JP5373305B2

JP5373305B2 - 耐衝撃複合材料およびその製造方法

Info

Publication number: JP5373305B2
Application number: JP2008088478A
Authority: JP
Inventors: 学松原; 平四郎高橋; 昭典阿部; 守石井; 友幸引田
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009242834A

Description

本発明は、衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する耐衝撃複合材料およびその製造方法に関する。

銃弾による衝撃等、極めて局所的な衝撃に耐えうる耐衝撃部材には、高強度鋼、セラミックス、繊維、セラミック焼結体と固化材との複合材料およびそれらを組み合わせたものを材料として使用する部材が提案されている（たとえば特許文献１参照）。

特許文献１記載の複合装甲プレートでは、Ａｌ_２０_３を少なくとも９３％内包し比重が少なくとも２．５である高密度セラミック製ペレットが、固化材によりプレートに直接に接合、固定され、固化材により隣接列の単一内側層形状に接合されており、かつ、それぞれのペレットが隣接ペレットと接合している。
特許第３６２８２５７号公報

しかしながら、上記の耐衝撃部材に含まれるセラミック部材では、破壊靱性が小さい。一方、繊維を用いた部材では硬度が小さく、高強度鋼の部材では重量が大きい。したがって、上記のような材料では、軽量であって、銃弾などの貫通を阻止し、かつ銃弾による割れや破片の飛散を防止することができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、硬度や破壊靱性が大きく、割れても破片が飛散しにくい軽量の耐衝撃複合部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る耐衝撃複合部材は、セラミックスの強化材と金属の母材とにより形成され、衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する耐衝撃複合部材であって、前記母材のみにより形成される母材領域と、前記母材と前記強化材との複合材料により形成され、前記母材領域を介して離散的に形成される複数の複合材料領域と、を備えることを特徴としている。

本発明の耐衝撃複合部材は、複合材料領域に金属基複合材料を用いているため、軽量で、その硬度や破壊靱性が大きい。また、複合材料領域の間隙に金属の母材領域を有するため、割れたときに破片が飛散しにくい。その結果、たとえば銃弾が当たったとき、その貫通が阻止され、割れた破片の飛散が防止される。

（２）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記母材は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなり、前記強化材は、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮまたはＳｉ_３Ｎ_４のうちの少なくとも一つからなり、前記複合材料領域中の体積率が４５％以上７０％以下であることを特徴としている。これにより、ブロックの強度、硬度、靭性等が向上し、耐衝撃複合部材は割れ難くなる。

（３）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記複数の複合材料領域およびその間隙を埋める前記母材領域は、本体層を形成し、前記母材領域の残り部分は、前記本体層の少なくとも片面側に補助層を形成することを特徴としている。

これにより、本体層が割れた場合でも、その片面の補助層により破片が飛散しにくくなる。また、補助層は、金属基複合材料に含まれる金属と同組成で形成され、接合層を介さず一体に形成可能であり、製造が容易である。

（４）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記複数の複合材料領域の最大径または最長の辺の長さは、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴としている。これにより、特に弾丸の貫通防止の効果が向上する。

（５）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記複数の複合材料領域は、平均２．０ｍｍ以下の間隔で連続的に設けられていることを特徴としている。これにより、局所的な衝撃により一つのブロックに亀裂が入っても、その亀裂は他のブロックには伝搬しにくくなり、破片の飛散が防止される。その一方で、耐衝撃複合部材全体としての強度や硬度を維持することができる。

（６）また、本発明に係る耐衝撃複合部材の製造方法は、衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する耐衝撃複合部材の製造方法であって、セラミック粉末により所望のブロック形状に形成された複数のプリフォームを作製するプリフォーム作製工程と、型内に前記複数のプリフォームを連続して設置するプリフォーム設置工程と、金属を溶融させ、その溶融金属を前記型内に流し込む金属流入工程と、前記溶融金属を加圧して前記複数のプリフォームに浸透させる浸透工程と、を備えることを特徴としている。

このように本発明の耐衝撃複合部材の製造方法では、所望の形状に形成されたプリフォームを設置しておき、母材の溶融金属を浸透させる。これにより、容易に硬度や靭性の優れた耐衝撃複合部材を製造することができる。また、プリフォームにより形状を調整し、任意の形状を選択することができる。

