made from SiC filled RBSC. The vehicle armor plate of FIG. 7B was made from RBBC.

参考例4)
[0155]以下のことを除いて、実質上参考例1の手順を繰り返した。
( Reference Example 4)
[0155] The procedure of Reference Example 1 was substantially repeated with the following exceptions.

[0156]予備成形品において、セラミック粒子は公称70:30の比に混合された公称45ミクロンと公称12ミクロン(メジアン粒子サイズ)の炭化ホウ素粒子(ESK GmbH、Kempten、Germany)から構成された。   [0156] In the preforms, the ceramic particles consisted of nominal 45 micron and nominal 12 micron (median particle size) boron carbide particles (ESK GmbH, Kempten, Germany) mixed in a nominal 70:30 ratio.

[0157]凍結工程に続いて、直ちに沈降成形工程からのゲートを帯鋸などで取り除いた。   [0157] Following the freezing step, the gate from the sedimentation step was immediately removed with a band saw or the like.

[0158]約600℃で炭化する前に、成形からの残渣の水を乾燥工程で除去した。詳細には、凍結した予備成形品をグラファイト製硬化トレー上に置き、約110℃の温度に維持した空気雰囲気対流炉中に置いた。予備成形品を約110℃の温度で約30〜60分間維持した後、炉の温度を約180℃に上げた。約180℃の温度で少なくとも1時間維持した後、硬化トレーと予備成形品を炉から取り出し、約20℃まで冷まし、炉は再び約110℃の温度まで冷却した。   [0158] Prior to carbonization at about 600 ° C., residual water from the molding was removed in a drying step. Specifically, the frozen preform was placed on a graphite curing tray and placed in an air atmosphere convection oven maintained at a temperature of about 110 ° C. After maintaining the preform at a temperature of about 110 ° C for about 30-60 minutes, the furnace temperature was raised to about 180 ° C. After maintaining at a temperature of about 180 ° C. for at least 1 hour, the curing tray and preform were removed from the furnace and cooled to about 20 ° C., and the furnace was again cooled to a temperature of about 110 ° C.

[0159]反応性溶浸を実施する構成において、グラファイト製トレー31の内部表面を窒化ホウ素スラリーまたは塗料で噴霧塗布する代わりに、これらの内部は窒化ホウ素スラリーに浸漬したSAFFILアルミナ繊維シート材料(Saffil Ltd.、Cheshire、UK)で裏打ちし、次いで乾燥した。   [0159] In a configuration in which reactive infiltration is carried out, instead of spraying the inner surface of the graphite tray 31 with boron nitride slurry or paint, these interiors are SAFFIL alumina fiber sheet material (Saffil) immersed in boron nitride slurry. Ltd., Cheshire, UK) and then dried.

[0160]炭素布上に分配した塊の形状のケイ素は、その中に炭化ホウ素粒子(予備成形品に用いたものと同じ種類)およびTHERMAXカーボンブラック粉(グレードN−991、Cancarb、Medicine Hat、Alberta、Canada)を混合して有した。予備成形品材料約17.4kgを溶浸するために、約10.6kgのケイ素と、約0.42kgの炭化ホウ素粒子と、約0.11kgのカーボンブラックが必要であった。   [0160] The lump-shaped silicon distributed on the carbon cloth contains therein boron carbide particles (same type as used in the preform) and THERMAX carbon black powder (grade N-991, Cancarb, Medicine Hat, Alberta, Canada). About 10.6 kg of silicon, about 0.42 kg of boron carbide particles, and about 0.11 kg of carbon black were required to infiltrate about 17.4 kg of the preform material.

(実施例5)
[0161]この実施例は、実質上反応性炭素を含まない予備成形品にケイ素系金属を溶浸することによる炭化ホウ素/ケイ素複合体の製造を示す。言い換えれば、この実施例は、ケイ素化した炭化ホウ素複合体の形成を示す。
(Example 5)
[0161] This example illustrates the preparation of a boron carbide / silicon composite by infiltrating a silicon-based metal into a preform that is substantially free of reactive carbon. In other words, this example shows the formation of a siliconized boron carbide composite.

