JP5116353B2 - Protective member and protective equipment using the same - Google Patents
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Description
本発明は、軽量で高い機械的特性を有する防護部材およびこれを用いた防護具に関する。特に、銃弾や砲弾等の飛翔体や鋭利な刃物の貫通を防止して人体,車両,船舶,航空機
等を保護するための防護部材、およびこの防護部材を用いた防弾チョッキ,防刃チョッキ,防刃盾,防弾機能付きカバン,防弾ヘルメット等の防護具に関する。
The present invention relates to a protective member that is lightweight and has high mechanical properties, and a protective device using the protective member. In particular, the human body to prevent penetration of the projectile or sharp blade, such as bullets and artillery shells, vehicles, ships, protective member for protecting an aircraft or the like, body armor employing the protective member and child, stab vest, anti blade shields, bullet-proof function with a bag, protection such as bulletproof helmet again and again about.
最近の国際情勢の緊迫化等により、防護部材の需要は増加の一途を辿っている。このような防護部材には、軽量化が要求されるとともに、銃弾や砲弾等から大きな圧縮応力が加わるため、高い圧縮強度が要求される。軽量で、かつ高い機械的特性を有する材料としては、炭化硼素質焼結体,炭化珪素質焼結体等を挙げることができ、これらは実際に銃弾や砲弾等に対する防護部材の材料として用いられている。 Due to the recent tightening of the international situation, the demand for protective members has been increasing. Such a protective member is required to be lightweight, and a high compressive strength is required because a large compressive stress is applied from a bullet or a shell. Examples of lightweight materials having high mechanical properties include boron carbide sintered bodies and silicon carbide sintered bodies, which are actually used as materials for protective members against bullets and shells. ing.
このように、高い圧縮強度を有する炭化硼素質焼結体や炭化珪素質焼結体を用いた防護部材として、特許文献1では、ヘルメットの前頭部と後頭部に相当する位置において、セラミックスを主たる素材とした耐衝撃補強体を、ヘルメット外部を覆うカバー内に内包させたヘルメット用耐弾付加器が提案されており、セラミックスの主成分が炭化珪素、炭化硼素、窒化珪素およびアルミナの中から選ばれる一種以上で構成されることとしている。
Thus, as a protective member using a boron carbide sintered body or silicon carbide sintered body having high compressive strength, in
また、特許文献2では、平面形状が多角形のセラミックタイルであって、タイルの多角形の頂点部分の厚みがタイルの中央部分の厚みより厚いセラミックスタイルが提案されている。そして、このセラミックタイルが、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニアまたはボロンカーバイドであり、防弾板用、防弾チョッキ用または防刃チョッキ用であることとしている。
しかしながら、特許文献1で提案されたヘルメット用耐弾付加器や、特許文献2で提案されたセラミックタイルを用いた防弾板、防弾チョッキおよび防刃チョッキは、軽くて、耐衝撃性や耐弾性が向上されてはいるものの、いずれもセラミック焼結体単体で衝撃を吸収する構造であるため、銃弾や砲弾等の貫通性能が飛躍的に高くなっている現在、十分に防護できるものはいえなくなりつつある。
However, the bulletproof appendage for helmets proposed in
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、貫通性能の高い銃弾や砲弾に対する防護性能を向上させた軽量な防護部材およびこれを用いた防護具を提供することにある。
The present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide a lightweight protective member having improved penetration performance against bullets and shells with high penetration performance, and a protective device using the same.
上述の課題を解決するために、本発明の防護部材は、受衝面を有する受衝部が、炭化物を主成分とするセラミックスで構成され、前記受衝部の裏面側に位置する基部が、前記受衝部より破壊靱性の高い窒化珪素を主成分とするセラミックスで構成されていることを特徴とする。
To solve the problems described above, the protective member of the present invention, the impact receiving portion having a receiving衝面 is composed of a ceramic mainly composed of carbides, base located on the back side of the impact receiving portion, It is characterized by comprising ceramics whose main component is silicon nitride having higher fracture toughness than the impact receiving part.
また、本発明の防護部材は、受衝面を有する受衝部が、炭化硼素を主成分とし、グラファイトおよび炭化珪素を含むセラミックスで構成され、前記受衝部の裏面側に位置する基部が、前記受衝部より破壊靱性の高い材質のセラミックスで構成されていることを特徴とする。
Further, in the protection member of the present invention , the impact receiving portion having the impact receiving surface is composed of a ceramic containing boron carbide as a main component and containing graphite and silicon carbide, and a base portion located on the back side of the impact receiving portion, It is characterized by being made of a ceramic material having a higher fracture toughness than the impact receiving portion .
また、本発明の防護部材は、前記受衝部と前記基部とが結合層を介して接合されていることを特徴とする。
Further, the protective member of the present invention is characterized in that said said impact receiving portion base are bonded through a bonding layer.
また、本発明の防護部材は、前記結合層が樹脂からなることを特徴とする。
Further, the protective member of the present invention is characterized in that the bonding layer is made of a resin.
また、本発明の防護部材は、前記受衝面が凸状曲面を有することを特徴とする。
Further, the protective member of the present invention is characterized in that the impact receiving surface has a convex curved surface.
さらに、本発明の防護具は、上記防護部材を複数備えることを特徴とする。
Furthermore, the protective equipment of this invention is provided with two or more said protective members , It is characterized by the above-mentioned .
本発明の防護部材によれば、受衝面を有する受衝部が、炭化物を主成分とするセラミックスで構成され、前記受衝部の裏面側に位置する基部が、前記受衝部より破壊靱性の高い窒化珪素を主成分とするセラミックスで構成されていることから、受衝部を構成する材質の硬度,剛性,圧縮強度等の高い機械的特性により、着弾した銃弾や砲弾の先端を変形させたり、小片化させたりすることができるとともに、基部を構成する材質により、変形、小片化した銃弾や砲弾の運動エネルギーを吸収または散逸させることができる。また、基部が、窒化珪素を主成分とするセラミックスで構成されていることから、比重を小さくして、破壊靱性を高くすることができるため、軽量であるともに、クラックをさらに進行しにくくすることができる。
According to the protective member of the present invention, the impact receiving portion having impact receiving surface is formed of a ceramic mainly composed of carbides, base located on the back side of the impact receiving portion is broken Ri by the impact receiving portion the壊靱highly silicon nitride since it is composed of ceramics mainly, the material constituting the impact receiving portion hardness, stiffness, and more high mechanical characteristics of such compressive strength, landed bullets or shells or deform the distal end, it is possible or to small fragments, by the material forming the base portion, deformation can be absorbed or dissipating kinetic energy of the pieces of the bullet or projectile. In addition, since the base is made of ceramics whose main component is silicon nitride, the specific gravity can be reduced and the fracture toughness can be increased. Can do.
また、受衝部で発生したクラックの進行は、基部との境界で止められるため、前記両材質の特性が十分に発揮され、相乗効果により防護性能を高くすることができる。
Also, the progress of a crack generated in the impact receiving portion, since it is stopped at the boundary between the base portion, the characteristics of both the material is sufficiently exhibited, it is possible to increase the protection performance by the synergistic effect.
また、本発明の防護部材によれば、受衝面を有する受衝部が、炭化硼素を主成分とし、グラファイトおよび炭化珪素を含むセラミックスで構成され、前記受衝部の裏面側に位置する基部が、前記受衝部より破壊靱性の高い材質のセラミックスで構成されていることから、上述した効果に加えて、受衝部の比重をより小さくすることができるので、特に人体を保護するための防弾チョッキ、防弾ヘルメット等に用いると軽量化され、好適である。
Further, according to the protection member of the present invention, the impact receiving portion having the impact receiving surface is composed of ceramics containing boron carbide as a main component , graphite and silicon carbide, and is located on the back side of the impact receiving portion. However, since it is made of ceramics having a higher fracture toughness than the impact receiving portion , in addition to the above-described effects, the specific gravity of the impact receiving portion can be further reduced, so that the human body is particularly protected. When used in bulletproof vests, bulletproof helmets, etc., it is light and suitable.
また、本発明の防護部材によれば、受衝部と基部とが結合層を介して接合されているときには、この結合層により、接合に伴って発生する応力が緩和されるため、受衝部と基部とが本質的に備えている機能をほとんど損なうことがない。
Further, according to the protective member of the present invention, since the impact receiving portion and the base portion when it is bonded via the bonding layer, which by this bonding layer, stress generated by bonding is relaxed, the impact receiving The functions inherently provided in the base and the base are hardly impaired.
また、本発明の防護部材によれば、結合層が樹脂からなるときには、接合に伴って発生する応力を樹脂が吸収して緩和するため、受衝部と基部とが本質的に備えている機能を十分発現することができる。
Further, according to the protective member of the present invention, when the bonding layer is made of resin, since the resin absorbs and relaxes the stress generated in connection with the bonding layer, the function that the impact receiving portion and the base portion essentially include. Can be fully expressed.
