JPS63310777A - 化学結合セラミック装甲材料 - Google Patents

化学結合セラミック装甲材料

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JPS63310777A
JPS63310777A JP63090160A JP9016088A JPS63310777A JP S63310777 A JPS63310777 A JP S63310777A JP 63090160 A JP63090160 A JP 63090160A JP 9016088 A JP9016088 A JP 9016088A JP S63310777 A JPS63310777 A JP S63310777A
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fibers
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ceramic
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ディヴィッド ディー ダブル
ランダル ピー ブライト
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SEMUKOMU CORP
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    • C04B28/02Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
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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】 発明の背景 発明の分野 本発明は軍用目的のための改良された装甲材料の分野に
、ある。
現在の装甲材料の貫徹および破壊のために開発される弾
丸の破壊力に対して防御することはますます困難である
。これらの弾丸は弾道脅威または単に「脅威」として示
される。近代の脅威には広範囲の特徴が包含される。そ
れらは大きさおよび型が異なり、数百メートル毎秒〜数
千メートル毎秒の衝撃速度を有する。型には普通弾、破
片模擬弾CFSP)、撤甲(AP)弾、セルフ・フォー
ジング破片(SFF)、並びに安定翼長幹運動エネルギ
ー(KE)弾および化学エネルギー(CE)成形炸薬ジ
ェットが含まれる。
成形炸薬ジェットは高性能爆薬の成形炸薬を用いて標的
中へ非常に高速度で金属の細いジェットを集中し、注入
する。KE弾の貫徹効果は主に弾丸の質量、硬さ、形状
および速度に依存するけれども、成形炸薬ジェットは流
体力学流およびエロージョンにより標的を貫徹するため
に非常に高い温度および圧力の金属ジェットに頼る。そ
のようなベネトレーター(pene tra tor)
による損傷はミサイルそのものによるだけでなく、また
装甲板の後面スポールおよび破砕により噴出される材料
により高められる。
これらの脅威に対処するため、優れた機械的および物理
的性質が装甲材料に要求される。現在の装甲には強化金
属合金、繊維強化プラスチックおよびバイテクノロジー
セラミック材料が含まれる。
装甲系の工学設計は重要な因子であった。近代装甲の多
くは多成分系であり、個々の材料特性を最も有利に利用
するために互いに結合した異なる材料の若干の板を用い
る。他の一層複雑な設計が開発された。例えば間隔をあ
けた装甲系および斜ルーバ装甲系は到来ペネトレーター
の経路を逸らし、変動させるので高速度弾丸に対して有
効である。
金属例えば鋼およびアルミニウムは今日使用される主要
装甲材料である。装甲開発の重要な主領域は繊維強化プ
ラスチツク材料(FRP)にあり、それらは樹脂で結合
された積層複合体(ガラス、ナイロン、アラミド、ホウ
素、炭素繊維類など)である。単独に用いるとFRPは
低エネルギー弾丸範囲において良好な弾道性能および低
重量特性を提供する。FRPは拳銃脅威および爆破破片
に対する保護に対する人員装甲において適用を見出す。
高エネルギー弾丸範囲においてFRP債層体の性能はそ
れらの比、較的低いモジュラスおよび温度感受性により
制限される。しかし、それらの高いレジリエンスふよび
破壊靭性は多板装甲系におけるサンドイッチ層またはス
ポール抑制背板として良好に利用された。
高温焼結法により製造されるセラミックス(アルミナ、
炭化ケイ素、酸化ベリリウム、炭化ホウ素など)は装甲
材料における最も重要な最近の開発の1つに相当する。
それらの非常に高い圧縮強さおよび硬さは比較的低い密
度と結合されてAP弾、KEロッドおよびジェットベネ
トレーターを含む広範囲の高エネルギー弾道脅威に対す
る優れた装甲性能を与える。セラミックスは現在集中的
な研究および改良の主題である。しかし、セラミック装
甲の現場適用は高い材料コストフよびそれらを全く簡単
なタイル形状以外の付形物に製造することの困難なこと
により制限された。大型一体成形材が可能でなく、セラ
ミック装甲は多くはアップリケタイルフラッド構造を用
いる。それらの強度および硬さにもかかわらず、セラミ
ックは脆く、タイルは十分なエネルギーの弾丸衝撃をう
けると完全に粉砕される。破砕およびスポールの効果を
緩和するために、セラミックタイルは一般に金属または
FRP背板に結合される。そうとしても、セラミックタ
イルは破壊され、現場状態で置換することが必要であろ
う。これは、例えば装甲保全性に有意な損失なく全く接
近する数弾丸に耐えることができる金属装甲とは対照的
である。
