JPWO2009016861A1 - 防護用部材およびこれを用いた防護体 - Google Patents

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Abstract

炭化珪素を主成分とする複数の第1相2と、第1相2とは異なる組成でかつ少なくとも硼素、珪素および炭素を含有する複数の第2相3とを有してなるセラミックス体を備えており、第2相のうち一部が全体として第1相内に存在し、第2相のうち残りの少なくとも一部が複数の前記第1相間に存在している防護用部材である。

Description

本発明は、軽量で高い耐熱衝撃性を有する防護用部材およびこれを用いた防護体に関する。特に、銃弾および砲弾等の飛翔体、または鋭利な刃物の貫通を抑制して、人体,車両,船舶,航空機等を保護するための防護用部材、およびこれ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ならびに防弾板等の防護体に関する。
最近、性能が優れた防護用部材の需要が高まっており、特に軽量化が要求されるとともに、銃弾および砲弾等から受ける大きな衝撃圧縮に耐える防護用部材が要求されている。
例えば、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。
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。
特開2002−294512号公報 特開2002―326861号公報
しかしながら、現在、高い熱伝導性を有し、耐熱衝撃性がより優れた防護用部材およびこれを用いた防護体が望まれている。
本発明の防護用部材は、炭化珪素を主成分とする複数の第1相と、該第1相とは異なる組成でかつ少なくとも硼素、珪素および炭素を含有する複数の第2相とを有してなるセラミックス体を備えていることを特徴とする。
また、本発明の防護体は、上記防護用部材の1以上を基体上に設けたことを特徴とする。
本発明の防護用部材によれば、特に第1相の存在により熱伝導性が高くなるため、衝撃により発生した局部的な温度上昇が抑制される。その結果、硬度および弾性率の低下を小さく抑えることができ、飛翔体に対する防護性能はほとんど損なわれない。また、特に第2相の存在により耐熱衝撃性が向上する。このことにより、衝撃で発生した局部の急激な温度変化に耐え、微細なクラックが発生しにくくなり、飛翔体に対する防護性能を向上させることができる。さらに、これらの効果は、密度を向上させることにより顕著となり、これにより閉気孔が少なくなり、熱伝導性はさらに高くなるため、局部的な温度上昇はさらに抑制される。
本発明の防護体によれば、上述したように防護性能の高いセラミックス体の複数を基体上に設けたことから、飛翔体の貫通を高い確率で抑制することができる。
本発明に係る防護用部材の一実施形態を説明する図であり、防護用部材を構成するセラミックス体に用いられる炭化珪素質焼結体の結晶構造を模式的に示す平面図である。 本発明に係る防護用部材の他の実施形態を説明する図であり、防護用部材を構成するセラミックス体に用いられる炭化珪素質焼結体の結晶構造を模式的に示す平面図である。 結晶相のアスペクト比を説明する平面図である。 本発明に係る防護用部材を構成するセラミックス体の一実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る防護用部材を構成するセラミックス体の他の実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る防護体の一実施形態の一部を示す斜視図である。 本発明に係る防護体の一実施形態を示す平面図である。
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。
本実施形態の防護用部材は、図1および図2に示すように、炭化珪素を主成分とする複数の第1相と、該第1相とは異なる組成でかつ少なくとも硼素、珪素および炭素を含有する複数の第2相とを有してなる炭化珪素質のセラミックス体1を備えていることを特徴とする。ここで、主成分とは、セラミックス体1を構成する成分のうち、70質量%以上を占める成分をいう。