さらに、本発明の防護部材によれば、受衝面が凸状曲面を有しているときには、銃弾や砲弾の飛翔方向と受衝面側の表面の法線とが一致する確率を大幅に減少させることができる。その結果、銃弾や砲弾は受衝面側の表面を滑るようにしながら着弾するので、破壊エネルギーは吸収または散逸され、防護性能をより高くすることができる。
Furthermore, according to the protective member of the present invention, when the impact receiving surface has a convex curved surface, a probability that a normal bullet or projectile flight direction and an impact receiving surface side of the surface of the match greatly reduced Can be made. As a result, bullets and shells land while sliding on the surface of the impact receiving surface, so that the destruction energy is absorbed or dissipated, and the protection performance can be further improved.
そして、本発明の防護具は、上述したように防護性能の高い防護部材を複数備えていることから、銃弾や砲弾等の貫通を高い確率で防止することができる。
The armor of the present invention, since it is provided with a plurality of high protective member having protective performance, as described above, it is possible to prevent the penetration of such a bullet or projectile with a high probability.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、模式的に示した図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings schematically shown.
図1は、本発明の防護部材の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図2〜図3は、本発明の防護部材の他の実施形態を示す斜視図である。なお、図面において共通の部位を表す場合は同一符号を用いる。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing one embodiment of the protection member of the present invention, and FIGS. 2 to 3 are perspective views showing other embodiments of the protection member of the present invention. In addition, the same code | symbol is used when showing a common site | part in drawing.
図1に示すように、本発明の防護部材1は、銃弾や砲弾等の飛翔物や刃物等による衝撃やその他外部からの衝撃を受けとめるための受衝面を有する受衝部が、炭化物を主成分とするセラミックス(図中のセラミック焼結体2)で構成され、受衝部の裏面側に位置する基部が、受衝部より破壊靱性の高い窒化珪素を主成分とするセラミックス(図中のセラミック焼結体3)で構成されている。
As shown in FIG. 1, in the
このような構成にすることにより、受衝部は、硬度,剛性,圧縮強度等の機械的特性が高いため、例えば着弾した銃弾や砲弾の先端を変形させたり、小片化させたりすることができる。
With such a structure, the impact receiving portion, the hardness, rigidity, because have mechanical properties such as compressive strength high, for example, can be deformed tip of the landed bullets or shells, can or to small pieces it can.
また、基部を構成する窒化珪素は破壊靭性が高いため、変形、小片化した銃弾や砲弾の運動エネルギーを吸収または散逸させることができる。
Further, silicon nitride constituting the group portion has high fracture toughness, may be deformed, thereby absorbing or dissipating the kinetic energy of the pieces of the bullet or projectile.
また、受衝部で発生したクラックの進行は、基部との境界で止められるため、前記両材質の特性が十分に発揮され、防護性能を高くすることができる。これら両材質としては、例えば、炭化物として、例えば炭化硼素を主成分とするセラミック焼結体2およびこのセラミック焼結体2より高い破壊靱性を有する例えば窒化珪素を主成分とするセラミック焼結体3とすればよい。
Also, the progress of a crack generated in the impact receiving portion, since it is stopped at the boundary between the base portion, the characteristics of both the material is sufficiently exhibited, it is possible to increase the protection performance. As these two materials, for example, as a carbide , for example, a ceramic sintered
これらセラミック焼結体2,3は必ずしも接合されている必要はなく、例えばセラミック焼結体2,3を重ねて袋に挿入したり、クリップ,バンド,テープ,ネジ等の固定部材を用いて固定したりすればよい。また、セラミック焼結体2,3がそれぞれ対向する面2a,3aを接着剤や両面テープで接着していてもよい。この一例を図2に示す。
These ceramic
図2に示すように、セラミック焼結体2,3は、それぞれ対向する面2a,3aが結合層4を介して接合されており、この結合層4は接合によって発生する応力を緩和するため、双方のセラミック焼結体2,3が本質的に備えている機能をほとんど損なうことなく、その機能を発揮することができる。また、結合層4は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、酢酸ビニル樹脂、塩化ビニル樹脂およびユリア樹脂の少なくともいずれか1種から形成され、その厚みは5μm〜2mmである。あるいは、セラミック焼結体2,3を焼結により接合しても何等差し支えない。
As shown in FIG. 2, the
なお、結合層4は、セラミック焼結体2,3の接合に伴って発生する応力を緩和できるという理由により、ヤング率が低いものが好適であり、特に樹脂で構成するのが受衝部と基部とが本質的に備えている機能を十分発現することができるという点で最適である。
Note that the bonding layer 4 preferably has a low Young's modulus because it can relieve the stress generated when the ceramic
受衝部のセラミック焼結体2は炭化硼素を主成分とする焼結体(以下、炭化硼素質焼結体という。)、炭化珪素を主成分とする焼結体(以下、炭化珪素質焼結体という。)または、これらの複合焼結体などが挙げられるが、比重が小さく、硬度が高いという点で炭化硼素質焼結体とするのが最適である。
The ceramic sintered
なお本発明では、着目する材質を構成する成分のうち、70質量%以上を占める成分を主成分というが、前記複合焼結体においてはこの限りではなく、40質量%以上とする。さらには硬度、剛性、圧縮強度等の機械的特性を高くするために、焼結体の相対密度は95%以上であることが望ましい。 In the present invention, among the components constituting the material of interest, the component occupying 70% by mass or more is referred to as a main component. However, in the composite sintered body, this is not limited to 40% by mass or more. Furthermore, in order to increase mechanical properties such as hardness, rigidity, and compressive strength, the relative density of the sintered body is desirably 95% or more.
受衝部のセラミック焼結体2は炭化硼素質焼結体であることが望ましい。炭化硼素は比重が小さいため、セラミック焼結体2を厚くして防護性能を向上させることが可能であり、かつ硬度,剛性,圧縮強度が高いので、着弾した銃弾や砲弾の先端を変形させたり、小片化させたりする能力が高い。硬度,剛性を高くするために、炭化硼素の純度は高い程望ましく、炭化硼素は炭化硼素質焼結体100質量%に対して90質量%以上、さらには98質量%以上が望ましい。
The ceramic sintered
また、硬度,剛性,圧縮強度を高くするために、焼結体の緻密化が重要であり、いずれの焼結体においても相対密度は95質量%以上、さらには99質量%以上とすることが望ましい。 Further, in order to increase the hardness, rigidity, and compressive strength, it is important to make the sintered body dense. In any sintered body, the relative density should be 95% by mass or more, and further 99% by mass or more. desirable.
以上の前記炭化硼素質焼結体のビッカース硬度、ヤング率、破壊靱性、圧縮強度は、それぞれ22〜38GPa、330〜500GPa、2〜5MPa・m1/2、1.5〜5GPaであり、これら機械的特性はそれぞれJIS R 1610−2003、JIS R 1602−1995、JIS R1607−1995で規定される圧子圧入(IF)法またはSEPB法、JIS R1608−2003に準拠して求めることができる。 The above boron carbide sintered bodies have Vickers hardness, Young's modulus, fracture toughness and compressive strength of 22 to 38 GPa, 330 to 500 GPa, 2 to 5 MPa · m 1/2 and 1.5 to 5 GPa, respectively. The mechanical properties can be determined in accordance with the indenter press-in (IF) method or the SEPB method and JIS R1608-2003 defined by JIS R 1610-2003, JIS R 1602-1995, and JIS R1607-1995, respectively.
ただし、セラミック焼結体2の厚みが薄く、前記JIS規格で規定する試験片をセラミック焼結体2から切り出せない場合、セラミック焼結体2の厚みを試験片の厚みとしても差し支えない。
However, when the thickness of the ceramic
また、セラミック焼結体2を炭化硼素質焼結体とした場合、グラファイトおよび炭化珪素を含有させることで、防護部材の要求特性である圧縮強度をより高くすることができる。グラファイトおよび炭化珪素は、炭化硼素質焼結体の焼成工程における焼結助剤として作用し、グラファイトは炭化硼素粒子の異常な粒成長を抑制して、炭化硼素質焼結体の緻密化を進行させ、炭化珪素は焼成工程における蒸発、凝縮機構により炭化硼素粒子を強固に結合させるので、炭化硼素質焼結体の圧縮強度を高くすることができる。特に、前記炭化珪素はα型炭化珪素(αSiC)であることが好適であり、焼成中α型炭化珪素は板状に成長してα型炭化珪素結晶粒子となり、炭化硼素質焼結体に微小なクラックが入ったとしても、α型炭化珪素結晶粒子の存在により、クラックは進展しにくくなる。
Further, when the ceramic
一般的に、圧縮応力下では、炭化硼素質焼結体中に不規則に存在するクラックの先端より、このクラックの進展方向から逸れて圧縮方向と略平行方向に多数のクラックが進展し破砕帯を形成した後で破壊が起こる。圧縮強度が高いほど、前記クラックの進展速度は遅くなるため、優れた防護部材といえる。 In general, under compressive stress, a number of cracks develop in a direction substantially parallel to the compression direction by deviating from the crack propagation direction from the tip of the irregularly present cracks in the boron carbide sintered body. Destruction occurs after forming. The higher the compressive strength, the slower the progress of the cracks, so it can be said that it is an excellent protective member.