サーメット例えばアルミニウムー炭化ホウ素は金属およ
びセラミックスの両方の若干の最良の性質を結合し、従
って弾道装甲材料としてかなりの可能性を提供する。そ
れらはAP脅威に対する良好な弾道保護を与えることが
示された。しかし、製造にホットプレスおよび焼結が含
まれるのでそれらは成形性およびコストにおいてセラミ
ックスと類似の制限を有する。
従来技術 1980年5月18日に公表されたPCT公表WO80
100959号にはポルトランドセメント、シリカダス
ト、砂例えば石英および花崗岩、セメント、高性能減水
剤並びに水を含むセメント状生成物が開示され・ている
。この刊行物はポルトランドセメントを高密度化するた
めの粒子の添加を開示しているが、しかしポゾラン反応
における添加剤を包含する概念を開示していない。
米国特許第4,505.753号にはポルトランドセメ
ント、微粒シリカ充填材、高性能減水剤、水および場合
により泡止め剤を含むセメント状複合材料が開示されて
いる。この材料は標準セメントに比べて異常に高い強度
特性を有する。
米国特許第4,482.358号にはポルトランドセメ
ント、微粒シリカ充填材、高性能減水剤、水、発泡剤、
および不規則形状ステンレス鋼粒子を含むなお他のセメ
ント状複合材料が開示されている。
後者の複合材料は異常な強度特性だけでなく、また真空
保全性および異常な熱的性質を有する。
1986年8月8日に提出された同時係属出願第894
.815号には金属繊維を前記米国特許のセメント状材
料と組合せて摩擦組成物を提供できることが開示されて
いる。
1986年12月23日に提出された同時係属出願第9
45.632号には繊維および骨材をセメント状材料と
組合せて金属およびプラスチック成形操作に有用な型お
よび用具を提供することが開示されている。
コンクリートの強化に対する鋼繊維の使用は、例えば「
二ニー・スウェーディソシュ・テクノロジー(New 
 Swedish  Technology) J *
  5巻、3号(1986)に開示された。しかし、鋼
繊維は比較的長く、30〜40ミリメートルまでの長さ
を有する。繊維強化コンクリートはまたハンナント(D
、J、Hannant)により「ファイバーセメントお
よびファイバーコンクリート(FibreCes+en
t   and   Fibre   Concret
e)  J   (1978)ジョン・ワイリ・アンド
・サンズ(John  Wiley&  5ons)に
開示さている。
エンジニアリング・アンド・サービシス・ラボラトリ−
、エア・フォース・エンジニアリング・アンド・サービ
シス・センター(Engineering &5erv
ices  Laboratory+Air  For
ce  Engineering& 5ervices
  Center+ Tyndall  Air  F
orceBase、 Florida)により1986
年3月に発表されたレポートにはアルミン酸カルシウム
セメント、加水分解したポリ酢酸ビニルポリマーおよび
水の組成物から作られた装甲板が「破局的脆性破損」を
示したことが開示されている。ナイロン網強化パネルは
かなり良好な性能を示すといわれたが、しかしなお感銘
的ではなかった。該レポートはセラミック外面および一
緒に積層した数層の強化板を有する複合板に言及してい
るが、しかしまだ試験されなかったことを報告した。
従って本発明の目的は、製造が容易でコストが低く、現
在入手できる装甲材料よりも近代脅威に対して一層耐性
である新規な装甲を提供することである。
本発明の他の目的は高い強さ、高い硬さおよび追加の破
壊靭性の結果、衝撃ペネトレーターに対して改良された
耐性を有する装甲材料を提供することである。
本発明の他の目的は低密度、低可燃性、据付けおよび修
復の一層の容易さ、並びに低材料コストを有する装甲材
料を提供することである。
発明の概要 本発明の新規な装甲材料には、 (1)  高強度化学結合セラミック、並びに(21(
a)  装甲材料の破壊靭性および多曲中容量を高める
繊維、および(または)、 (b)装甲に衝突するペネトレーターを鈍らせ、逸らせ
、および(または)侵食する硬質材料、を含む追加成分
、 を含む組成物が含まれる。
本発明の装甲材料はまた成分子1)または成分(1)と
(2)との混合物を多成分系のマトリックスとして利用
する組成物を含む。多成分系には種々の形材、サイズお
よび材料の要素またはセグメントが含まれる。
好ましい態様の説明 (1)  化学結合セラミックス 化学結合セラミックスは高強度無機材料の分野における
新規開発である。これらの材料は無機酸化物系、例えば
金属酸化物ケイ酸塩、アルミン酸塩およびリン酸塩から
なり、それらが高い強度および靭性を生成させるために
設計された特定技術により化学的に配合され、処、理さ
れる。それらは強度が室温における化学結合により生ず
る点で普通のセラミックスとは異なる。
普通のセラミックスの場合におけるような高温焼結また
は融解処理が団結の達成に要求されない。
化学結合セラミックスの概念は最近の研究から高強度セ
メント材料に出現した。一般に普通の水硬性セメント系
、例えばポルトランドセメントおよびアルミナセメント
、に基くけれども、化学結合セラミックスは普通のセメ
ント製品例えばモルタルおよびコンクリートに普通に関
連するものよりははるかに優れた機械的性質を示す。典
型的には、圧縮および引張り強さが約1桁程度高く、破
壊靭性がかなり高い。高い強度は非常に低い気孔率の緻
密なミクロ構造を生ずるように設計された処理技術によ
り、および水硬結合過程中の強度寄与混合物の使用によ
り達成される。これらの混合物は反応性充填材粉末例え
ばポゾランシリカ、並びに少量の有機および無機ポリマ
ーを含むことができる。ポリマーは処理中に流動化剤お
よび結合剤として作用するだけでなく、セメントとの化
学釣橋かけにより強度および靭性を高めることができる
化学結合セラミックスの化学的および物理的性質はバイ
テクノロジー普通セラミックスのそれらの性質とローテ
クノロジーセメントおよびコンクリート製品のそれらの
性質との間にある。
化学結合セラミックスは低い材料コストおよび低温度の
経済的処理法の利点を、しかし普通のセラミックスおよ
びガラスの性質に近づ(機械的性質を結合して、普通の
セメントと共有する。
化学結合セラミックスは鋳造材料として製造できるが、
しかし最高強度は材料を混合し、成形する混練および押
出法を用いて得られる。技術は多くの点でプラスチック
およびゴム配合物の処理に使用される技術に類似するが
、しかし操作は常温で行なわれる。強度の発達は周囲条
件下の養生により自然に生ずるが、しかしオーブン乾燥
(〈80℃)により促進することができる。
製造中に化学結合セラミックスは容易に種々の型の充填
材および繊維と混合して改良された物理的および機械的
性質を有する複合材料を製造することができる。含まれ
る原理はプラスチック基複合体に使用される原理に類似
する。しかし、化学結合セラミックスはプラスチックセ
ラミックスより強くかつ硬く、それらは優れた温度安定
性および不燃性を有する。高い温度が含まれないので複
合体は温度感受性補強材例えば低融点プラスチック繊維
で作ることができる。
これは高温セラミックス例えばセラミックスおよび金属
に対して可能ではない。プラスチック樹脂の硬化に含ま
れる比較的穏当な温度でもコストおよび製造の点から制
限を与えることができる。化学結合セラミックスの低温
加工性は熱感受性材料を混合する可能性さえ可能にする
一般に、化学結合セラミックスは低温で加工でき、比較
的低いコストで製造できる特有の組の特性利点を有する
新規の型の無機基複合体を提供する開発的技術に相当す
る。
本発明は最終養生複合体において少くとも約20MPa
の、しかし平均で35〜70MPa程度およびそれ以上
であることができる曲げ強さ、並びに少くとも約100
 MPaの、しかし平均で200〜300MPaおよび
それ以上であることができる圧縮強さを示す高強度の化
学結合セラミックスを利用する。
本発明の複合体中の高強度化学結合セラミックスの開発
に広範囲の無機材料を用いることができる。高強度材料
は次の1つまたはそれ以上を基にすることができる: (i)水硬性セメント系例えば: tat  高アルミナセメント、および(b)  シリ
カ基セメント例えばポルトランドセント; (ii)ポリマー処理セメント例えば:(a)  ポリ
マー変性セメント、および(bl  ポリマー含浸セメ
ント;並びに(iii )他のセメント系例えば (a)  リン酸塩基セメント、および(b)  セメ
ント形成セラミック配合物例えばケイ酸塩、アルミン酸
塩、リン酸塩、硫酸塩、炭酸塩およびそれらの混合物と
組合せた金属酸化物。
高強度化学結合セラミック材料の例には、次の米国特許
第4,353,748号、第4,410,366号、第
4,482.385号、第4.501.830号および
第4.505.753号(それらの開示はここに参照さ
れる)、並びに多くの他の特許および刊行物に記載され
るものが含まれる。
さらに、高強度化学結合セラミック材料は前記5米国特
許に開示された添加剤を含むことができる。例えば米国
特許第4.505,753号に記載されたように、セメ
ントは好ましくは5ミクロンより細い一般的サイズの結
晶形態の二酸化ケイ素、シリカヒユームおよび高性能減
水剤と混合された8級ポルトランドセメントである。米
国特許第4.482.385号には8級ポルトランドセ
メント、ミンーU−シル(Min−U−Sil)シリカ
粒子、シリカヒユームおよび高性能減水剤を含むマトリ
ックスが記載されている。ステンレス鋼成分もまた使用
される。米国特許第4.410.366号に記載される
ように、セメントは高アルミナ質セメントおよび水分散
性または水溶性ポリマーまたはコポリマーである。成分
の好ましい割合はこれらの特許に開示されている。
本発明に有用なマトリックス材料にばリン酸塩結合マト
リックスが含まれ、それは次のちのを含むことができる
: アルミン酸tIルシウム         0−75 
  25−75ケイ酸カルシウム          
 0−75   25−75フルミノケイ酸カルシウA
        0−75   25−75アルミナ、
 または アルミノケイ 酸塩        0−65 10−65カルシウム
 およυ(または)マグネ シウム 酸化物          0−65   1
0−65アルカリポリリン酸塩        0−2
5     8−25リン酸       0−25 
 8−25緩衝リン酸塩溶液  0−25  8−25
(2)添加物成分 (al  繊維 本発明の装甲材料の成分は繊維成分を含むことができる
。繊維は装甲破砕を低下または排除し、優れた多曲中容
量を与える高い強さおよび靭性を与える。
繊維は金属繊維、鉱物繊維および有機繊維を含むことが
できる。繊維は不規則に分散するかまたは配向すること
ができる。
繊維強化は2ミリメートルより大きい長さを有し、10
より大きいアスペクト比(長さ7幅)の繊維を含む。若
干の態様において、繊維は長さ5〜15ミリメートルで
10〜200ミクロンの平均幅または断面である。これ
は平均寸法である。繊維は長さおよび幅または断面の広
い分布を有することができ、例えば約30%の繊維が上
記範囲外にあることができる。繊維が繊維の長さ沿いに
可変断面を有することが好ましい。この不規則性はマト
リックス材料中への繊維の鍵かかりを改良する。この範
囲に制限されないけれども、繊維のモジュラスは一般に
約7GPaを越え、しばしば70GPaより高い。
繊維はステンレス鋼で作ることができるが、しかし他の
金属および合金例えば鉄、ニッケル、クロム、タングス
テンおよびモリブデンのものを用いることができる。そ
のような繊維の混合物を用いることができる。繊維は金
属線からレザーカットし、細断することができる。金属
繊維は「鉄線」として製造し、所望の大きさに細断する
ことができる。短長(約2〜15mm)で市販されるチ
ョツプドスチールウールを使用できる。SAE  10
20のような普通炭素鋼の線またはリボンは適当である
。メルトエクストラクト繊維もまた適当である。この方
法により作られた繊維はリボン・テクノロジー社(Ri
bbon  Technology  Corpora
tion)(Rib Tec)により製造される。
適当な繊維にはまた鉱物繊維例えばガラス、鉱物綿、あ
るいは炭素またはグラファイト、あるいはセラミックス
例えばアルミナ、炭化ホウ素または炭化ケイ素の繊維が
含まれる。合成樹脂繊維にはアラミド繊維が含まれる。
これらは金属繊維成分の若干または全部の代りに使用で
きる。典型的な合成樹脂繊維にはケブラー(Kebla
r)  29および49アラミドポリマーが含まれる。
非金属繊維は低密度、高強度および高モジュラスの優れ
た組合せを与える。耐熱性を有する繊維が好ましい。
繊維成分は一般に本発明の複合混合物の容積を基にして
約O〜約60容積%、通常約2〜約40容積%、好まし
くは約5〜20容積%、より好ましくは約8〜12容積
%の割合で使用される。
(b)  骨材 化学的に結合されたセラミック複合体の成分は装甲に衝
突する弾丸を鈍らせ、逸らし、侵食しまたは他の方法で
停止゛するのに役立つ骨材であることができる。骨材は
また複合体の強さおよび硬さを増強し、生成物の圧密を
高める。骨材には規則性または不規則性形状であること
ができる硬質ピースが含まれる。ステンレス鋼および他
の鋼管材またはピース、並びにチタンまたはタングステ
ン骨材またはピースを用いることができる。さらに、高
硬度のセラミックス例えばガラス、アルミナ、酸化ベリ
リ・ラム、炭化ケイ素および炭化ホウ素を用いることが
できる。
種々の骨材またはピースの混合物を用いることができる
有効であるために骨材成分は一般に5より大きいモース
硬度値を有する硬質材料であるべきである。
本発明の複合体において、化学結合セラミック成分は高
い剛性を有し、骨材またはピースを互いに結合する。鋭
い弾丸を有効に逸らしまたは鈍らせるために、化学結合
セラミック成分は骨材またはピースに対する有効な結合
および衝撃下の移動に対する拘束を与えるべきである。
最高結果を与えるために、骨材またはピースは最適充填
密度を達成するために大きさを選別することができる。
最大の骨材またはピースは一般に衝撃弾丸の断面大きさ
より大きくあるべきである。KEおよびCEペネトレー
ターの典型的な直径は0.1インチから数インチまで変
化する。
骨材またはピースは本発明の複合材料の容積を基にして
約O〜約60容積%、好ましくは約25〜約45容積%
の割合で使用される。
(3)多成分系 装甲設計は高エネルギーペネトレーターの妨害に殊に重
要である。それらの靭性および条令中性能のために、繊
維強化化学結合セラミック装甲は多層装甲系におけるス
ポール抑制板として繊維強化プラスチックに対する低コ
スト代替物として有用である。
化学結合セラミック材料の易成形性は他の機会を与える
。普通のセラミックスの板を化学結合セラミックスのマ
トリックス中に埋封することができる。板のルーバ配列
はベネトレーターの偏向を高める。化学結合セラミック
により与えられる固有の弾道保護に加えて、普通のセラ
ミック板の性能が相乗効果により高められる。
化学結合セラミックマトリックスはその比較的高い強さ
およびモジュラスにより普通のセラミック板の破砕を伴
なう容積拡大を抑制する。
他の態様において、間隔をあけた金属グリルを用いて貫
徹中に不対称装填により弾丸を逸らすごとができる。グ
リル構造の性能は化学結合セラミックスのマトリ・ノク
スにより与えられる支持および拘束により高められる。
種々の金属形材を用いることができる。これらの系は他
成分の周りに化学結合セラミックマトリックスを押込成
形することにより容易に作ることができる。
前記系は化学結合セラミックスの適合性の例を与える。
この適合性は弾丸による貫徹または弾孔の後の修復の問
題にまで拡大しさえする。
セメントはとにかく装甲媒質の修復に使用され、高強度
化学結合セラミックスがそのような修復をより有効かつ
効率的に達成する方法を提供する。
図面の簡単な説明 第1図は多成分装甲10の1態様の断面図を示す。この
積層態様において、化学結合セラミック板11は弾丸1
7対面装甲側上に接着された普通のセラミック板15を
有する。板11の反対側に金属背板13が結合される。
化学結合セラミック板11は複合装甲板の強さおよび破
壊靭性を高め、スポール破砕を抑える機能を有する補強
繊維19を含むことができる。
第2図は化学結合セラミックマトリックス21により互
いに結合される硬質の普通のセラミックまたはガラス骨
材またはピース23を含む複合装甲板20の断面図を示
す。セラミックまたはガラスピースはそれらの衝撃ダイ
ラタンシーのために弾丸27を逸らすのに役立つ。高硬
度のセラミック骨材またはピース23は鋭い弾丸を非常
に有効に鈍らせまたは侵食するのに役立つ。好ましくは
これらの骨材またはピースは最適充填回度を達成するた
めに大きさで選別される。
第3図は化学結合セラミックマトリックス31を有する
多成分装甲30のIB様を示す。弾丸37の方向に対し
ある角度で配置される普通のセラミック板33がマトリ
ックス31中に埋封される。この態様は装甲板30に衝
突する弾丸37が硬質セラミック板33により逸らされ
、従って装甲板30が貫徹されない利点を有する。
第4図は本発明の多成分装甲のlL、様を示す。
装甲板40は化学結合セラミックマトリックス41を有
し、種々の形状および配置を有することができる1組の
金属グリルが中に埋封されている。
金属グリル43の目的は、弾丸47が装甲板40を衝撃
すると貫徹中に編心装填に基いて弾丸を逸らし、転回し
、および(または)破壊することである。
第5図は本発明の装甲材料の弾道性能のプロットをアル
ミニウム装甲およびRHA装甲と比較して示すグラフで
ある。弾道限界測定値は実施例6に記載される弾丸速度
対装甲面密度に関してプロットした。
第6図は実施例5 (b)に記載される本発明の装甲板
の写真である。写真は実施例5(b)に記載されるよう
に4弾丸により衝突された装甲の結果を示す。
実施例 次の実施例中、および明細書および特許請求の範囲を通
じて部は重量により、温度は他に示さなければセルシラ
ス度である。
これらの実施例において弾道試験は破片模擬弾(FSP
)を用いて行なった。これらの弾丸は鈍いタガネ形状頭
部並びにガスシールおよび回転バンドとして作用する突
起フランジを基底に有する円筒体である。弾丸はロック
ウェルC30に硬化し、米軍規格MIL−P−4659
3Aに従って製造した。この硬さ水準は爆発した20m
m、37mmおよび1051高性能爆薬弾体の回収破片
の平均硬さに相当する。FSPは一般にアルミニウム、
薄ゲージ鋼および非金属装甲の試験に許容される。
0.30口径FSPおよび0.50口径FSPをそれぞ
れ標準0.30および0.50口径施条銃身を用いて加
速した。0.30および0.50口径飛程中の弾丸速度
の測定は飛程沿いに位置する2光スクリーンを用いて行
なった。
多くの試料に対する弾道試験は1.251〜1、354
In+/秒の範囲内の速度で0.30口径FSPを用い
て行なった。試験において標的は厚さ1.27cmアル
ミニウム背板に結合させ、アルミニウム標的中への侵徹
が後面膨出により影響されないように厚さアルミニウム
底板にクランプした。
評価は標的が受けた損傷および弾丸の全貫徹で行なった
化学結合セラミック材料間を一層良く識別するために、
弾丸速度の範囲は、速度が化学結合セラミック前板を通
して完全な貫徹を生ずる十分な高さで、しかしそれを結
合したアルミニウム背板を通して貫徹を生ずるほど高く
ないように選んだ。
化学結合セラミック板の弾道性能の定量的測定値を得る
ために、ヤツイフ(Yaziν)ほかにより初めに記載
された方法を用いた。本質上これには複板の停止力を6
061−T6アルミニウムの標準ブロックの停止力と比
較することが含まれる。化学結合セラミック板の停止力
は化学結合セラミック板の厚さく1)および弾丸のアル
ミニウム背板中への残留侵徹の深さくp)の測定により
得られた。次いでこれらの値を同一弾丸速度におけるア
ルミニウム標準ブロック中への侵徹の深さくX)に関連
させた。
停止力(SP)は従って次のように示される:を 標的重量における差異を考慮するために停止効率(SE
)が次のように規定される: 停止効率は装甲性能の確認に通常使用される「ウェイト
メリットレーティング(weight  meritr
ating) Jに類似する。S E = 1.0であ
れば性能はアルミニウムに等しい。SEが1.0未満で
あれば装甲はアルミニウムより有効でない。SEが1.
0より大きければ性能がアルミニウムより良好である。
1試料はまた弾道限界について試験した。弾道限界速度
は通常■、。と称され、衝撃の50%が標的の完全貫徹
を生ずる速度として規定される。完全貫徹は装甲の後面
からの破片が、標的の15.24CII+後方に位置す
る0、5mmの2024−TSアルミニウム立証板中に
光を通す孔を生ずる十分なエネルギーを有するときに生
ずる。標的からはね返り、標的中に食込み、または立証
板を貫通するには十分でないエネルギーで通過する衝撃
は部分貫徹と称される。■5゜限界は最低速度完全貫徹
と最高速度部分貫徹との平均として算出される。
実施例 1〜5 実施例1〜5において、表1に示される組成物を作り、
高強度アルミニウム酸塩基化学結合セラミックスおよび
種々の補強を用いる弾道性能の比較評価を与える。実施
例1は実質的に補強のない化学結合セラミックマトリッ
クスである。実施例2は同一マトリックスと硬さおよび
強さに対して選んだ硬質アルミナ骨材粒子とを用いる。
実施例3において化学結合セラミックマトリックスが短
調繊維で補強される。実施例4および5において長鋼繊
維が補強に使用される。
表1に示される成分を表1に示される割合で混合した。
配合物はシグマブレード二−ダー/エクストルーダ中の
混合により処理した。配合物を薄いシートに圧延し、形
状に切り、次いで15、25cmX 15.25cmの
成形型中で13.8 MPaで圧縮成形した。強度発達
は室温で24時間にわたる養生中および65℃における
促進乾燥後に達成された。
養生後、生じた板を6061−T6アルミニウムの厚さ
1.27cmの板にエポキシ接着剤を用いて結合した。
次いで装甲板を弾道性能について試験し、結果は表2に
示される。
実施例1において、85MPaの曲げ強さで、0.69
の停止力および0.75の停止効率が1.251km/
秒における0、30口径FSPに対して達成された。板
は衝撃で完全に破砕された。同様の弾道衝撃下に、アル
ミナ骨材を含む実施例2は0.69の停止力および0.
71の停止効率を与え、また板は破砕した。実施例1に
比較した停止効率の低下は実施例2の高い密度のためで
ある。この特定の型の鈍い弾丸(0,30口径FSP)
に対して、アルミナ骨材の添加が弾道性能に対し有利な
効果を有しなかったけれども、硬質アルミナ粒子の鈍化
作用のために鋭頭部弾丸に対して弾道性能の改良が達成
されよう。
短調繊維35重量%を含む実施例3において、停止力は
再び0.69であり、停止効率は0.63に低下する。
この停止効率の低下は鋼の畜い密度に基くが、しかし実
施例3の主要利点は鋼繊維が衝撃強さおよび靭性を高め
、板の破砕を生じないことである。実施例3において試
験板は2片に破損した。
実施例4および5において破壊靭性をさらに改良するた
めに、異なる型の鋼繊維を実施例3に用いた3倍以上の
長さで用いた。実施例4は約4重量%および実施例5は
約24重量%のこれらの繊維を含む。鋼繊維の添加に暴
く割増重量にもかかわらず、停止力および停止効率の値
により示される実施例4および5の弾道性能は実施例1
〜3に比べて有意に高められた。実施例4において停止
力は0.83〜0.85の間にあり、停止効率は0.9
4〜0.93の間にあった。衝撃後板は完全に保たれた
が、しかしそれらは放射状のひび割れを有した。実施例
5において停止力は0.74〜0.80の範囲内に、停
止効率は0.74〜0.81の範囲内にあった。これら
の値は実施例4の値より低いけれども、繊維含量を24
重量%にあげた主利点は破壊靭性の増大であり、従って
板は衝撃後完全に保たれ、中心衝撃弾孔を越えるひび割
れが認められなかった。
実施例5 (b)において1.25km/秒を越える衝
撃速度における4連続0.30口径射撃が第6図に示さ
れるように、1個の15.25cmX 15.25cm
板中に受けらた点まで損傷が最小化された。4スポ一ル
弾孔の全面積は15.25cmX 15.25cm試験
片の表面積の約30%にすぎなかった。この試験片は連
続接近弾丸に対する構造保全性を保持する能力において
材料の長命中性能の非常に図式的な例を与えた。
要約すると、結果は繊維強化化学結合セラミック板が非
強化板より良好な停止力および停止効率を有したことを
示した。さらに、繊維添加の主利点はひび割れおよび破
砕の傾向の軽減、従って材料の長命中性能の増加にあっ
た。
実施例 6 0.50口径弾道試験のために、表1に示される実施例
5の配合を用い実施例1〜5の操作に従って大試験板を
製造した。板30.5c+*X 30.5cmで1、8
 cm厚さに近く、厚さ1.27c+++の6061−
 T 6アルミニウム背板に樹脂結合した。
本発明の化学結合セラミック装甲のV、。弾道限界をア
ルミニウム装甲およびR)(A装甲の効率と比較した。
装甲の質量効率(mass  efficiency)
は化学結合セラミック試験装甲の面密度を同一■、。弾
道限界におけるアルミニウムまたはRHA鋼の面密度に
比較した比である。
板を、種々の累進速度で0.50口径FSPを用いて一
連の5射撃にさらし、■、。弾道限界の値を測定した。
0.902km/秒の初めの弾丸は部分貫徹を生じた。
0.972〜0.905km/秒の速度における次の4
弾丸は完全貫徹を与えた。これらの試験は79.1 k
g/平方メートルの面密度で約0.904kg/秒の化
学結合セラミック/アルミニウム複板に対する弾道限界
を示した。
試験データは第5図に弾丸速度および装甲密度の関数と
してプロットされ、それはまたRHA鋼およびアルミニ
ウム装甲の■、。弾道限界に対して公表された値を示す
。0.904km/秒における0、50口径FSPを打
破するために5083アルミニウムの68.9kg/平
方メートルおよびRHA鋼の87.9kg/平方メート
ルの面密度を要する。
化学結合セラミック複板装甲の相当する質量効率は次の
とおりである: e、=0.87  (5083アルミニウムに関し)e
、=1.11  (RHAEに関し)。
アルミニウムに比較した質量効率に対して得られた値は
一般に0.30口径FSP試験から得られた停止効率の
値に一致する。
実施例 7〜12 表3に示される成分を表3に示される割合で混合する。
配合物をシグマブレードニーダ−/エクストルーダー中
の混合により処理する。配合物を薄いシートに圧延し、
形状に切り、次いで15、25cs+X 15.25c
mの成形型中で13.8 MPaで圧縮成形する。
、強度発達は室温で24時間にわたる養生中および65
℃における促進乾燥後に達成される。
養生後、生じた板をエポキシ接着剤を用いてアルミニウ
ムの厚さ1.27co+の板に結合させる。次いで装甲
板を弾道性能について試験する。
表   3 高アルミナセメント(a)         34  
   30  53.2  5.24ウオラストナイト
 (CaSi03)                
         31か焼アルミナ(−325メツシ
ユ)9  17.9  17.6  13板状アルミナ
(28/48)            11  12
酸化マグネシウム          17 42  
            19六メタリン酸ナトリウム
        17 13  15緩衝したリン酸溶
液ら)                      
      15ぶりビニルアルコール(85%加水分
解)                     6.
0   5.9ケブラーアラミド繊維        
            5.4304ステンレス鋼も
1未鎗(0,31’X0.004’>       2
2   22     23            
         22炭素繊維          
     6.8グリセリン            
   0.5 0.5水              
     10 10  11  17.5  16.
8(a)  スカール71、ローン・スター・ラファル
ゲ(Lone 5tar LaFarge)製缶)85
%リン酸、65.6%、リン酸亜鉛9.2%、リン酸ア
ルミニウム8.2%、リン酸マグネシウム0.4%およ
び水16.6%(すべて重量%)を含む実施例 13〜
15 比較の基礎を与えるために比較的低い曲げ強さの若干の
鋳造可能な化学結合配合物を試験した。
組成は表4に示される。実施例13は砂および砂利骨材
を含む市販の普通の配合コンクリートである。これは普
通の混合および鋳造法を用いて製造し、約15.2 X
 15.2 X 1.3cmの大きさの試験板に成形し
た。実施例14および15は鋼管材および鋼繊維強化を
微粒シリカ充填材とともに含む高強度化学結合セラミッ
ク複合体である。これらの成分は普通の混合および鋳造
法を用いて配合し、約15.2 X 15.2 X 2
.5 cmの大きさの試験板に成形した。実施例13〜
15の養生は湿潤条件下に48時間行ない、実施例14
および15は最後に150℃で乾燥した。
養生後、装甲試験板を弾道性能について試験し、結果は
表5に示される。実施例13(a)はスタンド・アロン
仮として用いて0.50口径FSPにより0.066k
m/秒程度の低い速度で衝撃したときに完全に破損した
。実施例13(b)において厚さ12、7 mmのアル
ミニウム背板に結合したときでも試験板は0.30口径
FSPにより1.344km/秒の速度で衝突されたと
きに完全に粉砕された。実施例14および15における
(スタンドアロン板として使用した)強化試験材料は実
施例13より良好な弾道性能を示したが、しかし平均算
出質量効率は、 e、=0.49 (5083アルミニウムに関し)e、
=0.56  (RHA鋼に関し)にすぎなかった。こ
れらの数字は実施例6におけるものより実質的に低い。
ボルトランドセメント、 型 1       15.
1ポルトランドセメント、 級H24,7124,71
砂利< 1 cm)    45.3 砂              30.2316ステン
レス鋼、 80/200メフシユ −34,3225,
74434ステンレス公司繊維           
        17.16  25.74シリカ、M
in−1j−Sit                
      12.16  12.16シリカ ヒユー
ム               2.8      
 3.43   3.43M−100高性能減水剤  
0.3   0.69 0.69水         
     6.2     7.53  7.53実施
例 16〜19 次の実施例は装甲系のエンジニャリング設計の開発に対
する高強度化学結合セラミック組成物の使用を示す。
実施例 16 実施例5の化学結合セラミック組成物を普通のセラミッ
ク板および鋼板の間のキャビティー中へ成形する。化学
結合セラミックは鋼およびセラミック板との接触下に8
0℃で養生し、第1図に示されるような高強度積層複合
装甲を形成する。
実施例 17 (a)  化学結合セラミック材料を適当な形状のキャ
ビティー中に含まれるアルミナセラミック球の密充填配
列間の間隙中へ押込みまたは他の方法で成形する。セラ
ミック球は最大圧縮強さおよび硬さに対して選ばれる。
球の大きさは密充填の密度を最適にするために均一ある
いは選別サイズであることができる。一般に、最大セラ
ミック球の大きさは可能な弾丸脅威の直径により決定さ
れる。球は実施例5の化学結合セラミック混合物により
包まれ、互いに硬く保持される。
(b)高圧縮強さおよびダイタラント性に対して選ばれ
るガラス球を用いて実施例17(a)における操作を繰
返す。
(C)  実施例14の強化鋳造性混合物を用いて実施
例17(a)における操作を繰返し、それを振動下に球
の周りに侵入させる。
(d)  ガラス球を用いて実施例17(C)における
操作を繰返す。
上記化学結合セラミック材料を80℃で養生し、第2図
に示される高強度複合装甲板を成形する。
実施例 18 実施例3の化学結合セラミック組成物を、幅3cmの、
型の端壁により不動に保持された普通のセラミックのス
ラブを有する均一スクエアキャビティー中へ成形するこ
とにより第3図に一致する高強度装甲板を製造する。セ
ラミックスラブは45度の角度でセットされる。化学結
合セラミックはスラブの周りの間隙を完全に満たすよう
に型中へ導入される。次いで化学結合セラミック材料を
80℃で養生し、第3図に示される高強度複合装甲板を
製造する。
実施例 19 各仮にあけた孔の綱目を有する3鋼板からなる金属グリ
ル細工物を適当なキャビティー厚さを有する型中に孔お
よび結合金属板を一線上にないように配列する。金属板
は金属スペーサーにより間隔をあけた関係に保持するこ
とができる。実施例3の化学結合セラミック材料を、型
が化学結合セラミック材料で完全に満たされるまで金属
グリルの周りの閉空間に注入する。次いで化学結合セラ
ミックを80℃で養生し、高強度装甲板を型からとり出
す。
表   5 実施例 曲げ強さ 厚 さ  面密度 FSP  衝撃
速度Nu  (MPa) im) (kg/m”) O
U(km/e)備考(bl    13.0“ 64.
9 0.30 1.344板破砕14(a)  48 
25.4  85.4 0.30  1.009  部
分貫徹(b)     25.4  84.9 0.3
0 1.104  完全貫徹15(a)  48 27
.2  85.1 0.30  1.047  完全貫
徹(b)     27.2   B5.3 0.30
 1.039  部分貫徹*12.7mmアルミニウム
板に結合
【図面の簡単な説明】
第1図は高強度化学結合セラミック層を含む積層体を含
む多成分装甲の断面図を示し、第2図は高強度化学結合
セラミックマトリックス中に分散された硬質骨材を含む
装甲板の断面図を示し、 第3図は高強度化学結合セラミックマトリックス中に埋
封された硬質板を含む他の多成分装甲の断面図を示し、 第4図は高強度化学結合セラミックマトリックス中に埋
封された金属形材を含むなお他の多成分装甲の断面図を
示し、 第5図は弾丸速度対装甲面密度に関する弾道限界測定値
のプロットを示すグラフであり、第6図は4弾丸により
衝突された後の装甲板を示す写真である。 10・・・・・・多成分装甲、 11・・・・・・化学結合セラミック板、13・・・・
・・背板、    15・・・・・・普通セラミック板
、19・・・・・・補強繊維、 20・・・・・・複合
装甲板、21・・・・・・化学結合セラミックマトリッ
クス、23・・・・・・セラミックまたはガラス骨材ま
たはピース、 30・・・・・・多成分装甲、 31・・・・・・化学結合セラミックマトリックス、3
3・・・・・・普通のセラミック板、40・・・・・・
装甲板1 .41・・・・・・化学結合セラミックマトリックス、
43・・・・・・金属グリル、 17.27.37.47・・・・・・弾丸。 FIG、I FIG 2 FIG、3 FIG、5 FIG、6

Claims (47)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)装甲材料であって、 (i)高強度化学結合セラミック、並びに (ii)(a)装甲材料の破壊靭性および多命中容量を
    高める高強度、高モジュラスの繊維、お よび(または) (b)装甲に衝突するペネトレーターを鈍らせ、逸らせ
    、および(または)侵食する硬質骨 材、 を含む追加成分、 を含む装甲材料。
  2. (2)繊維が金属である、請求項(1)記載の装甲材料
  3. (3)繊維がステンレス鋼である、請求項(1)記載の
    装甲材料。
  4. (4)繊維がガラスまたはセラミック繊維である、請求
    項(1)記載の装甲材料。
  5. (5)繊維がポリマー繊維または炭素繊維である、請求
    項(1)記載の装甲材料。
  6. (6)骨材が金属である、請求項(1)記載の装甲材料
  7. (7)骨材がステンレス鋼である、請求項(1)記載の
    装甲材料。
  8. (8)骨材がガラス、アルミナ、炭化ホウ素、炭化ケイ
    素および酸化ベリリウムの少くとも1種である、請求項
    (1)記載の装甲材料。
  9. (9)高強度化学結合セラミックを含み、 (a)高強度、高モジュラスの繊維、および(または)
    、 (b)硬質骨材、 を含む追加成分を含む組成物中に埋封されたサイズ、付
    形物および材料のセグメントを含む多成分装甲材料。
  10. (10)組成物が高強度、高モジュラス、耐熱性の繊維
    を含む追加成分を含む、請求項(9)記載の多成分装甲
    材料。
  11. (11)セグメントが硬質材料の板である、請求項(9
    )記載の多成分装甲材料。
  12. (12)セグメントが金属グリルである、請求項(9)
    記載の多成分装甲材料。
  13. (13)繊維が金属である、請求項(9)記載の多成分
    装甲材料。
  14. (14)繊維がステンレス鋼である、請求項(9)記載
    の多成分装甲材料。
  15. (15)繊維がガラスまたはセラミック繊維である、請
    求項(9)記載の多成分装甲材料。
  16. (16)繊維がポリマー繊維または炭素繊維である、請
    求項(9)記載の多成分装甲材料。
  17. (17)骨材が金属である、請求項(9)記載の多成分
    装甲材料。
  18. (18)骨材がステンレス鋼である、請求項(9)記載
    の多成分装甲材料。
  19. (19)骨材がガラス、アルミナ、炭化ホウ素、炭化ケ
    イ素および酸化ベリリウムの少くとも1種である、請求
    項(9)記載の多成分装甲材料。
  20. (20)積層体の少くとも1層が高強度化学結合セラミ
    ックを含み、 (a)高強度、高モジュラスの繊維、および(または)
    、 (b)硬質材料、 を含む追加成分を含む組成物である多成分装甲。
  21. (21)組成物が高強度、高モジュラス、耐熱性の繊維
    を含む、請求項(20)記載の多成分装甲。
  22. (22)弾丸の直接衝撃を受ける装甲の面上に配置され
    た普通のセラミックを含む第2層を有する、請求項(2
    0)記載の多成分装甲。
  23. (23)弾丸の直接衝撃を受ける面とは反対側の装甲の
    面上に配置された金属を含む第3層を有する、請求項(
    22)記載の多成分装甲。
  24. (24)繊維が金属である、請求項(20)記載の多成
    分装甲。
  25. (25)繊維がステンレス鋼である、請求項(20)記
    載の多成分装甲。
  26. (26)繊維がセラミック繊維、ガラス繊維、ポリマー
    繊維または炭素繊維である、請求項(20)記載の多成
    分装甲。
  27. (27)骨材が金属である、請求項(20)記載の多成
    分装甲。
  28. (28)骨材がステンレス鋼である、請求項(20)記
    載の多成分装甲。
  29. (29)骨材がガラス、アルミナ、炭化ホウ素、炭化ケ
    イ素および酸化ベリリウムの少くとも1種である、請求
    項(20)記載の多成分装甲。
  30. (30)高強度化学結合セラミックを含む組成物中に埋
    封された硬質材料の板を含む多成分装甲。
  31. (31)組成物が (a)高強度、高モジュラスの繊維、および(または) (b)硬質骨材、 を含む追加成分を含む、請求項(30)記載の多成分装
    甲。
  32. (32)硬質材料が普通のセラミックである、請求項(
    30)記載の多成分装甲。
  33. (33)セラミック板が弾丸により衝撃される装甲の面
    にある角度で配置される、請求項(32)記載の多成分
    装甲。
  34. (34)繊維が金属である、請求項(30)記載の多成
    分装甲。
  35. (35)繊維がステンレス鋼である、請求項(30)記
    載の多成分装甲。
  36. (36)繊維がセラミック繊維、ガラス繊維、ポリマー
    繊維または炭素繊維である、請求項(30)記載の多成
    分装甲。
  37. (37)骨材が金属である、請求項(30)記載の多成
    分装甲。
  38. (38)骨材がステンレス鋼である、請求項(30)記
    載の多成分装甲。
  39. (39)骨材がガラス、アルミナ、炭化ホウ素、炭化ケ
    イ素および酸化ベリリウムの少くとも1種である、請求
    項(30)記載の多成分装甲。
  40. (40)高強度化学結合セラミックを含む組成物中に埋
    封された金属グリルを含む多成分装甲。
  41. (41)組成物が、 (a)高強度、高モジュラスの繊維、および(または) (b)硬質骨材、 を合む追加成分を含む、請求項(40)記載の多成分装
    甲。
  42. (42)繊維が金属である、請求項(40)記載の多成
    分装甲。
  43. (43)繊維がステンレス鋼である、請求項(40)記
    載の多成分装甲。
  44. (44)繊維がセラミック繊維、ガラス繊維、ポリマー
    繊維または炭素繊維である、請求項(40)記載の多成
    分装甲。
  45. (45)骨材が金属である、請求項(40)記載の多成
    分装甲。
  46. (46)骨材がステンレス鋼である、請求項(40)記
    載の多成分装甲。
  47. (47)骨材がガラス、アルミナ、炭化ホウ素、炭化ケ
    イ素および酸化ベリリウムの少くとも1種である、請求
    項(40)記載の多成分装甲。
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