[0162]適切なサイズのグラファイト製トレーの内部表面を、参考例4で述べた窒化ホウ素に浸漬したアルミナ繊維シート材料で裏打ちし、乾燥した。次いで、参考例4で述べた約70グラムの炭化ホウ素セラミック粒子混合物を、予備形成の形成によらず、代わりに単純に乾燥粒子を裏打ちしたグラファイト製トレー中に注ぎ、乾燥粉を一種のピラミッド形状に整えることによってゆるく形状加工した。次いで、このセラミック粒子の山の中央に、約125グラムの塊状ケイ素金属(Elkem)を保持するのに十分大きな窪みを形成した。次いで、裏打ちしたグラファイト製トレーとその内容物を、ゆるく固定されたグラファイト製蓋を備えるさらに大きなグラファイト製室の中に置き、これを室温および大気圧の真空炉の中に置いた。炉を封止し、真空粗引きし、温度を約200℃/時間の速度で、約20℃から約1525℃の温度まで上昇させた。約1525℃の温度で約4時間維持した後、温度を約200℃/時間の速度で降下させた。約100℃以下の温度で、真空炉中の圧力を大気に戻し、炉を開き、グラファイト室を取り出して分解した。 [0162] The inner surface of an appropriately sized graphite tray was lined with an alumina fiber sheet material soaked in boron nitride as described in Reference Example 4 and dried. Then, about 70 grams of the boron carbide ceramic particle mixture described in Reference Example 4 was poured into a graphite tray simply backed with dry particles, instead of forming a preform, and the dry powder was in the form of a pyramid. The shape was processed loosely. A depression that was large enough to hold about 125 grams of bulk silicon metal (Elkem) was then formed in the middle of the pile of ceramic particles. The lined graphite tray and its contents were then placed in a larger graphite chamber with a loosely secured graphite lid that was placed in a vacuum furnace at room temperature and atmospheric pressure. The furnace was sealed, vacuum evacuated, and the temperature was increased from about 20 ° C. to about 1525 ° C. at a rate of about 200 ° C./hour. After maintaining at a temperature of about 1525 ° C. for about 4 hours, the temperature was reduced at a rate of about 200 ° C./hour. At a temperature of about 100 ° C. or lower, the pressure in the vacuum furnace was returned to the atmosphere, the furnace was opened, the graphite chamber was taken out and decomposed.

[0163]ケイ素が溶融し、炭化ホウ素粒子の多孔質の塊を溶浸して複合体を形成したことが観察された。複合材料の細かくして研磨した断面を光学顕微鏡中で金属組織学的に検査した。これらの顕微鏡写真はそれぞれ図9Aおよび9Bに示され、それらは主としてケイ素金属と思われる金属マトリックス中に分散された炭化ホウ素粒子を示す。   [0163] It was observed that the silicon melted and infiltrated the porous mass of boron carbide particles to form a composite. The finely ground and polished section of the composite material was examined metallographically in an optical microscope. These micrographs are shown in FIGS. 9A and 9B, respectively, which show boron carbide particles dispersed in a metal matrix that appears to be primarily silicon metal.

(実施例6)
[0164]この実施例は、ケイ素化した炭化ホウ素複合体の製造を示す。
(Example 6)
[0164] This example illustrates the preparation of a siliconized boron carbide composite.