また、炭化硼素質焼結体は、主成分である炭化硼素が炭化硼素質焼結体100質量%に対して、90質量%以上であることが好適であり、グラファイトおよび炭化珪素は、炭化
硼素質焼結体100質量%に対して合計0.8質量%以上含めばよい。このようにすることで、防護部材の要求特性である圧縮強度をより一層高くすることができる。
The boron carbide sintered body preferably has 90% by mass or more of boron carbide as a main component with respect to 100% by mass of the boron carbide sintered body, and graphite and silicon carbide are boron carbide. What is necessary is just to include 0.8 mass% or more in total with respect to 100 mass% of elementary sintered bodies. By doing in this way, the compressive strength which is a required characteristic of a protection member can be made still higher.
図4は炭素の結晶構造を模式的に示すものであり、(a)は、易黒鉛化性炭素の結晶構造を、(b)は難黒鉛化性炭素の結晶構造をそれぞれ示す模式図である。グラファイトの結晶構造は、グラファイトの結晶粒子内の細孔に影響を与え、グラファイトの結晶構造が、図4(a)に示すようにその炭素層面が整然とした配向を示す構造である場合、グラファイト結晶粒子内の細孔が減少するため、圧縮強度を高くすることができる。グラファイトの結晶構造が、図4(b)に示すように、炭素層面の長いリボン状の積層がもつれ合うようにねじれて無秩序な3次元網目構造である場合、グラファイト結晶粒子内の細孔が増加するため、圧縮強度が低下する。 FIG. 4 schematically shows the crystal structure of carbon, (a) is a schematic diagram showing the crystal structure of graphitizable carbon, and (b) is a schematic diagram showing the crystal structure of non-graphitizable carbon. . The crystal structure of graphite affects the pores in the crystal grains of graphite, and when the crystal structure of graphite is a structure in which the carbon layer surface has an orderly orientation as shown in FIG. Since the pores in the particles are reduced, the compressive strength can be increased. As shown in FIG. 4B, when the graphite crystal structure is a disordered three-dimensional network structure twisted so that ribbon-like stacks with long carbon layers are entangled, pores in the graphite crystal particles increase. Therefore, the compressive strength is reduced.
本発明の防護部材をなす炭化硼素質焼結体では、グラファイトはX線回折法を用いた測定による、(002)面からの半値幅を0.3°以下(0°を除く)とすることが好適である。また、グラファイトの結晶構造は、図4(a)に示す構造となり、さらに圧縮強度を始めとする機械的特性、例えば曲げ強度,ヤング率,硬度等を高くすることができる。 In the boron carbide sintered body forming the protective member of the present invention, the graphite has a half-value width from the (002) plane of 0.3 ° or less (excluding 0 °) as measured by the X-ray diffraction method. Is preferred. Further, the crystal structure of graphite is the structure shown in FIG. 4A, and further, mechanical properties such as compressive strength, such as bending strength, Young's modulus, hardness, etc., can be increased.
図5は、本発明の防護部材をなす炭化硼素質焼結体のX線回折チャートの例である。図5に示すように、(002)面からのピークは、ピーク(p)として表される。ここで、(002)面からの半値幅とは、このピーク(p)の半値における回折角(2θ)の幅をいう。この幅を0.3°以下(0°を除く)とすることで、グラファイトの結晶構造は図4(a)に示す構造となり、グラファイト結晶粒子内の細孔が減少する結果、圧縮強度を高くすることができる。特に、グラファイトの結晶構造は、2Hグラファイトと呼ばれる六方晶系であって、JCPDSカード#41−1487で示される結晶構造であることが好適である。 FIG. 5 is an example of an X-ray diffraction chart of a boron carbide based sintered body forming the protective member of the present invention. As shown in FIG. 5, the peak from the (002) plane is represented as a peak (p). Here, the half width from the (002) plane refers to the width of the diffraction angle (2θ) at the half value of the peak (p). By setting this width to 0.3 ° or less (excluding 0 °), the crystal structure of graphite becomes the structure shown in FIG. 4 (a). As a result of the reduction of pores in the graphite crystal particles, the compression strength is increased. can do. In particular, the crystal structure of graphite is a hexagonal system called 2H graphite, and is preferably a crystal structure shown by JCPDS card # 41-1487.
また、グラファイトは炭化硼素質焼結体100質量%に対して、1質量%以上10質量%以下、炭化珪素は炭化硼素質焼結体100質量%に対して0.5質量%以上5質量%以下で含むことが好ましい。これにより、焼成中の硼素(B)や炭素(C)の原子が移動しやすくなり、十分に緻密化する結果、防護部材の要求特性のひとつである圧縮強度を高くすることができる。 Further, graphite is 1% by mass to 10% by mass with respect to 100% by mass of boron carbide sintered body, and silicon carbide is 0.5% by mass to 5% by mass with respect to 100% by mass of boron carbide sintered body. It is preferable to include below. As a result, boron (B) and carbon (C) atoms are easily moved during firing, and as a result of sufficient densification, the compressive strength, which is one of the required characteristics of the protective member, can be increased.
炭化硼素質焼結体中のグラファイト、炭化珪素の同定については、例えばCuKα線を用いたX線回折法で同定することができる。また、グラファイトの定量分析はリートベルト法を用いたX線回折を用いて行なうことができる。 The graphite and silicon carbide in the boron carbide sintered body can be identified by, for example, an X-ray diffraction method using CuKα rays. In addition, quantitative analysis of graphite can be performed using X-ray diffraction using the Rietveld method.
具体的には、まず、予め検量線を作成する。すなわち、グラファイト粉末と炭化硼素粉末との混合粉末を準備する。組成比を変えた混合粉末に対して、グラファイトの(002)面に帰属するX線回折ピークの面積I(C)と炭化硼素(B4C)の(021)面に帰属するX線回折ピークの面積I(B4C)の比I(C)/I(B4C)を求め、グラフにプロットした後、最小二乗法を用いて直線からなる検量線を作成する。図6は、グラファイト粉末と炭化硼素粉末との混合粉末より得られる検量線図の一例である。 Specifically, first, a calibration curve is created in advance. That is, a mixed powder of graphite powder and boron carbide powder is prepared. For mixed powders with different composition ratios, the area I (C) of the X-ray diffraction peak attributed to the (002) plane of graphite and the X-ray diffraction peak attributed to the (021) plane of boron carbide (B 4 C) After obtaining the ratio I (C) / I (B 4 C) of the area I (B 4 C) and plotting it on a graph, a calibration curve consisting of a straight line is created using the least square method. FIG. 6 is an example of a calibration curve obtained from a mixed powder of graphite powder and boron carbide powder.
次に、この検量線を用いて、炭化硼素質焼結体中のグラファイト含有量を決定する。すなわち、炭化硼素焼結体の比I(C)/I(B4C)を求め、検量線からグラファイト含有量を測定することができる。 Next, the graphite content in the boron carbide sintered body is determined using this calibration curve. That is, the ratio I (C) / I (B 4 C) of the boron carbide sintered body can be obtained, and the graphite content can be measured from the calibration curve.
さらに、炭化珪素の定量分析は、ICP(Inductively Coupled Plasma)発光分析法を用いて測定することができる。具体的には、ICPによってSiの含有量を測定し、Siの全てがSiCとなっていると考え、SiCに換算し、その換算量をSiC含有量とすることができる。 Furthermore, the quantitative analysis of silicon carbide can be measured using an ICP (Inductively Coupled Plasma) emission analysis method. Specifically, the Si content is measured by ICP, and all of Si is considered to be SiC, and converted to SiC, which can be used as the SiC content.