本実施形態の防護用部材は、図1に示すように、セラミックス体1は、第2相3の全体が第1相2内に存在しているとよい。つまり、複数の第2相3のうち一部が全体として第1相2内に存在しているとよい。この場合、所定断面領域(例えば14μm×16μmの四角領域)において、「第1相2内に存在している第2相3の総面積/所定断面領域内に存在している第2相3の総面積」の比が5%以上50%未満であると、第1相2の熱膨張係数と第2相3の熱膨張係数との差に起因して、防護用部材として適度な残留応力が発生する。この残留応力により第1相2間の粒界には、圧縮応力が掛かった状態となり、銃弾および砲弾等の飛翔体の着弾によって防護用部材にはクラックが発生するものの、クラックの先端は比較的容易に粒界で捕捉されたり、分散させられたりするようになるため、その進展を抑制することができるようになる。
また、図2に示すように、セラミックス体1は、第2相3は複数の第1相2間に存在していてもよい。つまり、複数の第2相3のうち残りの少なくとも一部が複数の第1相2間に存在しているとよい。この場合、上記所定断面領域において、「複数の第1相2間に存在している第2相3の総面積/所定断面領域内に存在している第2相3の総面積」の比が50%以上95%未満であると、「第1相2内に存在している第2相3の総面積/所定断面領域内に存在している第2相3の総面積」の比が50%未満である場合より、熱伝導の担体であるフォノンは動きやすくなる。このため、炭化珪素結晶の有する高い熱伝導性が十分発揮され、銃弾や砲弾等の飛翔体から加えられる衝撃によって発生する局部的な温度上昇が抑制される。その結果、セラミックス体の硬度、弾性率の低下を小さくすることができ、飛翔体に対する防護性能を高くすることができる。なお、上記において「残りの少なくとも一部」としたのは、第2相3は一部が第1相2と第1相2にまたがって存在する可能性があるからである。
第2相3は、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有して成るが、例えば、これら各元素が単独で存在したり、珪素と硼素が化合してSiB,SiB等の珪化物および炭化珪素として存在したりする。これらの組成物はX線回折法で同定することができる。この第2相3が複数の第1相2にまたがって存在する柱状の相あるいは針状の相であると、熱伝導の担体であるフォノンの動きが大きな制約を受ける。一方、本実施形態のように、第2相3が複数の第1相2内に粒状に存在したり、複数の第1相2間に粒状に存在したりすることにより、フォノンの動きがほとんど制約されない。このため、炭化珪素結晶の有する高い熱伝導性が十分発揮され、銃弾や砲弾等の飛翔体から加えられる衝撃によって発生する局部的な温度上昇が抑制される。その結果、セラミックス体の硬度、弾性率の低下を小さくすることができ、飛翔体に対する防護性能を向上させることができる。
また、セラミックス体は、図示されているように、隣り合う第2相3間の距離dによってもその熱伝導性は影響を受ける。距離dが短いとフォノンの動きは制約を受けやすく、距離dが長いとフォノンの動きは制約を受けにくくなる。
このような観点から、本実施形態のセラミックス体では、隣り合う第2相3間の距離dを3μm以上5μm以下とすることが好ましく、距離dをこの範囲にすることで、フォノンの動きはさらに制約を受けにくくなる。
第2相3が第1相2内に存在する状態や第2相3が複数の第1相2間に存在する状態は、セラミックス体の断面を研磨して鏡面(算術平均高さRaで0.03μm以下)にし、この鏡面を透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用い、倍率を500〜10000倍にして観察すればよい。あるいは、セラミックス体から厚みが200μm程度の薄い円板状の試料を切り出し、その試料の中心部をディンプルグラインダーで薄くした後、さらにアルゴン(Ar)イオンを用いたイオンミリング法により中心部に孔を開け、その周囲の面を透過型電子顕微鏡を用い、倍率を500〜10000倍にして観察してもよい。
なお、第2相3は硼素、珪素および炭素以外の不可避不純物であるNa,Mg,Fe,AlおよびCaが含まれていても何等差し支えないが、機械的特性を維持するという観点からセラミックス体100質量%に対し、これら不可避不純物はその合計が1質量%以下であることが好適である。
また、セラミックス体の熱伝導性や耐熱衝撃性は、第2相3の形状、即ちアスペクト比の影響を受けやすい。図3に示すように、第2相3のアスペクト比とは短軸aに対する短軸aに直交する長軸bに対する比率であり、この比率が小さくなるほど、フォノンの動きが制約されにくくなるため、セラミックス体の熱伝導性、耐熱衝撃性とも向上する。ここで、第2相3の外接円の直径を長軸bとし、長軸bの中点で直交するとともに第2相3の輪郭との交点を結ぶ直線を短軸aとする。