[0165]乾燥プレス作業によって炭化ホウ素予備成形品を調製した。詳細には、約3重量%のメチルセルロース1重量%水溶液を220グリットTETRABOR炭化ホウ素粒子(ESK GmbH、Kempten、Germany)に加え、Eirichミキサーなどで完全に混合した。次いで、この混合物の一定量を鋼製型に装填し、約4000ポンド(1800kg)の負荷でプレスして、約4インチ(100mm)平方および約3/8インチ(10mm)厚さのタイルを製造する。次いで、プレスされたタイルを約100℃で乾燥して水を除去し、次いで約0.5気圧のアルゴン下、約2050℃の温度で約10分間素焼きにしてメチルセルロースの一時的結合材を除去し、炭化ホウ素粒子を軽く焼結する。   [0165] Boron carbide preforms were prepared by a dry press operation. Specifically, about 3% by weight of a 1% by weight aqueous solution of methylcellulose was added to 220 grit TETRABOR boron carbide particles (ESK GmbH, Kempten, Germany) and thoroughly mixed with an Erich mixer or the like. A quantity of this mixture is then loaded into a steel mold and pressed with a load of about 4000 pounds (1800 kg) to produce a tile about 4 inches (100 mm) square and about 3/8 inches (10 mm) thick. To do. The pressed tile is then dried at about 100 ° C. to remove water and then baked at about 2050 ° C. for about 10 minutes under about 0.5 atmospheres of argon to remove the temporary binder of methylcellulose. Sinter the boron carbide particles lightly.

[0166]次いで、素焼きにした炭化ホウ素予備成形品は、実質上参考例1と同じようにして溶浸する。得られるケイ素化した炭化ホウ素体は、いくらかのホウ素および炭素とのケイ素金属のマトリックス、およびケイ素金属マトリックス中に埋め込まれた炭化ホウ素を含む。炭化ホウ素は溶浸工程によって実質上化学的に影響を受けず、例えば、溶融溶浸材による溶解または化学的攻撃の兆候を示さない。 [0166] Next, the unbaked boron carbide preform is infiltrated in substantially the same manner as in Reference Example 1. The resulting siliconized boron carbide body includes a matrix of silicon metal with some boron and carbon, and boron carbide embedded in the silicon metal matrix. Boron carbide is substantially chemically unaffected by the infiltration process and, for example, does not show any signs of melting or chemical attack by the molten infiltrant.

(実施例7)
[0167]この実施例は、ケイ素化した炭化ホウ素製造の他の実施形態を示す。
(Example 7)
[0167] This example illustrates another embodiment of siliconized boron carbide production.

[0168]フルクトースの代わりにメチルセルロースを用いること以外は参考例1のようにして予備成形品組成物をバッチで沈降成形し、タイル予備成形品を調製する。次いで、沈降成形タイルをアルゴン雰囲気下、参考例1の加熱計画を用いて約120℃の温度で加熱し、水を除去する。約120℃の温度で約4時間保持した後、次いで予備成形品を約200℃/時間の速度で約2050℃の温度に加熱して一時的な結合材を除去し、BCおよびSiC粒子を軽く焼結する。 [0168] Except for using methylcellulose instead of fructose, the preform composition is subjected to sedimentation in batches as in Reference Example 1 to prepare a tile preform. Subsequently, the sedimentation-molded tile is heated at a temperature of about 120 ° C. using the heating plan of Reference Example 1 under an argon atmosphere to remove water. After holding at a temperature of about 120 ° C. for about 4 hours, the preform is then heated at a rate of about 200 ° C./hour to a temperature of about 2050 ° C. to remove temporary binder, and B 4 C and SiC particles Sinter lightly.

[0169]次いで、素焼きにした炭化ホウ素予備成形品を、溶浸が約1750℃で行われること以外は実質上参考例1と同じようにして溶浸する。得られるケイ素化した炭化ホウ素体は、いくらかのホウ素および炭素とのケイ素金属のマトリックス、およびケイ素金属マトリックス中に埋め込まれた炭化ホウ素を含む。
[0169] The unbaked boron carbide preform is then infiltrated in substantially the same manner as in Reference Example 1 except that the infiltration is performed at about 1750 ° C. The resulting siliconized boron carbide body includes a matrix of silicon metal with some boron and carbon, and boron carbide embedded in the silicon metal matrix.

