JPH04504100A - 火工材料 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
木」」1月一
本発明は、限定的ではないが特に単−導火線及び多重導火線延時システムのよう
な導火線(pyrotechinic trains)で使用するのに適した火
工材料に係わる0本発明は、導火線におけるこの種の火工材料の使用にも係わる
。
周知のように火工材料の多くは、所望の燃焼特性を得るべく、酸化性材料(ox
idisiB materail)及び被酸化性材料(oxidisable
materail)を入念に選択し、調製し且つ特定の割合で混合することによ
って粒状に形成し得る。この種の公知の組合わせの粒状物の典型的なものは、酸
化性ポリマー(例えばフルオロハイドロカーボンポリマー及びクロロフルオロハ
イドロカーボンポリマー)と被酸化性金属(例えばマグネシウム)との組合わせ
であり、これらの物質は混合ダ物状態で、推進薬(propellant ch
arges)用の点火薬並びに赤外信号及び煙信号を送るための火炎組成物とし
て使用される。この種の大工組成物は例えば米国特許第3669020号及び第
3983816号並びにUS 5tatutory InventionReg
istration 8169に開示されている。
ポリマー/金属混合物からなるタイプの粒状火工組成物には幾つかの欠点がある
。即ち、この種の組成物は一般に点火が難しく、これは特にマグネシウム及びポ
リテトラフルオロエチレン(PTFE)のような高エネルギー成分を選択した場
合に顕著である。また、正確な粒度及び粒子形状を有する成分を選択し、成分を
正確な割合で混合し、且つ組成物を最終製品に正確な密度で詰めるように細心の
注意を払わなければならない、なぜなら、これらの要因はいずれも燃焼特性にか
なりの影響を及ぼし得るがらである。この種の粒状組成物は更に、配合中並びに
その後の最終製品への加工中に自然発火し易いため、取り扱いに著しい危険が伴
い得る。従って、清潔な室内組立て条件を整え且つ手間と時間のかかる安全措置
をとらなければならない。
本発明の目的の1つは、前述の粒状火工組成物の欠点を解消するか又は少なくと
も部分的に軽減する火工組成物を提供することにある。
本発明の火工材料は、表面の少なくとも1つの区域に少なくとも1つの被酸化性
金属材料層が蒸着されている酸化性ポリマー材料の基板フィルムを含む、前記ポ
リマー材料及び金属材料は点火されると互いに結合して発熱反応を起こすことが
できる。
蒸着の利点は、ポリマー材料と金属材料との界面におけるこれら材料の分子の混
ざり合いが最大限に実施されるため、これら2種類の材料の間に、空隙を実質的
に含まない大きな密着領域が得られることにある。このようにして形成した火工
材料は自然発火に対してかなりの耐性を示す。
互いに結合し合う酸化性材料及び被酸化性材料を任意の選択した地点で調節的に
点火すると、これら2種頭の材料の間で自己持続性(self−sustain
iB)の発熱反応が始まり、界面に沿って側方に進展する。界面の密着度は、金
属材料とポリマー材料との間に反応を妨害する金属酸化物膜が形成されるのを防
止すべく、通常は実質的に酸素を含まない環境、例えば真空又は低圧不活性雰囲
気下で実施される蒸着プロセスの性質によって更に強化される。そのため、本発
明の火工材料は粒状火工材料より点火し易い。また、蒸着を使用すると、ポリマ
ー基板出発材料の有利な特性(例えば可撓性、強度及び靭性)が火工品の製造中
に劣化することが殆どない。
基板は、好ましくは柔軟性のある種々のポリマー材料を1種類以上用いて形成し
得る。金属材料と基板との間に発熱反応を生起させるためには、ポリマー材料が
、ポリマー構造体に化学的に結合した金属酸化能力のある原子を含んでいなけれ
ばならない。適当な原子は、例えばハロゲン(特にフッ素が好ましい)、酸素、
硫黄、窒素及びリン等である。
この基板は全体又は一部分がハロゲン化ポリマーからなるのが好ましい。基板全
体をこのようなハロゲン化ポリマーで形成するか又はハロゲン化ポリマーと1種
類以上の他のポリマーとの混合物で形成し、及び/又は全体もしくは一部分がハ
ロゲン化ポリマーからなる表面層を有するようにしてもよい。本発明の火工材料
に高エネルギーポリマー/金属組合わせ体を与えるためには、ハロゲン化ポリマ
ーがフルオロポリマー又はフルオロクロロポリマー、特にフルオロアルキレンポ
リマー又はフルオロクロロアルキレンポリマーであるのが好ましい。最も好まし
いポリマーは、潜在的に最大エネルギー含量の火工材料を与えるポリテトラフル
オロチレン(PTFE)である。MHのような金属燃料と発熱反応することが知
られている他の適当なポリマーとしては、ポリへキサフルオロプロピレン、フッ
化ビニレデンとへキサフルオロプロピレンとのコポリマー、テトラフルオロエチ
レンとペルフルオロプロピレンとのコポリマー、クロロトリフルオロエチレンと
フッ化ビニリデンとのコポリマー、ペルフルオロプロピレンのホモポリマー及び
ペルフルオロプロピレン/フッ化ビニリデンコポリマー、トリフルオロクロロエ
チレンホモポリマー及びトリフルオロクロロエチレンとフッ化ビニリデンとのコ
ポリマー、並びにこれらのポリマーのうち2種類以上のポリマーを互いに又はP
TFEと混合した混合物が挙げられる。
金属材料層の厚み及び組成は、発熱反応の信頼できる一定した側方進展特性が得
られるように選択する。この層が厚すぎると、界面から該金属層への過剰な熱伝
導に起因して反応が自消し得、逆にこの層が薄すぎると、反応によって生じる熱
が側方進展を持続するには不十分なものになる。
そこで、この金属層の厚みは好ましくは2〜100ミクロン、最も好ましくは3
〜50ミクロンにする。
この少なくとも1つの金属材料層は、1[[の金属を含むか、又は2種層以上の
金属を合金として同時蒸着したものを含み得る。選択する金属は、酸化性ポリマ
ー特にハロゲン化ポリマーと発熱反応する時に高い熱出力を出すものが好ましい
。そのため、前述の少なくとも1種類の金属材料層は、マグネシウムか又はマグ
ネシウムと例えばリチウムとの合金で形成するのが特に好ましい、この合金は、
前記タイプのポリマー材料と反応した時の発熱量が、マグネシウムだけか又はマ
グネシウムとアルミニウムとの合金を使用した時より大きい、この金属材料層は
、別の金属又はその合金、特にハロゲン化ポリマーと反応することが知られてい
る別の金属、例えばホウ素、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウ
ム、ナトリウム、リチウム、アルミニウム、チタン又はジルコニウムで形成して
もよい。
好ましいのは、前述のように例えばPTFE上に蒸着した厚み3〜50ミクロン
、特に5〜25ミクロンのマグネシウム又はマグネシウム合金層である。フッ素
化ポリマー上にM。
又はMg合金を蒸着すると、極めて密着性の高い金属層が得られるため、特に有
利であることが判明した。その原因の一部分は、蒸着中に界面で起こる化学結合
の度合いにあると考えられる。
発熱反応を調節するために、金属材料層は2つ以上の層として付着することもで
きる。その場合は隣接し合う層の間に、基板と容易に発熱反応しない調節用材料
(例えば鉛)の蒸着層を挿入する。
本発明の火工材料は、蒸着分野で良く知られている基板上への一般的な蒸着方法
を用いて製造し得る。金属用の好まし、い蒸着方法は物理的気相蒸着、即ち例え
ばマグネシウムのような金属からなる層材料の蒸気を基板の表面上に凝縮させる
ことからなる方法である。金属材料層が合金の場合には、2種票以上の金属を基
板上に同時に蒸着させなければならない。蒸着は真空又はアルゴンのような不活
性ガスの低圧(減圧)雰囲気下で実施し得る。 本発明の火工材料を成る種の用
途で有用に使用するためには、使用した火工材料の量で最大限の発熱が起こるよ
うに、ポリマー基板が発熱反応によって実質的に消費されるようなものであるこ
とが望ましい。この種の用途では、完全な燃焼が生起するように、基板を材料の
フィルム特に可視性フィルムの形状で使用するのが好ましい。特に好ましい形感
の1つは可撓性フィルムのテープである。このようなテープは、後で(特定の用
途に)使用するために貯蔵しておく場合に、例えば円筒形に巻き取ることができ
るという利点を有する。
このような基板フィルムは、少なくとも片面を金属材料でコーティングする。但
し、より好ましくは、フィルムの両面に金属層を付着して金属材料−ポリマー材
料−金属材料の複合体を形成する。この好ましい複合構造は、このように巳なか
った場合にポリマー材料の露出面に蓄積される静mWが減少し、従って火工材料
が発火事故を起こす可能性が低下するという利点を有する。この構造はまた、金
属材料とポリマー材料との間の接触領域が二倍になるため発熱反応の側方進展特
性が改善されるという利点も有する。
基板フィルム及び金属材料の相対的割合は、少なくとも、1つ又は複数の金属材
料層の下側にあるフィルム部分では、基板体対金属材料の比が実質的に発熱反応
の化学量論量に従うように選択するのが好ましいが、燃焼速度を制御するために
前記相対的割合を化学量論量の好ましくは±20%以内で変化させることもでき
る。フィルムの厚みは通常、実用上の条件を考慮して決定される。製造要件とし
て通常はフィルムを製造することのできる最小の厚みが規定されているが、フィ
ルムが厚すぎるとこれを完全に燃焼させることができない、そのためフィルムの
厚みは、好ましくは5〜200ミクロン、より好ましく10〜100ミクロンに
する。
本発明のコーティングされたフィルムからなる火工材料は種々の用途を有する。
成る用途では、この材料を閃光伝達媒体(flash transfer me
dium)として使用し得る。この種の媒体は通常、前記材料の1つ以上の細長
いストリップを、好ましくは熱収縮性プラスチック外装からなる封じ込め外装で
包囲したものからなる0本発明のフィルムは弾性及び可視性を有するため、前記
媒体には耐久性、可撓性及び信頼性といった所望の特性が付与される。また、フ
ィルムを実質的に水素を含まないポリマー例えばPTFEで形成すると、フィル
ムと金属層との間の発熱反応が本質的にガスの発生を伴わなくなるため、封じ込
め外装を十分に強化すればこの外装が破損せずに燃焼生成物を閉じ込めることに
なる。火工材料の使用量は通常、媒体1メ一トル当たり0.05〜Log、好ま
しくは0.1〜5gにする。
本発明のコーティングされたフィルムからなる材料は、別の用途として、螺旋状
に巻いてロール形状にし得る。これは、推進薬として使用するのに適しているこ
とが判明した0円筒形ロールは、ロケットモータケースの通常円筒形の内部に嵌
め込むのに理想的な形状である。螺旋状に巻き上げたコーティングされたフィル
ムからなる材料の燃焼速度は通常、一般的なロケットモータ用固体推進薬によっ
て得られる速度の何倍も大きいため、極めて速い発射加速度が必要な用途、例え
ば短距離ミサイル発射システム及び/又は無反動銃で極めて有用である。また、
金属/ポリマー材料組合わせ体を本質的にガス2発生しない発熱反応が起こるよ
うに選択すれば、燃焼生成物が急速に凝縮し、従って発射装置のすぐ近傍におけ
る爆風による影響が低下する。
フィルムの巻き数は燃焼速度に作用する。なぜなら、巻き数が増加すると積重す
る材料によって閉じ込められるフィルムの嵩が増加し、その結果燃焼速度が全体
的に増加するからである。
フィルムの両面をコーティングして第2の絶縁性フィルムと一緒に巻き上げれば
、前記推進薬を、金属材料層が分離キャパシタプレートとして機能する電気キャ
パシタとして使用することができ、従って点火に必要な電気エネルギーを貯蔵す
るために電気的に充電することができる0片面だけをコーティングした2つの材
料フィルムを、各金属材料コーティングがこれと接する隣接フィルムの非コーテ
イング面と向かい合うように上下に重ね合わせて一緒に巻き上げても同様の効果
が得られる。これがら類推して、複数のコーティングしたフィルムを、任意に絶
縁性フィルム層を間に挟みながら積重して偏平な平面状キャパシタを形成しても
同様の効果が得られよう。
総合的に見れば、本発明の火工材料は通常、製造が簡単であり、製造及び取り扱
いが安全であり、信頼性があり、低コストであり、軽量であり、点火が容易であ
り、可視性であり、頑丈であり、安定性があるという利点を有する。
ここで添付図面を参照しながら、本発明の火工材料の非限定的実施例及び用途を
説明する。
添付図面中、第1図及び第2図は火工材料の部分断面斜視図である。
第3図は、第2図の材料を使用した閃光伝達コードの部分断面斜視図である。
第4図は第2図の材料を用いて形成した推進薬の斜視図である。
第5図は第4図の推進薬を装填したミサイルの長手方向断面図である。
第1図に示した第1の火工材料は、酸化性ポリマー(例えばPTFE)のフィル
ムのチー12からなる基板と、その片面6に付着した被酸化性金属材料(例えば
マグネシウム)の単一層4とで構成されている。テープ2の長軸の方向は矢印で
示した0層4は一般的な真空蒸着装置(図示せず)を用いて蒸着したものである
。蒸着原料は別個の蒸発ボー) (vaporising boat、図示せず
)に配置して、アルゴン雰囲気下で走査電子ビームにより蒸発させ得る。あるい
は、マグネトロンスパッタリングにかけられる材料のバーを原料に含ませてもよ
い。
第2図に示した第2の火工材料は、酸化性ポリマーフィルムテープ10の両面1
2及び14を被酸化性材料層16及び18でそれぞれコーティングしたものから
なる。この場合も、層16及び18の蒸着には一般的な蒸着方法が使用されてい
る。
第1図及び第2図に示した第1及び第2の火工材料は、コーティングされていな
いフィルム部分を除去すべく使用前にエツジトリミングし得る。
第2の火工材料の一実施例として、幅5cm、厚さ45ミクロンのPTFEフィ
ルムテープの両面を、速度5nms−’の蒸着により、厚み16ミクロンのマグ
ネシウム層でコーティングした。このマグネシウムの厚み(合計32ミクロン)
は、これら2種類の物質の間の発熱反応を表す下記の式2式%
に従うMg対PTFEの化学量論的比率にほぼ等しい。場合によっては有毒燃焼
ガスの発生な防止すべく、有効フッ素が完全にMgF2に変換されるように、や
や過剰量のMg(例えば2%〜10%)を使用するのが好ましい。
コーティングしたPTFEテープは、コーティング前のPTFEテープと同じ強
さ及び可撓性を保持しており、Mg層はこのコーティングしたテープを手でしわ
くちヤに丸めても剥離的衝撃に対して極めて鈍感であり、且つ平たい硬質面上に
配置して手に持った0、5kgハンマーで中程度の力でたたいても発火しなかっ
た。このコーテッドPTFEはまた、粒状PTFEと粒状マグネシウムとを同じ
化学量論的比率で含む一般的な圧縮混合物の発火温度(610±10℃)より低
く且つ再現性のより高い発火温度(543±3℃)を有していた。更に、このコ
ーテッドテープを謬微鏡で検査した結果、PTFEとマグネシウムとの間の界面
に黒い密着性フィルムの存在が観察された。これは、蒸着プロセス中に前記2種
類の材料の間に発熱反応が生起したことを示すものである。実際の操作では、コ
ーティングしたテープの金属面上の2つの近接した一点接触子に4ボルトの電圧
を印加して短絡を発生させ、それによってこれら2つの接触子の闇を局部的に加
熱することによりテープを発火させることができ、MgとPTFEとの間の発熱
反応は非封じ込め状態で毎秒数メートルの速度でテープ沿いに進展したにの速度
はテープ10と層16及び18との相対的厚みを変えることによって変化させ得
る。
第3図は、コーティングしたテープの3つの細長いストリップ20を熱収縮プラ
スチック材料の外装22で包囲したものからなる閃光伝達コードを示している。
ストリップ20は第2図に示したタイプのコーテッドテープから切り取ったもの
である。外装22は、ストリップ20を適切に防護し且つ封じ込めるために、熱
収縮によってこれらのストリップに密着させである。このコードの一方の開放端
部24を点火すると、燃焼がコードの長さに沿って矢印方向へ急速に広がる。テ
ープ10と層16及び18の相対的厚みを変えれば、そして特にストリップ20
の統合及び封じ込めの度合いを変えれば、コードに沿う燃焼の速度を変えること
ができる。
この実施!’!!様の閃光伝達コードの特定実施例の1つとして、両面を厚み約
16ミクロンのマグネシウムでコーティた幅2mmの3つのストリップを直径4
mmのV i tonチューブ(「VitonJはフッ素化ポリマー材料)の中
に封じ込めた。
チューブを熱収縮してストリップに密着させた。このコードの火工材料総含量は
長さ1m当たり約1gであった。ストリップの1つを局部的に短絡させて一端に
点火すると、封し込められたストリップの燃焼が100m5−’のオーダーの速
度でコード沿いに進んだ。チューブは殆ど破損しなかった。これは、PTFEと
M&との間の発熱反応が、高温で凝縮する気体反応生成物を発生するためである
。
第4図は、第2図に示したコーティングしたPTFEテープ(10,16,18
)をエツジトリミングしてコーティングされていないPTFEを除去し、これを
円筒ロール形態に巻き上げて形成した推進薬を示している。
第5図には、尖頭部分30と、ロケットモータケースからなる円筒体部分32と
、ロケットノズル34とを含むミサイルを示した。このミサイルには、第4図の
装填薬からなる円筒形推進薬36がモータケース32と同軸に装填されている。
この実施態様のミサイルを、総質量60g、推進薬質量9gで製造した。推進薬
36は、幅5cmの短い前記M、コーテッドPTFEフィルムテープを巻き上げ
ることによって形成した。第3図の閃光伝達コードを用いてこの推進薬を後方端
面38で点火した。この推進薬は点火後数ミリ秒で完全に消責され、ミサイルを
200m5−’の最終速度まで加速させた。
補正書の写しく翻訳文)提出書(特許法ill ig4条の8)平成3年9月1
381
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、酸化性ポリマー材料からなる基板フィルムの表面の少なくとも1つの区域に 少なくとも1つの被酸化性金属材料層を蒸着したものからなり、前記ポリマー材 料及び金属材料が点火により互いに結合して発熱反応することができる火工材料 。 2.ポリマー材料が、ハロゲン、酸素、硫黄、窒素及びリンから選択した原子を その構造中に化学的に結合した状態で含んでいることを特徴とする請求項1に記 載の火工材料。 3.金属材料が、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、ベリリウム、カルシウ ム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、チタン、ジルコニウム及びこれ らの合金から選択した金属からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の火 工材料。 4.ポリマー材料がフッ素化ポリマーからなり、金属材料がマグネシウム又はそ め合金からなることを特徴とする請求項2又は3に記載の火工材料。 5.ポリマー材料がPTFEからなり、金属材料がマグネシウムからなることを 特徴とする請求項4に記載の火工材料。 6.少なくとも1つの金属材料層が3ミクロン以上の厚みを有することを特徴と する請求項1から5のいずれか一項に記載の火工材料。 7.基板フィルムが可撓性フィルムテープからなることを特徴とする請求項1か ら6のいずれか一項に記載の火工材料。 8.基板フィルムの両面に蒸着した被酸化性金属材料層を有する請求項1から7 のいずれか一項に記載の火工材料。 9.フィルムの厚みが5〜200ミクロンであることを特徴とする請求項1から 8のいずれか一項に記載の火工材料。 10.請求項1から9のいずれか一項に記載の火工材料の少なくとも1つの細長 いストリップを保護外装で包囲したものからなる閃光伝達媒体。 11.請求項1から9のいずれか一項に記載の火工材料を螺旋状に巻き上げたも のからなる推進薬。
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