このような防護部材は軽量化が求められることから、セラミック焼結体2,3とも形状が平板状であることが好適で、例えば、各セラミック焼結体2,3は長さが10〜400mm、幅が10〜400mm、厚みがそれぞれ1〜20mmの平板である。
Since such a protective member is required to be lightweight, it is preferable that the ceramic
また、セラミック焼結体3を窒化珪素焼結体とした場合、破壊靭性や強度を高くすることができるという観点から、組成式Si6−ZAlZOZN8−Z(z=0.1〜1)で表されるβ−サイアロンを主相とし、Al,Si,RE(REは周期表第3族元素)の構成比率がそれぞれAl2O3,SiO2,RE2O3換算でAl2O3が5〜50質量%、SiO2が5〜20質量%、残部が主としてRE2O3であるRE−Al−Si−O−Nからなる粒界相を、主相と粒界相とからなる焼結体に対して4〜20体積%の範囲で含み、かつFeの珪化物粒子をFe換算で焼結体に対して0.02〜3質量%含む窒化珪素質焼結体で形成することが好適である。
Further, when the ceramic
ここで、固溶量zは、次のようにして算出することができる。すなわち、窒化珪素質焼結体を粒度200メッシュ以下に粉砕し、得られた粉末に対して粉末X線回折法における回折角の角度補正用サンプルとして高純度α−窒化珪素粉末(宇部興産製E−10グレード、Al含有量は20ppm以下)を60質量%添加して乳鉢にて均一混合し、粉末X線回折法により解析範囲2θを33〜37°とし、走査ステップ幅を0.002°として、Cu−Kα線(λ=1.54056Å)にてプロファイル強度を測定する。角度の補正は、角度補正用サンプルより得られるピークの最大値を用いて補正する。 Here, the solid solution amount z can be calculated as follows. That is, a silicon nitride-based sintered body is pulverized to a particle size of 200 mesh or less, and a high-purity α-silicon nitride powder (E product made by Ube Industries, Ltd.) is used as a sample for correcting the diffraction angle in the powder X-ray diffraction method. −10 grade, Al content of 20 ppm or less) is added and mixed uniformly in a mortar, and the analysis range 2θ is 33 to 37 ° and the scanning step width is 0.002 ° by powder X-ray diffraction method. The profile intensity is measured with Cu-Kα ray (λ = 1.5405640). The angle is corrected using the maximum peak value obtained from the angle correction sample.
すなわち、2θ=34.565°付近に現れるα(102)の0.002°毎に得られるピーク強度の上位10点の平均2θと34.565°との差(Δ2θ1)、および2θ=35.333°付近に現れるα(210)の0.002°毎に得られるピーク強度の上位10点の平均2θと35.333°との差(Δ2θ2)をそれぞれ求め、その差の平均(Δ2θ1+Δ2θ2)/2を補正Δ2θとする。次に、2θ=36.055°付近に現れるβ(210)の0.002°毎に得られるピーク強度の上位10点の平均2θを補正Δ2θによって補正した角度をβ(210)のピーク位置(2θβ)とする。そして、ピーク位置(2θβ),λ=1.54056Å,(hkl)=(210)を以下の数式に代入して格子定数a(Å)を算出する。 That is, the difference (Δ2θ 1 ) between the average 2θ of the upper 10 points of peak intensity obtained every 0.002 ° of α (102) that appears in the vicinity of 2θ = 34.565 ° (Δ2θ 1 ), and 2θ = 35 The difference (Δ2θ 2 ) between the average 2θ of the top 10 peak intensities obtained every 0.002 ° of α (210) appearing near .333 ° and Δ35.333 ° (Δ2θ 2 ) is obtained, respectively, Let 1 + Δ2θ 2 ) / 2 be the correction Δ2θ. Next, the angle obtained by correcting the average 2θ of the top 10 peak intensities obtained every 0.002 ° of β (210) appearing in the vicinity of 2θ = 36.055 ° by the correction Δ2θ is the peak position of β (210) ( 2θ β ). Then, the lattice constant a (Å) is calculated by substituting the peak position (2θ β ), λ = 1.54056Å, (hkl) = (210) into the following equation.
sin2θβ=λ2(h2+hk+k2)/(3a2)+λ2l2/(4c2)
この数式で、算出した格子定数a(Å)と、K. H. Jack,J. Mater. Sci.,11(1976)1135−1158,Fig. 13に記載された格子定数a(Å)−固溶量zのグラフとから、固溶量zを求めることができる。
sin 2 θ β = λ 2 (h 2 + hk + k 2 ) / (3a 2 ) + λ 2 l 2 / (4c 2 )
In this equation, the calculated lattice constant a (Å) and the lattice constant a (Å) −solid solution amount z described in KH Jack, J. Mater. Sci., 11 (1976) 1135-1158, FIG. From this graph, the solid solution amount z can be determined.
そして、粒界相はRE−Al−Si−O−Nからなり、Al,Si,REの構成比率がAl2O3,SiO2,RE2O3換算でAl2O3が5〜50質量%,SiO2が5〜20質量%,残部が主としてRE2O3であり、主相と粒界相とからなる焼結体に対して4〜20体積%の範囲で含むことが好適である。なお、本発明では、Al2O3,SiO2,RE2O3およびNの総和を100質量%として粒界相の構成比率を表現する。
The grain boundary phase consists RE-Al-SiO-N, Al, Si, the component ratio of RE is Al 2 O 3, SiO 2, RE 2
ここで一般的に、RE−Al−Si−Oを含む酸化物は、窒化珪素やサイアロンの緻密化を促進するものである。Al2O3,SiO2,RE2O3等の粉末原料は温度上昇に伴って反応し、1400℃以上で窒化珪素やサイアロンと濡れの良い液相を生成した後、窒化珪素やサイアロンを溶解することで、RE−Al−Si−O−Nからなる粒界相を形成する。 Here, in general, an oxide containing RE-Al-Si-O promotes densification of silicon nitride and sialon. Powder materials such as Al 2 O 3 , SiO 2 , and RE 2 O 3 react as the temperature rises to generate a liquid phase that is well wetted with silicon nitride and sialon at 1400 ° C. or higher, and then dissolve silicon nitride and sialon. By doing so, a grain boundary phase composed of RE-Al-Si-O-N is formed.
また、粒界相の焼結体に対する体積比率は、窒化珪素質焼結体の強度に影響を与え、その比率は、4〜20体積%であることが好適である。 The volume ratio of the grain boundary phase to the sintered body affects the strength of the silicon nitride sintered body, and the ratio is preferably 4 to 20% by volume.
このようなAl2O3,SiO2,RE2O3の構成比率および粒界相の体積比率は、次のようにして求めることができる。まず、ICP(Inductivity Coupled Plasma)分光分析法により焼結体中のREおよびAlの各比率(質量%)を測定し、この比率(質量%)をそれぞれRE2O3およびAl2O3にした場合の比率(質量%)に換算する。次に、酸素分析法によりLECO社製酸素分析装置(TC−136型)を用いて焼結体中の全ての酸素の比率を測定し、RE2O3およびAl2O3の酸素の比率を差し引き、残りの酸素の比率をSiO2の比率(質量%)に換算する。焼結体中の残部をSi3N4とみなし、各比率(質量%)をそれぞれの理論密度(Y2O3:5.02g/cm3,Er2O3:8.64g/cm3,Yb2O3:9.18g/cm3,Lu2O3:9.42g/cm3,Al2O3:3.98g/cm3,SiO2:2.655g/cm3,Si3N4:3.18g/cm3)で除して、粒界相の体積比率を算出する。 Such a composition ratio of Al 2 O 3 , SiO 2 , RE 2 O 3 and a volume ratio of the grain boundary phase can be obtained as follows. First, each ratio (mass%) of RE and Al in the sintered body was measured by ICP (Inductivity Coupled Plasma) spectroscopy, and this ratio (mass%) was set to RE 2 O 3 and Al 2 O 3 , respectively. Convert to the ratio (mass%). Next, the ratio of all oxygen in the sintered body is measured by an oxygen analysis method using an oxygen analyzer manufactured by LECO (TC-136 type), and the ratio of oxygen in RE 2 O 3 and Al 2 O 3 is determined. The ratio of the remaining oxygen is subtracted and converted into the ratio (mass%) of SiO 2 . The balance in the sintered body is regarded as Si 3 N 4, and the respective ratios (mass%) are set to respective theoretical densities (Y 2 O 3 : 5.02 g / cm 3 , Er 2 O 3 : 8.64 g / cm 3 , Yb 2 O 3 : 9.18 g / cm 3 , Lu 2 O 3 : 9.42 g / cm 3 , Al 2 O 3 : 3.98 g / cm 3 , SiO 2 : 2.655 g / cm 3 , Si 3 N 4 : 3.18 g / cm 3 ) to calculate the volume ratio of the grain boundary phase.