[0170]本発明の炭化ホウ素複合材料は、例外的な硬度と剛性、小さな比重および比較的高い曲げ強度を有する。本開示は主に防弾装甲としての本材料の潜在的な用途に焦点を合わせたが、それらはロボット、工具、および他の精密装置産業など、剛性と小比重が重要な材料特性であるところに多くの用途を見出すはずである。また、本複合材料は、磨耗または磨耗抵抗性部品として魅力的であろう。ホウ素汚染の可能性が問題にならない場合、本発明の炭化ホウ素複合材料は、空気ベアリング筐体または支持枠、機械工具架橋および基底、ミラー台および平坦なパネル表示据付具など半導体製造産業に用途を見出すことができよう。本複合材料は、望ましいミラー基板を作製することができよう。さらに、これらの炭化ホウ素複合材は核産業、特に中性子吸収が重要である用途に用途を見出すことができよう。   [0170] The boron carbide composite materials of the present invention have exceptional hardness and stiffness, small specific gravity and relatively high bending strength. The present disclosure primarily focused on the potential use of this material as bulletproof armor, where they are material properties where stiffness and small specific gravity are important materials such as robotics, tools, and other precision equipment industries. Many uses should be found. The composite material may also be attractive as a wear or wear resistant component. If the possibility of boron contamination is not an issue, the boron carbide composite material of the present invention has applications in the semiconductor manufacturing industry such as air bearing housings or support frames, mechanical tool bridges and bases, mirror stands and flat panel display fixtures. I can find it. The composite material could produce a desirable mirror substrate. In addition, these boron carbide composites may find use in the nuclear industry, particularly where neutron absorption is important.

[0171]小さな比重と高い硬度の望ましい特性を有する本発明のセラミック装甲は、小武器の射撃に対して、例えば、身体装甲、および航空機装甲として特に有用なはずである。また、本炭化ホウ素材料は、船舶および地上車両への、例えば、より激しい爆撃に対する装甲としての用途を見出すであろう。   [0171] The ceramic armor of the present invention with the desirable properties of low specific gravity and high hardness should be particularly useful for small weapon shooting, for example, as body armor and aircraft armor. The boron carbide material will also find use as armor for ships and ground vehicles, eg, for more intense bombing.

[0172]当業者であれば、付随の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、上に開示され例示されたような発明に多くの変形および修正を加えることが可能であることを容易に認識するであろう。   [0172] Those skilled in the art can make many variations and modifications to the invention as disclosed and exemplified above without departing from the scope of the invention as set forth in the appended claims. You will easily recognize that.