（７）また、本発明に係る耐衝撃複合部材の製造方法は、前記プリフォーム作製工程では、プリフォーム中のセラミックスの体積率を、４５％以上７０％以下となるよう成形体を作製し、前記成形体を６００℃以上に予熱した後に型枠に設置し、前記金属流入工程では、７００℃以上で溶解した金属を前記型内に流し込み、前記浸透工程では、１０ＭＰａ以上で加圧して前記プリフォーム中および前記プリフォーム間の隙間に金属を浸透させることを特徴としている。これにより、高強度、高硬度、高靱性の耐衝撃複合部材を製造することができる。

本発明によれば、複合材料領域に金属基複合材料を用いているため、軽量で、その硬度や破壊靱性が大きい。また、複合材料領域の間隙に金属の母材領域を有するため、割れたときに破片が飛散しにくい。その結果、たとえば銃弾が当たったとき、その貫通が阻止され、割れた破片の飛散が防止される。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［実施形態１］
（耐衝撃複合部材の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ耐衝撃複合部材１を示す平面図および断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す断面１ｂを矢印方向に見た図である。耐衝撃複合部材１は、衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する部材であり、防弾チョッキや防弾壁等に用いられる。図１に示すように、耐衝撃複合部材１は、複合材料領域２および母材領域３から構成されている。耐衝撃複合部材１は、母材領域３に複合材料領域２が内包されているため、複合材料領域２が割れたときでも破片が飛散しにくい。また、母材領域３により衝撃を分散させる効果もある。その結果、たとえば銃弾が当たったとき、その貫通が阻止され、割れた破片の飛散が防止される。

複合材料領域２は、セラミックスの強化材および金属の母材から構成される金属基複合材料により形成されている。複合材料領域に金属基複合材料を用いているため、軽量で、その硬度や破壊靱性が大きい。また、複合材料領域２は、母材領域３を介して離散的に形成されている。つまり、耐衝撃複合部材１内で複合材料領域２は、細かく分割されている。したがって、局所的な衝撃を受けたときに複合材料領域２に亀裂が入っても、他の複合材料領域２に亀裂が伝搬しない。複合材料領域２の存在により、耐衝撃複合部材１は軽量であるにもかかわらず高い硬度や破壊靱性を有している。金属基複合材料は、セラミックスで形成される強化材と、強化材を内包する金属の母材で形成される。

強化材は、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４のうちの少なくとも一つのセラミックスで構成されることが好ましい。母材は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウムまたはマグネシウム合金により構成されることが好ましい。また、複合材料領域２は離散的に形成されているため、衝撃により割れが生じても割れが伝搬し難く、破片も飛散し難い。複合材料領域２の最大径または最長の辺の長さは、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、特に弾丸の貫通防止の効果が向上する。複数の複合材料領域２は、平均２．０ｍｍ以下の間隔で母材領域３を介して連続的に設けられている。これにより、局所的な衝撃により一つのブロックに亀裂が入っても、その亀裂は他のブロックには伝搬しにくくなり、破片の飛散が防止される。その一方で、耐衝撃複合部材全体としての強度や硬度を維持することができる。

強化材は、複合材料領域中で４５％以上７０％以下の体積率を有することが好ましい。これにより、複合材料領域２の強度、硬度、靭性等が向上し、耐衝撃複合部材１は割れ難くなる。母材は、アルミニウムおよびマグネシウムの少なくとも一方で形成されることが好ましい。たとえば、本発明者らによりＳｉＣの強化材とアルミニウムの母材とを有する金属基複合材料を複合材料領域２とした耐衝撃複合部材１を形成する実験がすでに行われている。なお、金属には、金属単体および金属合金が含まれる。母材領域３は、複合材料領域２の母材と同じ金属で形成されている。母材領域３は、セラミックスの強化材を含まず、母材のみにより形成されている。

（耐衝撃複合部材の製造方法）
次に上記のように構成されている耐衝撃複合部材１の製造方法について説明する。図２（ａ）、（ｂ）、図３（ｃ）〜（ｅ）は、耐衝撃複合部材１の製造工程を示す断面図である。まず、金属基複合材料の強化材に用いるセラミック粉末のスラリーを作製する（スラリー作製工程）。