次に、エネルギー分散型X線分光分析法(EDS)を用いて粒界相に含まれる窒素(N)の比率(質量%)を算出し、Al2O3,SiO2,RE2O3および窒素(N)の各比率(質量%)の総和を100%として粒界相の構成比率を算出する。ただし、本発明で用いられる窒化珪素質焼結体の粒界相に含まれる窒素の構成比率は微量であり、通常は0.1質量%以下であるので、以降ではRE2O3に含んで表記する。 Next, the ratio (mass%) of nitrogen (N) contained in the grain boundary phase is calculated using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and Al 2 O 3 , SiO 2 , RE 2 O 3 and The composition ratio of the grain boundary phase is calculated with the sum of the ratios (mass%) of nitrogen (N) as 100%. However, since the composition ratio of nitrogen contained in the grain boundary phase of the silicon nitride-based sintered body used in the present invention is very small and usually 0.1% by mass or less, it is included in RE 2 O 3 hereinafter. write.
なお、粒界相中のREは周期表第3族元素、例えばEr,Yb,Lu等であっても構わないが、REがYであることが好ましい。これは、Yが周期表第3族元素の中でも軽元素であるため、軽量化することができるからである。また、4点曲げ強度は、JIS R 1604−1995に準拠して測定すればよい。
The RE in the grain boundary phase may be a
また、焼結体中のFeの珪化物粒子は、焼結体の破壊靱性および強度に影響を与えるため、Feの珪化物粒子をFe換算で焼結体に対して0.02〜3質量%を含む窒化珪素質焼結体を構成することが好適である。 Moreover, since the Fe silicide particles in the sintered body affect the fracture toughness and strength of the sintered body, the Fe silicide particles are 0.02 to 3 mass% with respect to the sintered body in terms of Fe. It is preferable to constitute a silicon nitride sintered body containing.
Feの珪化物は、熱膨張係数が大きく、β−サイアロン粒子や粒界相に対して残留応力を発生させていると思われ、焼結体の破壊靱性を向上させる効果や破壊形態の1種である粒界滑りが発生する際に、β−サイアロン粒子の滑りを妨げる楔のような働きをしており、強度を向上させる効果がある。また、Feの珪化物は、焼成時の液相成分の一つとして作用し、焼結性の向上に効果的である。このようなFeの珪化物は粉末X線回折法やX線マイクロアナライザー(EPMA)による元素分析によってその形態を確認することができ、ICP分光分析法により定量化することができる。 Fe silicide has a large coefficient of thermal expansion and is thought to generate residual stress on β-sialon particles and grain boundary phase. This is one of the effects and forms of fracture that improve the fracture toughness of sintered bodies. When the grain boundary slip occurs, it acts as a wedge that prevents the β-sialon particles from slipping, and has the effect of improving the strength. The Fe silicide acts as one of the liquid phase components during firing, and is effective in improving the sinterability. The form of such Fe silicide can be confirmed by elemental analysis using a powder X-ray diffraction method or X-ray microanalyzer (EPMA), and can be quantified by ICP spectroscopy.
なお、Feの珪化物は、β−サイアロンの粒子間またはRE−Al−Si−O−Nからなる粒界相中に粒径が50μm以下、望ましくは粒径が2〜30μmの粒子として点在して、FeSi2,FeSi,Fe3Si,Fe5Si3の形態で存在することが好ましく、特にFeSi2(JCPDS#35−0822)であることが好ましい。 The Fe silicide is interspersed as particles having a particle size of 50 μm or less, preferably 2 to 30 μm in the grain boundary phase composed of β-sialon particles or RE-Al—Si—O—N. and, FeSi 2, FeSi, Fe 3 Si, is preferably present in the form of Fe 5 Si 3, it is preferable that particularly FeSi 2 (JCPDS # 35-0822).
また、本発明の防護部材は、図3に示すように、受衝面側の表面を凸状曲面とすることが好適である。このような凸状曲面は銃弾や砲弾の飛翔方向とセラミック焼結体2の表面の法線とが一致する確率を大幅に減少させることができる。その結果、銃弾や砲弾はセラミック防護部材1の表面を滑るようにしながら着弾するので、破壊エネルギーは吸収または散逸され、防護性能をより高くすることができる。
Further, as shown in FIG. 3, the protective member of the present invention preferably has a convex curved surface on the surface of the impact receiving surface. Such a convex curved surface can greatly reduce the probability that the flight direction of bullets and shells coincides with the normal of the surface of the ceramic
また、本発明の防護部材は、基部のセラミック焼結体3がその裏面でポリエチレン繊維、アラミド繊維およびカーボン繊維を含む繊維強化プラスチック(FRP)の少なくともいずれか1種と接していることが好適である。ポリエチレン繊維、アラミド繊維およびカーボン繊維は結節強さが高いため、銃弾や砲弾の破壊エネルギーを吸収または散逸させることができるともに、着弾時に飛散するセラミックスの破片による2次災害を防止することができるからである。
Further, the protective member of the present invention, preferably it is a ceramic
本発明の防護部材は、上述したように防護性能が高いことから、防護部材の複数を適当な基体上に固定する等により、防護板,防弾チョッキ,防刃チョッキ,防刃盾,防弾機能付きカバン,防弾ヘルメット等の防護具に用いても好適である。
Since the protective member of the present invention has a high protective performance as described above, a protective plate, a bulletproof vest, a blade-proof vest, a blade-proof shield, a bag with a bulletproof function can be obtained by fixing a plurality of protective members on an appropriate substrate. It is also suitable for use in protective equipment such as a bulletproof helmet.
ここで、本発明の防護部材の一例として、防護部材の受衝部が炭化硼素質焼結体であり、基部が窒化珪素質焼結体である場合の製造方法について説明する。
Here, as an example of a protective member of the present invention, the impact receiving portion of the protective member is a boron carbide sintered body, group unit is described a method for manufacturing the case of the silicon nitride sintered body.
防護部材の受衝部が炭化硼素質焼結体である場合、第1に、平均粒径(D50)が0.5〜2μmである炭化硼素粉末を準備する。準備する炭化硼素粉末は、硼素(B)と炭素(C)のモル比(B/C比)が化学量論比4の粉末すなわち炭化硼素(B4C)の組成からなる粒子で構成される粉末の他に、モル比(B/C比)が3.5以上4未満、またはモル比(B/C比)が4よりも大きく10以下の範囲の粉末、例えばB13C2等の混入した粉末や、フリーカーボン、硼酸(B(OH)3)、無水硼酸(B2O3)、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)などが混入した粉末であってもよい。
When the receiving part of the protective member is a boron carbide sintered body, first, boron carbide powder having an average particle diameter (D 50 ) of 0.5 to 2 μm is prepared. The boron carbide powder to be prepared is composed of powder having a molar ratio of boron (B) to carbon (C) (B / C ratio) having a stoichiometric ratio of 4, ie, boron carbide (B 4 C). In addition to the powder, mixing of a powder having a molar ratio (B / C ratio) of 3.5 or more and less than 4 or a molar ratio (B / C ratio) of greater than 4 and 10 or less, such as B 13 C 2 Or powder mixed with free carbon, boric acid (B (OH) 3 ), boric anhydride (B 2 O 3 ), iron (Fe), aluminum (Al), silicon (Si), or the like.
これらの粉末を用いた場合、焼結助剤としてグラファイト粉末および炭化珪素粉末をこれら粉末に添加することで、焼成中、機械的圧力を印加しなくても、焼結させることができる。炭化硼素粉末は、平均粒径0.5〜2μmの微細な粉末であることが望ましいが、平均粒径が例えば20μm程度と大きな粒径の粉末や、この粉末を予備粉砕した炭化硼素粉末も使用可能である。ここで、予備粉砕は、粉砕メディアを使用しないジェットミル等による粉砕であることが、不純物の混入を少なくするために好ましい。 When these powders are used, by adding graphite powder and silicon carbide powder as sintering aids to these powders, sintering can be performed without applying mechanical pressure during firing. The boron carbide powder is desirably a fine powder having an average particle diameter of 0.5 to 2 μm, but a powder having a large average particle diameter of about 20 μm, for example, or boron carbide powder obtained by pre-grinding this powder is also used. Is possible. Here, the preliminary pulverization is preferably pulverization by a jet mill or the like that does not use a pulverization medium in order to reduce the mixing of impurities.
なお、グラファイトが炭化硼素質焼結体に対して、1質量%以上10質量%以下、炭化珪素が炭化硼素質焼結体に対して0.5質量%以上5質量%以下含むようにするには、グラファイト粉末を上記粉末合計に対し、1質量%以上10質量%以下、炭化珪素粉末を上記粉末合計に対し、0.5質量%以上5質量%以下とすればよい。 Note that graphite is included in an amount of 1% by mass to 10% by mass with respect to the boron carbide sintered body, and silicon carbide is included in an amount of 0.5% by mass to 5% by mass with respect to the boron carbide sintered body. The graphite powder may be 1% by mass to 10% by mass with respect to the total powder, and the silicon carbide powder may be 0.5% by mass to 5% by mass with respect to the total powder.