[0042]図1は、実施例1に説明されるフィーダーレールの断面図である。[0042] FIG. 1 is a cross-sectional view of a feeder rail described in Example 1. [0043]図2Aは、実施例1の炭化ホウ素補強炭化ケイ素複合材タイルの調製に用いられる装備の前面図である。[0043] FIG. 2A is a front view of the equipment used to prepare the boron carbide reinforced silicon carbide composite tile of Example 1. FIG. 図2Bは、実施例1の炭化ホウ素補強炭化ケイ素複合材タイルの調製に用いられる装備の側面図である。2B is a side view of equipment used to prepare the boron carbide reinforced silicon carbide composite tile of Example 1. FIG. [0044]図3は、実施例2によって製造されたRBBC材料の断面を研磨した光学顕微鏡写真である。[0044] FIG. 3 is an optical micrograph of a polished cross-section of the RBBC material produced according to Example 2. [0045]図4Aは、比較例1による炭化ケイ素複合材胸当てを調製するのに用いられる装備の平面図である。[0045] FIG. 4A is a plan view of the equipment used to prepare the silicon carbide composite bib according to Comparative Example 1. FIG. 図4Bは、比較例1による炭化ケイ素複合材胸当てを調製するのに用いられる装備の正面図である。4B is a front view of equipment used to prepare a silicon carbide composite bib according to Comparative Example 1. FIG. [0046]図5は、比較例2によって製造されたSiC充填RBSC材料の断面を研磨した光学顕微鏡写真である。[0046] FIG. 5 is an optical micrograph of a polished cross-section of the SiC-filled RBSC material produced by Comparative Example 2. [0047]図6は、比較例3によって製造されたRBBC材料の研磨した断面の光学顕微鏡写真である。[0047] FIG. 6 is an optical micrograph of a polished cross-section of the RBBC material produced by Comparative Example 3. [0048]図7Aは、本発明の装甲材料の実施形態のいくつかの用途を示す図である。[0048] FIG. 7A illustrates several uses of an embodiment of the armor material of the present invention. 図7Bは、本発明の装甲材料の実施形態のいくつかの用途を示す図である。FIG. 7B illustrates several uses of an embodiment of the armor material of the present invention. 図7Cは、本発明の装甲材料の実施形態のいくつかの用途を示す図である。FIG. 7C illustrates several uses of the armor material embodiment of the present invention. [0049]図8Aは、粗い微小構造を示すRBSC複合材料の光学顕微鏡写真である。[0049] FIG. 8A is an optical micrograph of an RBSC composite showing a coarse microstructure. 図8Bは、SiCセラミック構成成分の限られた相互接続性の1種を示すRBSC複合材料の光学顕微鏡写真である。FIG. 8B is an optical micrograph of an RBSC composite showing one of the limited interconnectivity of SiC ceramic components. [0050]図9Aは、実施例5によって製造されたケイ素化炭化ホウ素複合材料の断面を研磨して約50倍に拡大して撮影した光学顕微鏡写真である。[0050] FIG. 9A is an optical micrograph taken by polishing a cross section of the siliconized boron carbide composite material produced according to Example 5 and enlarging it about 50 times. 図9Bは、実施例5によって製造されたケイ素化炭化ホウ素複合材料の断面を研磨して約200倍に拡大して撮影した光学顕微鏡写真である。FIG. 9B is an optical micrograph taken by polishing a cross section of the siliconized boron carbide composite material produced according to Example 5 to a magnification of about 200 times.

Claims (12)