上記のスラリーを石膏型、多孔質樹脂型等の吸水性の型に流し込む。型には、球形の空隙が設けられており、空隙に流入したスラリーを球形に成形することが可能になっている。吸水後、球状の成形体を脱型する。尚、型の空隙形状を所望の形状にすることでプリフォームの形状を調整することができる。このとき、プリフォーム中のセラミックスの体積率を、４５％以上７０％以下となるよう成形体を作製することが好ましい。また、プリフォームの最大径または最長の辺の長さが、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下になるように成形する。

脱型した成形体を、炉において８００℃以上で仮焼することにより、球形のプリフォーム４１を作製する（プリフォーム作製工程）。この際に、必要があれば、プリフォーム４１を所望の形状に生加工することができる。金属の浸透前に加工することにより、簡易に加工することができる。次に、複数のプリフォーム４１を６００℃以上（浸透させる金属の融点以上の温度）で予熱する。予熱したプリフォーム４１を金属浸透用の型４０に連続するよう並べて設置する。このようにして、容易に硬度や靭性の優れた耐衝撃複合部材を製造することができる。また、プリフォーム４１により形状を調整し、任意の形状を選択することができる。

次に、金属を溶融させ、図２（ａ）に示すように、6００℃以上の溶融金属３６を型４０に流し込む（金属流入工程）。溶融金属３６には、アルミニウム等の金属基複合材料の母材となるものを用いる。そして、図２（ｂ）に示すように、6００℃以上の溶融金属３６を１０ＭＰａ以上の圧力で加圧して、複数のプリフォーム４１に浸透させる（浸透工程）。これにより、プリフォーム４１中およびプリフォーム４１間の隙間に金属が浸透する。

浸透工程後、図３（ｃ）に示すように、型４０から得られた加工前の耐衝撃複合部材５１を脱型する。このとき得られたものは、金属基複合材料の部分が金属部分５５に覆われた部材である。そして、図３（ｄ）に示すように、側面の金属部分５５を削除する加工を行う（加工工程）。これにより、後述する２層の耐衝撃複合部材６１を製造することができる。耐衝撃複合部材６１は、本体層６４と補助層６５（金属部分５５）から構成されている。さらに、図３（ｅ）に示すように、２層の耐衝撃複合部材６１の金属部分５５を削除することにより、図１に示すような耐衝撃複合部材１が得られる。本体層６４のみ残すことで薄くて軽い耐衝撃複合部材１が得られる。

耐衝撃複合部材１は、たとえば銃弾による極めて大きな局所的衝撃に対し、弾丸を破壊するのに十分な硬度、弾性率を有する金属基複合材料により弾丸の貫通を防止することができる。金属基複合材料が破壊されることにより局所的に生じた衝撃エネルギーが分散するため、たとえば防弾服などに用いた場合、人体への影響を最小限に抑えることも可能である。さらに複数の複合材料領域２の間隙に一体化して形成される母材領域３によりが金属基複合材料の飛散を防止することにより、機関銃などにより連続して撃ち込まれる数発の弾丸による衝撃防止にも効果的である。

また、耐衝撃複合部材１は、高強度鋼ほどの硬度や剛性率を有していないが、弾丸を破壊し貫通を防止するには十分な特性を有している。その一方で、耐衝撃複合部材１は、軽量であり、たとえばＳｉＣの強化材とアルミニウムの母材で構成された複合材料が用いられた場合、耐衝撃複合部材１の重量は高強度鋼のものの４０％以下である。耐衝撃複合部材１の破壊靭性もセラミックスのものより高い。たとえば弾丸の衝撃により、耐衝撃複合部材１に破壊は生じるがセラミック部材ほど粉々になることは無い。さらには、耐衝撃複合部材１では、母材領域３により破壊された部材の飛散が防止される。

［実施形態２］
上記の耐衝撃複合部材１は、その全体が複合材料領域２および母材領域３により層状に形成されているが、このような層を本体層６４としての本体層６４の少なくとも片面に、更に母材と同じ金属により形成される補助層６５を備えていてもよい。図４は、補助層６５を備える２層の耐衝撃複合部材６１の断面図である。耐衝撃複合部材６１は、複数の複合材料領域２およびその間隙を埋める母材領域３は、本体層６４を形成し、母材領域３の残り部分が、本体層６４の少なくとも片面側に補助層６５を形成している。耐衝撃複合部材６１の補助層６５は、金属基複合材料に含まれる金属と同組成で接合層を介さず一体化して形成されている。これにより、本体層６４が割れた場合でも、その片面の補助層６５により破片が飛散しにくくなる。また、補助層６５により十分に衝撃が吸収される。たとえば防弾服などに用いた場合、本体層６４の複合材料の破壊時の衝撃を金属が吸収し、さらに人体への影響を抑える効果がある。