また、炭化硼素質焼結体に含まれるグラファイトがX線回折法を用いた測定による(002)面からの半値幅を0.3°以下(ただし、0°を除く)とするには、(002)面からの半値幅が0.34°以下(0°を除く)であるグラファイト粉末を用いればよい。グラファイト粉末の半値幅が広いと、グラファイト粉末の結晶性が低く、半値幅が狭いと、グラファイト粉末の結晶性が高いことを意味する。結晶性の高いグラファイト粉末を得るには、炭素からグラファイト化する工程で、炭素原子の移動できる距離を制限すればよく、具体的にはこの工程中、炭素を配向制御すればよい。このようなグラファイト粉末として、例えば高配向熱分解グラファイト(HOPG)粉末を用いればよい。 In addition, in order for the graphite contained in the boron carbide sintered body to have a half-value width of 0.3 ° or less (excluding 0 °) from the (002) plane measured by the X-ray diffraction method, ( A graphite powder having a half width from the (002) plane of 0.34 ° or less (excluding 0 °) may be used. When the half width of the graphite powder is wide, the crystallinity of the graphite powder is low, and when the half width is narrow, the crystallinity of the graphite powder is high. In order to obtain graphite powder with high crystallinity, it is only necessary to limit the distance that carbon atoms can move in the step of graphitizing from carbon. Specifically, the orientation of carbon may be controlled during this step. As such graphite powder, for example, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) powder may be used.
焼結助剤は、グラファイト粉末、炭化珪素粉末以外に焼結を促進させるために硼化ジルコニウム(ZrB2)、硼化チタン(TiB2)、硼化クロム(CrB2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)および酸化イットリウム(Y2O3)の少なくともいずれか1種を添加してもよい。 In addition to graphite powder and silicon carbide powder, the sintering aid is zirconium boride (ZrB 2 ), titanium boride (TiB 2 ), chromium boride (CrB 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) in order to promote sintering. ) And yttrium oxide (Y 2 O 3 ) may be added.
第2に、準備した炭化硼素粉末,焼結助剤を回転ミル,振動ミル,ビーズミル等のミルに投入し、水,アセトン,イソプロピルアルコール(IPA)のうち少なくともいずれか1種とともに湿式混合し、スラリーを作製する。粉砕用メディアは、表面にイミド樹脂を被覆したメディア,窒化硼素質,炭化珪素質,窒化珪素質,ジルコニア質,アルミナ質等の各種焼結体からなるメディアを使用することができるが、不純物として混入の影響の少ない材質である窒化硼素質焼結体からなるメディア、または表面にイミド樹脂を被覆したメディアが好ましい。また、得られるスラリーの粘度を下げる目的で粉砕前に分散剤を添加してもよい。 Second, the prepared boron carbide powder and sintering aid are put into a mill such as a rotary mill, a vibration mill, a bead mill, etc., and wet mixed with at least one of water, acetone, isopropyl alcohol (IPA), Make a slurry. As the grinding media, media composed of various sintered bodies such as media coated with imide resin on the surface, boron nitride, silicon carbide, silicon nitride, zirconia, alumina, etc. can be used as impurities. A medium made of a boron nitride sintered body, which is a material with little influence of mixing, or a medium whose surface is coated with an imide resin is preferable. Moreover, you may add a dispersing agent before a grinding | pulverization in order to reduce the viscosity of the obtained slurry.
第3に、得られたスラリーを乾燥して乾燥粉体を作製する。この乾燥の前に、スラリーを粒度200メッシュよりも小さいメッシュに通して粗大な不純物やゴミを除去し、さらに磁力を用いた除鉄機で除鉄するなどの方法で、鉄およびその化合物を除去することが好ましい。また、スラリーにパラフィンワックスやポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレングリコール(PEG),ポリエチレンオキサイド(PEO),アクリル系樹脂などの有機バインダを、スラリー中の粉末100質量部に対して1〜10質量部添加、混合することが、後述する成形工程において、成形体のクラックや割れ等の発生を抑制できるので好ましい。スラリーの乾燥方法としては、スラリーを容器に入れて加熱、乾燥させてもよいし、スプレードライヤー等を用いた噴霧乾燥法により乾燥させても良く、または他の方法で乾燥させても何ら問題ない。 Third, the obtained slurry is dried to produce a dry powder. Prior to this drying, the slurry is passed through a mesh smaller than 200 mesh to remove coarse impurities and debris, and iron and its compounds are removed by removing iron with a magnetic iron remover. It is preferable to do. Moreover, 1-10 mass parts of organic binders, such as paraffin wax, polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyethylene oxide (PEO), and acrylic resin, are added to the slurry with respect to 100 mass parts of the powder in the slurry. It is preferable to mix them because the occurrence of cracks and cracks in the molded article can be suppressed in the molding step described later. As a method for drying the slurry, the slurry may be heated in a container and dried, or may be dried by a spray drying method using a spray dryer or the like, or may be dried by other methods. .
第4に、乾燥粉体を公知の成形方法、例えば成形型を用いた粉末加圧成形法,静水圧を利用した等方加圧成形法を用いて、相対密度45〜70%の所望の形状とする。銃弾や砲弾等の飛翔体の貫通をさらに十分に防止できる構造を有する防護部材を作製するためには、成形体の形状を、先端側の表面を凸状曲面とすることが好適である。 Fourth, the dry powder is formed into a desired shape having a relative density of 45 to 70% using a known molding method, for example, a powder pressure molding method using a molding die or an isotropic pressure molding method using hydrostatic pressure. And In order to produce a protective member having a structure that can sufficiently prevent the penetration of a flying object such as a bullet or a bullet, it is preferable that the shape of the molded body is a convex curved surface on the tip side.
第5に、成形体が有機バインダを含む場合には、有機バインダを脱脂する。脱脂は、温度500〜900℃で窒素ガスを流しながら行なえばよい。 Fifth, when the molded body contains an organic binder, the organic binder is degreased. Degreasing may be performed while flowing nitrogen gas at a temperature of 500 to 900 ° C.
第6に、成形体または脱脂体(以下、これらを総称して成形体という。)を焼成する。焼成炉として黒鉛性の抵抗発熱体により加熱する焼成炉を用い、この焼成炉中に成形体を載置する。好ましくは、成形体全体を囲うことのできる焼成用容器中(以下、これらを焼成用治具と記す。)に載置する。これは、焼成炉内の雰囲気中等から成形体に付着する可能性のある異物(例えば黒鉛製発熱体や炭素製断熱材から飛散する炭素片や、焼成炉中に組み込まれている他の無機材質製の断熱材の小片等)の付着を防止するためであり、さらには成形体からの揮発成分の飛散を防止するためである。焼成用治具の材質は黒鉛質のものが望ましく、炭化珪素質またはこれらの複合物などの材質としてもよく、さらには成形体全体を焼成用治具で囲うことが好ましい。 Sixth, a molded body or a degreased body (hereinafter collectively referred to as a molded body) is fired. A firing furnace heated by a graphitic resistance heating element is used as the firing furnace, and the compact is placed in the firing furnace. Preferably, it is placed in a firing container that can enclose the entire compact (hereinafter referred to as a firing jig). This is because foreign matter that may adhere to the molded body from the atmosphere in the firing furnace (for example, carbon pieces scattered from a graphite heating element or a carbon insulation material, or other inorganic materials incorporated in the firing furnace) This is for the purpose of preventing adhesion of small pieces of the heat insulating material made of the product, and for preventing volatile components from scattering from the molded body. The material of the firing jig is desirably graphite, and may be a material such as silicon carbide or a composite thereof. Further, it is preferable to surround the entire compact with the firing jig.
第7に、焼成用治具に載置した成形体を焼成炉内に配置し、前述したようにアルゴンガス中またはHeガス中のいずれか、もしくは真空中で、1800℃以上2200℃未満の温度域で10分〜10時間保持(前記第1の工程)した後、2200〜2350℃の温度で10分〜20時間保持(前記第2の工程)して、相対密度90%以上に緻密化させる。昇温速度は1〜30℃/分が好ましい。ここで、上記第1、第2の工程でいう保持とは、所定の温度範囲内に滞在した時間の合計を意味し、例えば一定温度で保持する時間や、昇温時間、降温時間が保持時間に含まれる。なお、2000℃以上で保持する場合には炭化硼素、添加物成分の分解が生じるので、アルゴンガスまたはHeガス中で保持することが望ましい。 Seventh, the compact placed on the firing jig is placed in a firing furnace, and as described above, the temperature is 1800 ° C. or higher and lower than 2200 ° C. in argon gas or He gas, or in vacuum. Holding for 10 minutes to 10 hours in the zone (the first step) and then holding at a temperature of 2200 to 2350 ° C. for 10 minutes to 20 hours (the second step) to make the relative density more than 90%. . The heating rate is preferably 1 to 30 ° C./min. Here, the holding in the first and second steps means the total time spent in a predetermined temperature range. For example, the holding time, the temperature rising time, and the temperature falling time are holding times. include. In addition, since it decomposes | disassembles a boron carbide and an additive component when it hold | maintains at 2000 degreeC or more, it is desirable to hold | maintain in argon gas or He gas.
また、緻密化をより促進するために、開気孔率が5%以下となった段階で、さらに高圧のガスで加圧してもよい。この加圧方法としては、高圧GPS(Gas Pressure Sintering)法や熱間等方加圧(HIP:hot isostatic press)法により、ガス圧1〜300MPaで加圧する方法を用いることが好ましく、これによって相対密度を特に95%以上に高めることができる。また、必要に応じてホットプレス法やSPS(Spark Plasma Sintering)法のように機械的圧力を印加する方法で焼結しても構わない。 In order to further promote densification, pressurization may be performed with a higher pressure gas when the open porosity becomes 5% or less. As this pressurizing method, it is preferable to use a method of pressurizing at a gas pressure of 1 to 300 MPa by a high pressure GPS (Gas Pressure Sintering) method or a hot isostatic press (HIP) method, and relative to this. In particular, the density can be increased to 95% or more. Moreover, you may sinter by the method of applying a mechanical pressure like the hot press method and SPS (Spark Plasma Sintering) method as needed.
基部が窒化珪素質焼結体である場合、まず、窒化珪素質粉末のβ化率が40%以下であって、組成式Si6−ZAlZOZN8−Zにおける固溶量zが0.5以下である窒化珪素質粉末と、添加物成分としてAl2O3,SiO2,RE2O3,Fe2O3の各粉末とを、バレルミル,回転ミル,振動ミル,ビーズミル等を用いて湿式混合し、粉砕してスラリーとする。
When the group portion is a silicon nitride sintered body, first, beta ratio of siliceous nitride powder is not more than 40%, the composition formula Si 6-Z Al Z O Z N solid solution amount z of 8-Z A silicon nitride powder having an A of 0.5 or less and Al 2 O 3 , SiO 2 , RE 2 O 3 , Fe 2 O 3 powders as additive components, barrel mill, rotary mill, vibration mill, bead mill, etc. Is wet-mixed and pulverized into a slurry.
ここで、添加成分であるAl2O3,SiO2,RE2O3の各粉末の合計は、窒化珪素質粉末とこれら添加成分の粉末の合計との総和を100体積%としたときに、4〜20体積%になるようにすればよい。 Here, the total of the powders of Al 2 O 3 , SiO 2 , and RE 2 O 3 that are additive components is, when the total sum of the silicon nitride powder and the powder of these additive components is 100% by volume, What is necessary is just to make it become 4-20 volume%.
窒化珪素には、その結晶構造の違いにより、α型およびβ型という2種類の窒化珪素が存在する。α型は低温で、β型は高温で安定であり、1400℃以上でα型からβ型への相転移が不可逆的に起こる。 There are two types of silicon nitride, α-type and β-type, due to the difference in crystal structure of silicon nitride. The α type is stable at low temperatures, the β type is stable at high temperatures, and the phase transition from α type to β type occurs irreversibly at 1400 ° C. or higher.
ここで、β化率とは、X線回折法で得られたα(102)回折線とα(210)回折線との各ピーク強度の和をIα、β(101)回折線とβ(210)回折線との各ピーク強度の和をIβとしたときに、次の式によって算出される値である。 Here, the β conversion is the sum of the peak intensities of the α (102) diffraction line and the α (210) diffraction line obtained by the X-ray diffraction method, I α , β (101) diffraction line and β ( 210) A value calculated by the following equation, where I β is the sum of the peak intensities with the diffraction line.
β化率={Iβ/(Iα+Iβ)}×100 (%)
窒化珪素質粉末のβ化率は、窒化珪素質焼結体の強度および破壊靱性値に影響する。β化率が40%以下の窒化珪素質粉末を用いるのは、強度および破壊靱性値をともに高くすることができるからである。β化率が40%を超える窒化珪素質粉末は、焼成工程で粒成長の核となって、粗大で、しかもアスペクト比の小さい結晶となりやすく、強度および破壊靱性値とも低下する。特に、β化率が10%以下の窒化珪素質粉末を用いるのが好ましく、これにより、固溶量zを0.1以上にすることができる。
β conversion rate = {I β / (I α + I β )} × 100 (%)
The β conversion rate of the silicon nitride powder affects the strength and fracture toughness value of the silicon nitride sintered body. The reason why silicon nitride powder having a β conversion rate of 40% or less is used is that both strength and fracture toughness values can be increased. Silicon nitride-based powder having a β conversion ratio exceeding 40% becomes the core of grain growth in the firing step, tends to be coarse and have a small aspect ratio, and both strength and fracture toughness values are reduced. In particular, it is preferable to use a silicon nitride-based powder having a β conversion rate of 10% or less, whereby the solid solution amount z can be made 0.1 or more.
窒化珪素質粉末の粉砕で用いるメディアは、窒化珪素質,ジルコニア質,アルミナ質等の各種焼結体からなるメディアを用いることができるが、不純物が混入しにくい材質、あるいは同じ材料組成の窒化珪素質焼結体からなるメディアが好適である。 The media used for pulverizing the silicon nitride-based powder can be media composed of various sintered bodies such as silicon nitride, zirconia, and alumina. However, a material that does not easily contain impurities, or silicon nitride having the same material composition. A medium made of a sintered material is suitable.
なお、窒化珪素質粉末の粉砕は、粒度分布曲線の累積体積の総和を100%としたときの累積体積が90%となる粒径(D90)が3μm以下となるまで粉砕することが、焼結性の向上および結晶組織の針状化の点から好ましい。粉砕によって得られる粒度分布は、メディアの外径,メディアの量,スラリーの粘度,粉砕時間等で調整することができる。スラリーの粘度を下げるには分散剤を添加することが好ましく、短時間で粉砕するには、予め累積体積50%となる粒径(D50)が1μm以下の粉末を用いることが好ましい。 Note that the silicon nitride powder is pulverized until the particle size (D 90 ) at which the cumulative volume is 90% when the total cumulative volume of the particle size distribution curve is 100% is 3 μm or less. This is preferable from the viewpoints of improvement in cohesiveness and formation of needles in the crystal structure. The particle size distribution obtained by grinding can be adjusted by the outer diameter of the media, the amount of the media, the viscosity of the slurry, the grinding time, and the like. In order to reduce the viscosity of the slurry, it is preferable to add a dispersant, and in order to pulverize in a short time, it is preferable to use a powder having a particle size (D 50 ) of 1 μm or less with a cumulative volume of 50% in advance.
次に、得られたスラリーを粒度200メッシュより細かいメッシュを通した後に乾燥させて顆粒を得る。また、スラリーの段階でパラフィンワックスやポリビニルアルコール(PVA),ポリエチレングリコール(PEG)等の有機バインダを粉末100質量%に対して1〜10質量%を混合することが、成形性のために好ましい。乾燥は、スプレードライヤーで乾燥させてもよく、他の方法であっても何ら問題ない。 Next, the obtained slurry is passed through a mesh having a particle size smaller than 200 mesh and then dried to obtain granules. Moreover, it is preferable for moldability to mix organic binders, such as paraffin wax, polyvinyl alcohol (PVA), and polyethyleneglycol (PEG), with respect to 100 mass% of powder at the stage of a slurry. Drying may be performed with a spray dryer, and there is no problem even if other methods are used.
次に、得られた顆粒を、乾式加圧成形法を用いて相対密度が45〜60%の平板状の成形体とする。そして、窒素雰囲気中または真空雰囲気中で脱脂した方がよい。脱脂温度は添加した有機バインダの種類によって異なるが、900℃以下がよく、特に500〜800℃とすることが好適である。 Next, the obtained granule is made into a flat molded body having a relative density of 45 to 60% using a dry pressure molding method. And it is better to degrease in nitrogen atmosphere or vacuum atmosphere. The degreasing temperature varies depending on the kind of the added organic binder, but it is preferably 900 ° C. or lower, and particularly preferably 500 to 800 ° C.
次に、一般的な窒化珪素質成形体の焼成に用いる黒鉛抵抗発熱体を使用した焼成炉内に成形体を配置し、焼成する。焼成炉内には成形体の含有成分の揮発を抑制するためにAl2O3,SiO2,RE2O3等の成分を含んだ共材を配置してもよい。 Next, the compact is placed in a firing furnace using a graphite resistance heating element used for firing a general silicon nitride shaped compact, and fired. In the firing furnace, a co-material containing components such as Al 2 O 3 , SiO 2 , and RE 2 O 3 may be disposed in order to suppress volatilization of the components contained in the compact.
また、成形体の配置方法として、成形体を窒化珪素質粉末中または炭化珪素質粉末中に埋設する方法を用いれば、電気炉において大気中で焼成することも可能である。このような方法を用いると、成形体をそれら粉末中に埋設したことにより大気中の酸素ガスは遮断され、実質的に焼成雰囲気は窒素雰囲気となる。温度については、室温から300〜1000℃までは真空雰囲気中にて昇温し、その後、窒素ガスを導入して、窒素分圧を500〜300kPaに維持する。このとき成形体の開気孔率は40〜55%程度であるため、成形体中には窒素ガスが十分充填される。1000〜1400℃付近では添加物成分であるAl2O3やRE2O3が固相反応を経て、液相成分を形成し、約1400℃以上の温度域で、β−サイアロンを析出し、緻密化が開始する。β−サイアロンはβ−Si3N4のSi4+位置にAl3+,N3−,O2−が置換固溶したものであり、Si3N4−AlN−Al2O3−SiO2系の多くの状態図(例えば、K. H. Jack,J. Mater. Sci.,11(1976)1135−1158,Fig. 11)にあるように、β−サイアロン相の安定領域はSi3N4−Al2O3−SiO2系に対してN3−が価数の安定には不足しており、外部からN3−の供給が必要となる。これは、成形体中に充填された窒素ガスがN3−となるからであり、窒素分圧を低く抑えることによってβ−サイアロンの固溶量zを低くすることができるからである。 Further, as a method of arranging the molded body, if a method of embedding the molded body in a silicon nitride powder or a silicon carbide powder is used, it can be fired in the air in an electric furnace. When such a method is used, since the molded body is embedded in the powder, oxygen gas in the atmosphere is shut off, and the firing atmosphere is substantially a nitrogen atmosphere. About temperature, it heats up in a vacuum atmosphere from room temperature to 300-1000 degreeC, Then, nitrogen gas is introduce | transduced and nitrogen partial pressure is maintained at 500-300 kPa. At this time, since the open porosity of the molded body is about 40 to 55%, the molded body is sufficiently filled with nitrogen gas. In the vicinity of 1000 to 1400 ° C., additive components Al 2 O 3 and RE 2 O 3 undergo a solid phase reaction to form a liquid phase component, and β-sialon is precipitated in a temperature range of about 1400 ° C. or higher. Densification starts. β-sialon is a solution in which Al 3+ , N 3− and O 2− are substituted and dissolved in the Si 4+ position of β-Si 3 N 4 , and Si 3 N 4 -AlN—Al 2 O 3 —SiO 2 type As shown in many phase diagrams (for example, KH Jack, J. Mater. Sci., 11 (1976) 1135-1158, Fig. 11), the stable region of the β-sialon phase is Si 3 N 4 -Al 2 O. N 3− is insufficient to stabilize the valence with respect to the 3- SiO 2 system, and it is necessary to supply N 3− from the outside. This is because the nitrogen gas filled in the molded body becomes N 3 −, and the solid solution amount z of β-sialon can be lowered by keeping the nitrogen partial pressure low.
すなわち、開気孔率が40〜55%から5%に達するまでの段階はできるだけ窒素分圧を低く設定する必要があり、50〜300kPaとすることが重要である。窒素分圧が300kPaを超えると、β−Si3N4に対しAl3+,N3−,O2−の置換固溶が進み、固溶量zが1を超えやすくなり、耐食性が低下する。窒素分圧が50kPaより小さくなると、β−サイアロンの平衡窒素分圧より小さくなり、β−サイアロンの分解反応が進行して、Siが溶融するため、正常な窒化珪素質焼結体にならない。また、温度が1800℃を超えるとAl3+,N3−,O2−の置換固溶が進行し、固溶量zが1を超えやすくなる。焼結が進行し、開気孔率が5%未満となった場合は、窒化珪素質焼結体中への窒素ガスの供給量が少なくなるため、300kPaを超える窒素分圧であっても構わないし、1800℃以上の温度で焼成しても構わない。最終的には相対密度96%以上まで緻密化を進行させることで、強度および破壊靱性とも高い窒化珪素質焼結体を得ることができる
なお、窒化珪素質焼結体において微細な結晶組織を得るには、焼成温度を1700℃以上1800℃未満にすればよい。また、真空雰囲気中にて昇温後、窒素分圧は150kPa以下としたほうが経済的観点からも望ましい。より緻密化を促進するには、開気孔率が5%以下となった段階で200MPa以下のガス圧焼結処理または熱間等方加圧(HIP)処理を施しても構わない。この場合、開気孔率1%以下で、相対密度が97%以上、さらには99%以上まで焼結を促進させた後に、ガス圧焼結処理または熱間等方加圧(HIP)処理を施すことが好適である。
That is, in the stage until the open porosity reaches from 40 to 55% to 5%, it is necessary to set the nitrogen partial pressure as low as possible, and it is important to set it to 50 to 300 kPa. When the nitrogen partial pressure exceeds 300 kPa, substitutional solid solution of Al 3+ , N 3− , O 2− progresses with respect to β-Si 3 N 4 , the solid solution amount z tends to exceed 1, and the corrosion resistance decreases. When the nitrogen partial pressure is less than 50 kPa, the equilibrium nitrogen partial pressure of β-sialon becomes smaller, the β-sialon decomposition reaction proceeds, and Si melts, so that a normal silicon nitride sintered body cannot be obtained. When the temperature exceeds 1800 ° C., substitutional solid solution of Al 3+ , N 3− , and O 2− advances, and the solid solution amount z tends to exceed 1. When the sintering progresses and the open porosity is less than 5%, the supply amount of nitrogen gas into the silicon nitride sintered body is reduced, so the nitrogen partial pressure may exceed 300 kPa. You may bake at the temperature of 1800 degreeC or more. Ultimately, a silicon nitride sintered body having high strength and high fracture toughness can be obtained by proceeding densification to a relative density of 96% or more. A fine crystal structure is obtained in the silicon nitride based sintered body. In this case, the firing temperature may be 1700 ° C. or higher and lower than 1800 ° C. Moreover, it is desirable from an economical viewpoint that the nitrogen partial pressure is set to 150 kPa or less after the temperature is raised in a vacuum atmosphere. In order to promote further densification, gas pressure sintering treatment or hot isostatic pressing (HIP) treatment of 200 MPa or less may be performed when the open porosity becomes 5% or less. In this case, after promoting the sintering to an open porosity of 1% or less and a relative density of 97% or more, further 99% or more, a gas pressure sintering process or a hot isostatic pressing (HIP) process is performed. Is preferred.
また、添加したFe2O3粉末は焼成で主相であるβ−サイアロンと反応して、酸素成分を脱離し、Feの珪化物粒子を生成する。 In addition, the added Fe 2 O 3 powder reacts with β-sialon, which is the main phase, by firing to release oxygen components and produce Fe silicide particles.
上述した製造方法で得られた炭化硼素質焼結体および窒化珪素質焼結体をそれぞれ所定の形状に加工し、受衝部および基部を重ねて袋に挿入したり、クリップ、バンド、テープ、ネジ等で固定したりする。または、それぞれ対向する面を接着剤や両面テープで接着していても良い。または、炭化硼素質焼結体および窒化珪素質焼結体を焼結により接合してもよい。以上のようにして、本発明の防護部材を得ることができる。
Above boron carbide sintered body obtained by the production method and the silicon nitride sintered body was respectively processed into a predetermined shape, and inserting the bag overlapping a receiving shock portion and the base portion, a clip, band, tape, Fix with screws. Alternatively, the opposing surfaces may be bonded with an adhesive or a double-sided tape. Alternatively, a boron carbide sintered body and a silicon nitride sintered body may be joined by sintering. As described above, the protective member of the present invention can be obtained.
さらに、本発明の防護具は、上述の方法で得られた防護部材を基体(例えば、ポリエチレン繊維、アラミド繊維およびカーボン繊維を含む繊維強化プラスチック(FRP)上に複数配置して、例えば、ウレタン系接着剤により固定することにより得られ、銃弾や砲弾等の貫通を高い確率で防止することができる。 Further, according to the protective device of the present invention, a plurality of protective members obtained by the above-described method are arranged on a substrate (for example, fiber reinforced plastic (FRP) including polyethylene fiber, aramid fiber, and carbon fiber), for example, urethane type It is obtained by fixing with an adhesive, and penetration of bullets and shells can be prevented with high probability.
1:防護部材
2:セラミック焼結体
3:セラミック焼結体
4:結合層
1: Protective member 2: Ceramic sintered body 3: Ceramic sintered body 4: Bonding layer
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