ケイ素金属を含む合金を含み、該ケイ素金属中に少なくとも1種のホウ素を含む物質と少なくとも1種の炭素を含む物質が溶解しているマトリックス成分と、
炭化ホウ素を含む補強成分とを含む複合材料であって、
記補強成分が前記マトリックス全体に分散され、前記炭化ホウ素が前記合金によって影響を受けず、かつ
前記複合材料はβ−SiCを含まない複合材料。
A matrix component comprising an alloy comprising silicon metal, wherein a substance containing at least one boron and a substance containing at least one carbon are dissolved in the silicon metal;
And a reinforcing component comprising boron carbide A including composite material,
Dispersed before Symbol reinforcing Ingredient is throughout said matrix, said boron carbide is not affected by the alloy, and
The composite material is a composite material not containing β-SiC .
前記補強成分が複数の充填材料体を含み、前記充填材料の少なくとも90体積%が直径55ミクロンよりも小さい請求項1に記載の複合材料。The composite material of claim 1, wherein the reinforcing component comprises a plurality of filler material bodies, wherein at least 90% by volume of the filler material bodies are less than 55 microns in diameter. 前記補強成分が前記複合材料の少なくとも65体積%を構成する請求項1に記載の複合材料。  The composite material of claim 1, wherein the reinforcing component comprises at least 65% by volume of the composite material. 防弾装甲の構成材であって、前記構成材が、少なくとも1層のセラミック層と、前記セラミック層の後方に配置され接合された少なくとも1層の裏打ち層とを含み、
前記セラミック層が、
(a)ケイ素を含む合金と、前記ケイ素に溶解したホウ素とを含むマトリックス、および
(b)前記マトリックス全体に分散された複数の炭化ホウ素充填体を含む少なくとも1種の補強材料を含む、
少なくとも1種の炭化ホウ素複合体を含み
前記構成材がβ−SiCを含まない防弾装甲構成材。
A component of bulletproof armor, the component comprising at least one ceramic layer and at least one backing layer disposed and bonded behind the ceramic layer;
The ceramic layer is
(A) a matrix comprising silicon-containing alloy and boron dissolved in the silicon; and (b) at least one reinforcing material comprising a plurality of boron carbide fillers dispersed throughout the matrix.
Comprises at least one boron carbide composites,
A bulletproof armor component in which the component does not contain β-SiC .
前記合金が、前記ケイ素に溶解した炭素を含む少なくとも1種の物質をさらに含む請求項4に記載の防弾装甲構成材。  The bulletproof armor component according to claim 4, wherein the alloy further includes at least one substance containing carbon dissolved in the silicon. 前記炭化ホウ素充填体の少なくとも90体積%が、100ミクロンよりも小さい請求項4に記載の防弾装甲構成材。The bulletproof armor component of claim 4, wherein at least 90% by volume of the boron carbide filler is less than 100 microns. 前記複合材料が前記溶浸材相を30体積%以上含まない請求項4に記載の防弾装甲構成材。  The bulletproof armor component according to claim 4, wherein the composite material does not contain 30% by volume or more of the infiltrant phase. 炭化ホウ素を含む少なくとも1種の充填材料を含む多孔質の塊または予備成形品(但し、該多孔質の塊または予備成形品は実質上遊離炭素を含まない。)を提供するステップと、
炭素を含む少なくとも1種の物質が溶解している、ケイ素を含む溶融溶浸材を提供するステップと、
次いで、真空中または不活性雰囲気中で、前記溶融溶浸材を少なくとも1種の前記多孔質の塊または予備成形品に接触させるステップと、
前記溶融溶浸材を前記多孔質の塊または予備成形品中に溶浸させ、それによって前記溶浸材を含むマトリックス中に分散された前記炭化ホウ素を含む複合体を形成するステップと、
前記溶融溶浸材を固化するステップとを含む複合体の製造方法。
Providing a porous mass or preform comprising at least one filler material comprising boron carbide, wherein the porous mass or preform is substantially free of free carbon;
Providing a silicon-containing molten infiltrant in which at least one substance comprising carbon is dissolved;
Contacting the molten infiltrant with at least one porous mass or preform in a vacuum or inert atmosphere;
Infiltrating the molten infiltrant into the porous mass or preform, thereby forming a composite comprising the boron carbide dispersed in a matrix comprising the infiltrant;
And a step of solidifying the molten infiltrant.
前記溶浸が2000℃を超えない温度で行われる請求項8に記載の方法。  The method of claim 8, wherein the infiltration is performed at a temperature not exceeding 2000C. 前記補強材料が少なくとも前記複合の65体積%を占める、請求項4に記載の防弾装甲構成材。It said reinforcing material accounts for 65% by volume of at least the composite, ballistic armor construction material according to claim 4. 前記炭化ホウ素を粒子として提供する、請求項8に記載の方法。  The method of claim 8, wherein the boron carbide is provided as particles. 前記溶融溶浸材がさらに、前記ケイ素に溶解したホウ素を含む少なくとも1種の物質を含む、請求項8に記載の方法。  9. The method of claim 8, wherein the molten infiltrant further comprises at least one material comprising boron dissolved in the silicon.
JP2006541654A 2003-11-25 2004-11-23 Boron carbide composite and method for producing the same Expired - Fee Related JP4945245B2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US52491603P 2003-11-25 2003-11-25
US60/524,916 2003-11-25
PCT/US2004/039319 WO2005079207A2 (en) 2003-11-25 2004-11-23 Boron carbide composite bodies, and methods for making same