このような耐衝撃複合部材６１を製造するには、あらかじめ本体層６４の厚みに合わせてプリフォーム４１の形状を設計し、プリフォーム４１を並べておき、上記の実施形態の製造工程と同様にプリフォーム４１への浸透分と補助層６５の分の溶融金属をプリフォーム４１に浸透させる。そして、型４０から取り出した耐衝撃複合部材５１に、補助層６５となる金属部分５５を残して加工することで、耐衝撃複合部材６１が得られる。なお、補助層６５は、金属基複合材料に含まれる金属と同組成で形成され、一体に形成されるため、両層の間に接合層を介さずに製造可能である。また、一体に形成するため、低コストで製造することができる。

なお、上記の例では、本体層６４および補助層６５が同じ金属の母材により一体化しているが、本体層６４に別の金属による板状体を接合してもよい。その場合には、弾丸の貫通阻止能力が向上し、接合層により衝撃の吸収を高めることができる。

（ａ）、（ｂ）それぞれ実施形態１に係る耐衝撃複合部材を示す平面図および断面図である。（ａ）、（ｂ）実施形態１に係る耐衝撃複合部材の製造工程を示す断面図である。（ｃ）〜（ｅ）実施形態１に係る耐衝撃複合部材の製造工程を示す断面図である。実施形態２に係る耐衝撃複合部材を示す断面図である。

符号の説明

１耐衝撃複合部材
２複合材料領域
３母材領域
３６溶融金属
４０型
４１プリフォーム
５１加工前の耐衝撃複合部材
５５金属部分
６１２層の耐衝撃複合部材
６４本体層
６５補助層

Claims

セラミックスの強化材と金属の母材とにより形成され、衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する耐衝撃複合部材であって、
前記母材のみにより形成される母材領域と、
前記母材と前記強化材との複合材料により形成され、前記母材領域を介して離散的に形成される複数の複合材料領域と、を備え、
前記複数の複合材料領域は、それぞれの径または辺の長さが２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の一定形状で、かつ、その隙間の幅が平均２．０ｍｍ以下で、繰り返し連続的に設けられ、
前記複合材料領域中の前記強化材の体積率は、４５％以上７０％以下であり、
前記母材は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなり、
前記強化材は、ＳｉＣ、Ａｌ _２Ｏ _３、ＡｌＮまたはＳｉ _３Ｎ _４のうちの少なくとも一つからなることを特徴とする耐衝撃複合部材。
前記複数の複合材料領域およびその間隙を埋める前記母材領域は、本体層を形成し、
前記母材領域の残り部分は、前記本体層の少なくとも片面側に補助層を形成することを特徴とする請求項１記載の耐衝撃複合部材。
衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する耐衝撃複合部材の製造方法であって、
セラミック粉末により、それぞれの径または辺の長さが２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の一定形状で、セラミックの体積率が４５％以上７０％以下となるように形成された複数のプリフォームを作製するプリフォーム作製工程と、
型内に、隙間の幅が平均２．０ｍｍ以下で、前記複数のプリフォームを繰り返し連続して設置するプリフォーム設置工程と、
金属を溶融させ、その溶融金属を前記型内に流し込む金属流入工程と、
前記溶融金属を加圧して前記複数のプリフォーム中および前記プリフォーム間の隙間に浸透させる浸透工程と、を備え、
前記金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなり、
前記セラミック粉末は、ＳｉＣ、Ａｌ _２Ｏ _３、ＡｌＮまたはＳｉ _３Ｎ _４のうちの少なくとも一つからなることを特徴とする耐衝撃複合部材の製造方法。
前記プリフォーム設置工程では、作製された成形体を６００℃以上に予熱した後に前記型内に設置し、
前記金属流入工程では、７００℃以上で溶解した金属を前記型内に流し込み、
前記浸透工程では、１０ＭＰａ以上で加圧して前記プリフォーム中および前記プリフォーム間の隙間に金属を浸透させることを特徴とする請求項３記載の耐衝撃複合部材の製造方法。