本実施形態のセラミックス体において、第2相3は粒状であり、アスペクト比を0.4以上2.5以下とすることが好適である。これにより、セラミックス体の熱伝導性、耐熱衝撃性ともさらに向上させることができる。
なお、第2相3のアスペクト比は、セラミックス体の断面を研磨して鏡面にし、この鏡面を、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用い、倍率500〜10000倍の画像より求めることができる。あるいは、セラミックス体から厚みが200μm程度の薄い円板状の試料を切り出し、その試料の中心部をディンプルグラインダーで薄くした後、さらにアルゴン(Ar)イオンを用いたイオンミリング法により中心部に孔を開け、その周囲の面を透過型電子顕微鏡を用い、倍率を500〜10000倍にして観察してもよい。
また、上述のように第2相3は、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有して成るが、第2相中の珪素や炭素は、詳細を後述するように、本実施形態のセラミックス体の製造方法において、炭化珪素粉末に炭化硼素粉末等を添加、混合して得られる原料粉末を成形、焼成して得られるものであるため、セラミックス体中では第2相として存在するものである。特に、本実施形態では第2相に含まれる硼素が重要な作用を成し、セラミックス体の機械的特性や熱伝導性に影響を及ぼす。硼素の含有量が低過ぎると、炭化珪素の結晶粒子を十分結合することができないため、機械的特性と熱伝導性が低下する。一方、硼素の含有量が高過ぎると、アスペクト比の高い第2相が析出する結果、フォノンの動きが制約され、熱伝導性が低下する。本実施形態のセラミックス体では、硼素はその含有量をセラミックス体100質量%に対し、0.1質量%以上0.5質量%とすることが好適であり、含有量をこの範囲にすることで、高い機械的特性と熱伝導性を兼ね備えたセラミックス体とすることができる。
硼素の含有量は、蛍光X線分析法やICP(Inductively Coupled Plasma)発光分析法を用いて測定することができる。
また、セラミックス体の熱伝導率は、セラミックス体の熱伝導性および耐熱衝撃性に影響を及ぼし、熱伝導率が高いとセラミックス体の熱伝導性、耐熱衝撃性とも高くなるため、前記飛翔体の衝撃が防護用部材に加えられても、クラックは発生しにくい。
このような観点から、本実施形態のセラミックス体は、その熱伝導率が100W/(m・K)以上であることが好適である。熱伝導率がこの範囲にあると、前記飛翔体の衝撃がセラミックス体に加えられても、クラックは発生しにくい。さらに、熱伝導率が140W/(m・K)以上であることがより好適である。
また、セラミックス体の相対密度は、セラミックス体の機械的特性と熱伝導性に影響を及ぼし、相対密度が高いと、セラミックス体の機械的特性と熱伝導性は高い。
このような観点から、本実施形態のセラミックス体は、その相対密度が95%以上であることが好適で、相対密度がこの範囲にあると、セラミックス体中の閉気孔が少なくなり、熱伝導性はさらに高くなるため、局部的な温度上昇はさらに抑制される。
その結果、セラミックス体の硬度および弾性率の低下が小さくなり、飛翔体に対する貫通抵抗が向上し、また微細なクラックの発生が減少するので飛翔体に対する防護性能を向上させることができる。
さらに、相対密度は98%以上であることがより好適である。相対密度については、理論密度とJIS R 1634−1998に準拠して求められる見掛密度から次式で計算され、セラミックス体は、炭化珪素質焼結体であるので、理論密度を3.21g/cm3として計算すればよい。
相対密度(%)=見掛密度(g/cm)/理論密度(g/cm)×100
また、下記式(1),(2)で規定される熱衝撃抵抗係数R’は、飛翔体に対するセラミックス体の貫通抵抗に影響を及ぼし、熱衝撃抵抗係数R’が高いと、セラミックス体の貫通抵抗は高い。ここで、熱衝撃抵抗係数Rは、加熱後、急冷した場合の耐熱衝撃性の指標となる係数であり、熱衝撃抵抗係数R’は、加熱後、徐冷した場合の耐熱衝撃性の指標となる係数である。
R=S・(1−ν)/(E・α) ・・・(1)
但し S:3点曲げ強度(Pa)
ν:ポアソン比
E:ヤング率(Pa)
α:40〜400℃における熱膨張係数(/K)
R’=R・k ・・・(2)
但し k:熱伝導率(W/(m・K))
本実施形態のセラミックス体は、式(1),(2)で規定される熱衝撃抵抗係数R’が32000W/m以上であることが好適である。熱衝撃抵抗係数R’がこの範囲にあると、耐熱衝撃性が高いため、飛翔体からの衝撃がセラミックス体に加えられても、熱衝撃に起因する微細なクラックの発生は減少する。このため、飛翔体に対する貫通抵抗を高くすることができる。
なお、3点曲げ強度(S)はJIS R 1601−1995、ポアソン比(ν)およびヤング率(E)は、JIS R 1602−1995、40〜400℃における熱膨張係数(α)はJIS R 1618−2002、熱伝導率(k)はJIS R 1611−1997に準拠して測定すればよい。セラミックス体が小さく、各JIS規格で定める試験片の寸法を切り出せない場合、可能な範囲で切り出せる試験片を作製して、前記各物性値を測定してもよい。なお、JIS R 1601−1995に準拠した曲げ試験片は、曲げ試験前に900〜1400℃の大気中で酸化処理を施して、研削傷の影響を緩和してもよい。
また、本実施形態のセラミックス体は、その防護性能は受衝面の形状によって影響を受ける。
本実施形態のセラミックス体は、図4に示すように、受衝面5が凸状曲面であることが好適であり、このような凸状曲面は、飛翔体の飛翔方向とセラミックス体1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、飛翔体はセラミックス体1の受衝面5を滑るようにしながら着弾するので、飛翔体が有する破壊エネルギーは吸収または散逸され、防護性能を高くすることができる。
セラミックス体1の形状は、例えば円柱体としたり、図4に示すように、上面が外方に向かって凸状の曲面に形成された球冠状体としたりする。あるいは図5に示すように、円柱状体の上面および下面のそれぞれが外方に向かって凸状の曲面に形成されていてもよい。これらセラミックス体1のサイズは例えば外径12〜14mm、高さ10〜14mmとする。
このように、上面および下面とこれらの周縁部に沿った側周面とによって囲まれる形状において、上面および下面のうち少なくとも一方が外部に向かって凸状の曲面を有するセラミックス体1は、防護用として好適に用いることができる。上面および下面のうち一方のみが外部に向かって凸状の曲面を有するセラミックス体1の場合、凸状の曲面を有する側の面を受衝面とするとよい。
本実施形態のセラミックス体は、上述したように防護性能が高いことから、セラミックス体の複数を適当な基体上に固定することにより、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および防弾板等の防護体に用いても好適である。
次に、本実施形態のセラミックス体の製造方法を説明する。
先ず、炭化珪素粉末に水,分散剤,炭化硼素粉末およびフェノール樹脂等の焼結助剤を加え、ボールミルで混合,粉砕してスラリー化し、このスラリーにバインダーを添加,混合した後、噴霧乾燥して炭化珪素を主成分とする顆粒を準備する。
セラミックス体に対する硼素の含有量は、添加する炭化硼素粉末の影響を受け、セラミックス体100質量%に対し、硼素の含有量を0.1質量%以上0.5質量%以下とするには、炭化硼素粉末の含有量を炭化珪素粉末に対して、0.12質量%以上0.64質量%以下とすればよい。
得られた顆粒を所定の成形型に充填し、加圧して得られた成形体は必要に応じて、窒素雰囲気中、10〜40時間で昇温し、450〜650℃で2〜10時間保持後、自然冷却して脱脂すればよい。そして、得られた脱脂体を、たとえば、不活性ガスの雰囲気下、温度1800〜2200℃で、1〜10時間保持し焼成することでセラミックス体とすることができる。さらに、温度1800〜2200℃で加圧力を20〜50MPaとして、ホットプレスをしてもよい。特に、第2相3のアスペクト比は、焼成温度の影響を受けやすく、焼成温度を高くすると、その値が大きくなり、焼成温度を低くすると、その値が小さくなる。第2相3のアスペクト比を0.4以上2.5以下とするには、焼成温度を1800〜2100℃とすればよい。
また、セラミックス体の熱伝導率を100W/(m・K)以上とするには、上記脱脂体を不活性ガスの雰囲気下、温度1900〜2200℃で、1〜10時間保持すればよい。
また、セラミックス体の相対密度を95%以上とするには、上記脱脂体を不活性ガスの雰囲気下、温度2000〜2200℃で、1〜10時間保持すればよい。
また、隣り合う第2相3間の距離dは、焼成時間の影響を受けやすく、焼成時間を長くすると、その値が大きくなり、焼成時間を短くすると、その値が小さくなる。隣り合う第2相3間の距離dを3μm以上とするには、焼成時間を4.5〜5時間とすればよい。
なお、不活性ガスについては特に限定されるものではないが、入手や取り扱いが容易であることから、アルゴン(Ar)を用いることが好適である。
上述のような製造方法によれば、熱伝導性や耐熱衝撃性に優れ、防護性能も高いセラミックス体を得ることができる。
次に、防護体の実施形態について説明する。図6A,Bに示すように、上述したセラミックス体1の複数を、例えば基体20を構成する例えばアルミニウム、鋼鉄、チタン等からなるバックプレート11の表面に、ウレタン系接着剤からなる樹脂等の接着部材12を介して配置して防護体とすることができる。
このように、セラミックス体1を外方に向かって凸状の曲面に飛翔体を衝突させることができることから、飛翔体の飛来方向とセラミックス体1の表面の法線との接触角が90°になる確率が大幅に減少することとなる。その結果、飛翔体がセラミックス体1の表面を滑るようにしながら衝突し、衝撃エネルギーが緩和され、セラミックス体1にクラックを生じさせにくくすることができる。したがって、防護体30は銃弾や砲弾等の飛翔体の貫通を十分に抑制できる構造を有し、人体、車両、船舶、航空機、建物を十分に保護することができる。
以下に本実施形態をより具体化した実施例について説明する。
炭化珪素粉末100質量%に対して、炭化硼素粉末0.5質量%、純水およびフェノール水溶液を添加し、ボールミルで混合、粉砕してスラリー化し、このスラリーを噴霧乾燥して炭化珪素を主成分とする顆粒を準備した。フェノール水溶液は、フェノール成分が炭化珪素粉末100質量%に対して、7質量%となるように配合した。
得られた顆粒を所定の金型に充填し、98MPaの加圧力で成形して成形体とした後、この成形体を窒素気流中550℃で3時間保持してフェノールを炭化させ、脱脂体を得た。
得られた脱脂体を、黒鉛製焼成ケースにセットしアルゴン(Ar)雰囲気中で、表1の温度、保持時間に従い焼成し、長さが100mm、幅が100mm、厚みが6mmのセラミックス体を得た。なお、試料No.4は黒鉛製モールド中にセットし、温度を2100℃、加圧力を30MPaとしてホットプレスを行って、緻密化させて得られたセラミックス体である。
ここで、セラミックス体である試料No.1〜5の熱衝撃抵抗係数R’を計算するために、3点曲げ強度(S),ポアソン比(ν),ヤング率(E),40〜400℃における熱膨張係数(α)および熱伝導率(k)を測定した。なお、3点曲げ強度(S)はJIS R 1601−1995、ポアソン比(ν)およびヤング率(E)はJIS R 1602−1995、40〜400℃における熱膨張係数(α)はJIS R 1618−2002、熱伝導率(k)はJIS R 1611−1997にそれぞれ準拠して求めた。
そして、試料No.1〜5を長さが150mm、幅が150mm、厚みが8mmのアルミニウム(ADC12)製プレートにウレタン系接着剤を塗布し、圧力1MPaで加圧しながら70℃で30分間硬化させることにより接着し、防護体の1種である防護板を各試料毎に5個作製した。
得られた防護板のセラミックス体側に対して、15m離れた距離から、秒速840mの速度で飛翔体の1種である弾丸(308WinchesterFMJ)を垂直に衝突させ、この弾丸が防護板を貫通しなかった数(以下、貫通阻止数という。)を計測し、この貫通阻止数が多い方を防護性能が良いと判断した。
Figure 2009016861
表1から分かるように、いずれの防護板も貫通を阻止する能力があることが分かるが、熱衝撃抵抗係数R’が32000W/m以上の試料No.2〜5は貫通阻止数が高く、特に熱衝撃抵抗係数R’が40000W/m以上の試料No.3〜5は全数貫通を阻止していることが分かる。
これらの防護板に使用されたセラミックス体から厚みが200μm程度の薄い円板状の試料を切り出し、その試料の中心部をディンプルグラインダーで薄くした後、さらにアルゴン(Ar)イオンを用いたイオンミリング法により中心部に孔を開け、その周囲の面を透過型電子顕微鏡を用い、倍率を5000倍にして観察した。そして、第1相および第2相を構成する成分を同定したところ、炭化珪素を主成分とする第1相と、硼素、珪素および炭素を含有する第2相とを有してなるとともに、第2相の全体が第1相内に存在しているか、または、炭化珪素を主成分とする第1相と、少なくとも硼素、珪素および炭素を含有する粒状の第2相とを有してなるとともに、第2相は複数の前記第1相間に存在していることが確認された。
また前記第2相は、そのアスペクト比が2.5以下(0を除く)であることが確認された。
また、硼素の含有量をICP(Inductively Coupled Plasma)発光分析法を用いて測定したところ、硼素の含有量が前記セラミックス体100質量%に対し、0.1質量%以上0.5質量%以下であることが確認された。

Claims (9)

  1. 炭化珪素を主成分とする複数の第1相と、該第1相とは異なる組成でかつ少なくとも硼素、珪素および炭素を含有する複数の第2相とを有してなるセラミックス体を備えていることを特徴とする防護用部材。
  2. 前記複数の第2相のうち一部が全体として前記第1相内に存在していることを特徴とする請求項1に記載の防護用部材。
  3. 前記複数の第2相のうち残りの少なくとも一部が複数の前記第1相間に存在していることを特徴とする請求項2に記載の防護用部材。
  4. 前記第2相のアスペクト比が0.4以上2.5以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の防護用部材。
  5. 前記セラミックス体は硼素を0.1質量%以上0.5質量%以下含有していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の防護用部材。
  6. 前記セラミックス体は相対密度が95%以上であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の防護用部材。
  7. 前記セラミックス体は下記式(1),(2)で規定される熱衝撃抵抗係数R’が32000W/m以上であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の防護用部材。
    R=S・(1−ν)/(E・α) ・・・(1)
    但し R:熱衝撃抵抗係数
    S:3点曲げ強度(Pa)
    ν:ポアソン比
    E:ヤング率(Pa)
    α:40〜400℃における熱膨張係数(/K)
    R’=R・k ・・・(2)
    但し k:熱伝導率(W/(m・K))
  8. 受衝面が凸状曲面であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の防護用部材。
  9. 請求項1乃至8のいずれかに記載の防護用部材の1以上を基体上に設けたことを特徴とする防護体。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2666195C1 (ru) * 2017-08-17 2018-09-06 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Бронематериал фронтального слоя бронепанели
RU2781964C1 (ru) * 2022-04-04 2022-10-21 Акционерное общество "Научно-исследовательский центр "Строительство" Многослойная бронезащита

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102770394B (zh) * 2010-02-24 2014-12-31 京瓷株式会社 碳化硅质烧结体及使用其的滑动部件以及防护体
FR2991981A1 (fr) * 2012-06-15 2013-12-20 Saint Gobain Ct Recherches Produit en carbure de silicium pour blindage
US10775137B2 (en) * 2017-05-16 2020-09-15 A. Jacob Ganor Up-armor kit for ballistic helmet
RU189416U1 (ru) * 2017-08-17 2019-05-22 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Бронепанель многослойная
JP6947092B2 (ja) * 2018-03-16 2021-10-13 住友大阪セメント株式会社 スパッタリングターゲットおよびスパッタリングターゲットの製造方法
KR102255465B1 (ko) * 2019-03-20 2021-05-24 국방과학연구소 붕소화지르코늄이 포함된 탄화규소 방탄 세라믹 및 이의 제조방법
CN115468457B (zh) * 2022-10-14 2024-06-07 北京坤飞航天科技有限公司 一种具有异形表面抗侵彻层的抗侵爆结构

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001089255A (ja) * 1999-09-16 2001-04-03 Sgl Technik Gmbh 繊維束で強化された複合材料
JP2002201070A (ja) * 2000-12-27 2002-07-16 Kyocera Corp 炭化珪素質焼結体及びその製造方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3218052A1 (de) * 1982-05-13 1983-11-17 Elektroschmelzwerk Kempten GmbH, 8000 München Polykristalline, praktisch porenfreie sinterkoerper aus (alpha)-siliciumcarbid, borcarbid und freiem kohlenstoff und verfahren zu ihrer herstellung
US5162270A (en) * 1991-08-27 1992-11-10 Third Millennium Technologies, Inc. Structural ceramics incorporating boron carbide whiskers for the strengthening thereof
US5996115A (en) * 1992-08-24 1999-12-07 Ara, Inc. Flexible body armor
US5840221A (en) * 1996-12-02 1998-11-24 Saint-Gobain/Norton Industrial Ceramics Corporation Process for making silicon carbide reinforced silicon carbide composite
WO2000062007A2 (en) * 1999-03-31 2000-10-19 Textron Systems Corporation Composite armor and fabrication method
JP2003519776A (ja) * 1999-12-02 2003-06-24 エイアールエイ・インコーポレーテッド 可撓性の人体防護服
IL149591A (en) * 2002-05-12 2009-09-22 Moshe Ravid Ballistic armor
JP4807553B2 (ja) * 2005-08-10 2011-11-02 株式会社ケィズ・アロー ペレット防護体
US20080146433A1 (en) * 2006-12-18 2008-06-19 Dynamic Defense Materials, Llc Ceramic Material Product and Method of Manufacture

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001089255A (ja) * 1999-09-16 2001-04-03 Sgl Technik Gmbh 繊維束で強化された複合材料
JP2002201070A (ja) * 2000-12-27 2002-07-16 Kyocera Corp 炭化珪素質焼結体及びその製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2666195C1 (ru) * 2017-08-17 2018-09-06 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Бронематериал фронтального слоя бронепанели
RU2781964C1 (ru) * 2022-04-04 2022-10-21 Акционерное общество "Научно-исследовательский центр "Строительство" Многослойная бронезащита

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