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2007513854A JP2007513854A (en) 2007-05-31
JP2007513854A5 JP2007513854A5 (en) 2011-04-21
JP4945245B2 true JP4945245B2 (en) 2012-06-06

Family

ID=34885927

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006541654A Expired - Fee Related JP4945245B2 (en) 2003-11-25 2004-11-23 Boron carbide composite and method for producing the same

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP4945245B2 (en)
WO (1) WO2005079207A2 (en)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140109756A1 (en) * 2000-07-21 2014-04-24 Michael K. Aghjanian Composite materials and methods for making same
DE102006051201A1 (en) * 2006-10-30 2008-05-08 Robert Bosch Gmbh Material for tribological applications
JP5116353B2 (en) * 2007-04-26 2013-01-09 京セラ株式会社 Protective member and protective equipment using the same
WO2009123283A1 (en) * 2008-04-04 2009-10-08 Toto株式会社 Boron carbide/silicon carbide/silicon composite material
WO2009123282A1 (en) * 2008-04-04 2009-10-08 Toto株式会社 Composite material and method for producing the same
AU2009247613B2 (en) * 2008-05-16 2013-11-14 Element Six (Production) (Pty) Ltd Boron carbide composite materials
MX2011011638A (en) 2009-05-04 2011-11-18 Ppg Ind Ohio Inc Composite materials and applications thereof.
JP5378931B2 (en) * 2009-09-28 2013-12-25 株式会社日本セラテック Method for producing metal matrix composite material
JP5462618B2 (en) * 2009-12-25 2014-04-02 株式会社日本セラテック Manufacturing method of composite material
JP5462650B2 (en) * 2010-02-09 2014-04-02 株式会社日本セラテック Manufacturing method of composite material
JP5469033B2 (en) * 2010-09-29 2014-04-09 株式会社日本セラテック Manufacturing method of composite material
JP5785003B2 (en) * 2011-06-29 2015-09-24 日本ファインセラミックス株式会社 Manufacturing method of composite material
JP5841392B2 (en) * 2011-09-30 2016-01-13 日本ファインセラミックス株式会社 Manufacturing method of composite material
JP5809971B2 (en) * 2011-12-28 2015-11-11 日本ファインセラミックス株式会社 Manufacturing method of composite material
JP5859850B2 (en) * 2011-12-28 2016-02-16 日本ファインセラミックス株式会社 Composite material and manufacturing method thereof
JP5914026B2 (en) * 2012-02-16 2016-05-11 日本ファインセラミックス株式会社 Composite material and manufacturing method thereof
US9458632B2 (en) 2012-10-18 2016-10-04 Ppg Industries Ohio, Inc. Composite materials and applications thereof and methods of making composite materials
IL230775B (en) 2014-02-02 2018-12-31 Imi Systems Ltd Pre-stressed curved ceramic plates/tiles and method of producing same
JP7012911B1 (en) * 2021-01-26 2022-01-28 三菱電機株式会社 Manufacturing method of composite ceramic material
AU2021440327A1 (en) 2021-04-16 2023-10-12 Schunk Ingenieurkeramik Gmbh Composite moulded body made of a reaction-bonded mixed ceramic infiltrated with silicon
CN113105243A (en) * 2021-04-28 2021-07-13 西安石油大学 B with silicon carbide and silicon coating on surface4C/graphite composite material and preparation method thereof
CN113233899A (en) * 2021-06-09 2021-08-10 西安石油大学 B4B4C-SiC-Si composite material generated by siliconizing reaction of C/graphite preform and preparation method thereof
CN113929465B (en) * 2021-12-16 2022-03-01 山东金鸿新材料股份有限公司 Preparation method of composite bulletproof ceramic material
CN116023168B (en) * 2022-12-12 2024-03-29 航天特种材料及工艺技术研究所 Method for carrying out carbon reduction treatment on porous silicon-boron-nitrogen ceramic material and material prepared by method
CN116409996B (en) * 2022-12-28 2024-03-15 北京普凡防护科技有限公司 Preparation method of green bulletproof ceramic

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3796564A (en) * 1969-06-19 1974-03-12 Carborundum Co Dense carbide composite bodies and method of making same
US3725015A (en) * 1970-06-08 1973-04-03 Norton Co Process for forming high density refractory shapes and the products resulting therefrom
US4312954A (en) * 1975-06-05 1982-01-26 Kennecott Corporation Sintered silicon carbide ceramic body
JPS63156068A (en) * 1986-12-18 1988-06-29 富士通株式会社 Manufacture of boron carbide-silicon carbide composite sintered body
EP0372708A1 (en) * 1988-11-10 1990-06-13 United Kingdom Atomic Energy Authority A method of producing a silicon carbide-based body
JPH03257067A (en) * 1990-03-07 1991-11-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd High strength and high elasticity ceramics
US6503572B1 (en) * 1999-07-23 2003-01-07 M Cubed Technologies, Inc. Silicon carbide composites and methods for making same
US6609452B1 (en) * 2000-01-11 2003-08-26 M Cubed Technologies, Inc. Silicon carbide armor bodies, and methods for making same
US6862970B2 (en) * 2000-11-21 2005-03-08 M Cubed Technologies, Inc. Boron carbide composite bodies, and methods for making same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005079207A9 (en) 2005-09-29
JP2007513854A (en) 2007-05-31
WO2005079207A2 (en) 2005-09-01
WO2005079207A3 (en) 2005-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4945245B2 (en) Boron carbide composite and method for producing the same
US6862970B2 (en) Boron carbide composite bodies, and methods for making same
US7332221B2 (en) Boron carbide composite bodies, and methods for making same
US7104177B1 (en) Ceramic-rich composite armor, and methods for making same
US6609452B1 (en) Silicon carbide armor bodies, and methods for making same
US6995103B2 (en) Toughness enhanced silicon-containing composite bodies, and methods for making same
US8128861B1 (en) Composite materials and methods for making same
US20140109756A1 (en) Composite materials and methods for making same
US7658781B1 (en) Silicon-containing composite bodies, and methods for making same
US20060141237A1 (en) Metal-ceramic materials
AU777124B2 (en) Silicon carbide composites and methods for making same
US8474362B1 (en) Diamond-reinforced composite materials and articles, and methods for making same
JP2007513854A5 (en)
Yue et al. Microstructure and properties of bilayered B4C-based ceramics
RU2621241C1 (en) Nanostructured composite material based on boron carbide and the method of its obtaining
Chabera et al. Fabrication and characterization of composite materials based on porous ceramic preform infiltrated by elastomer
AU2001297658B2 (en) Reaction-bonded silicon carbide composite bodies and methods for making same
Medvedovsk Ceramic armor and armor systems
AU2002367779B2 (en) Toughness enhanced silicon-containing composite bodies, and methods for making same
US20230034822A1 (en) Armor plating made of fine-grain boron carbide and silicon carbide
AU2001297658A1 (en) Reaction-bonded silicon carbide composite bodies and methods for making same
EP1438261A2 (en) Toughness enhanced silicon-containing composite bodies, and methods for making same
CA2385993A1 (en) Method for wet forming of powder, method for producing powder sintered compact, powdery sintered compact, and apparatus using powdery sintered compact
KR20230156920A (en) Ceramic barrier with controlled pore size distribution
KR20230135394A (en) Environment-resistance composites that can heal crack and damage, and the method for manufacturing the environmental-resistance composites

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20071031

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100907

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20101206

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20101213

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20110107

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20110117

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20110207

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20110215

A524 Written submission of copy of amendment under section 19 (pct)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A524

Effective date: 20110307

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110614

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110908

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120207

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120305

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150309

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees