KR101934126B1 - 충돌 적용을 위한 샌드위치형 섬유 복합물 - Google Patents

충돌 적용을 위한 샌드위치형 섬유 복합물 Download PDF

Info

Publication number
KR101934126B1
KR101934126B1 KR1020137011054A KR20137011054A KR101934126B1 KR 101934126 B1 KR101934126 B1 KR 101934126B1 KR 1020137011054 A KR1020137011054 A KR 1020137011054A KR 20137011054 A KR20137011054 A KR 20137011054A KR 101934126 B1 KR101934126 B1 KR 101934126B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
outer layer
fiber composite
composite layer
polymeric fiber
Prior art date
Application number
KR1020137011054A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130139956A (ko
Inventor
마크 에스. 윌렌스키
마이클 피. 코자르
Original Assignee
더 보잉 컴파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 더 보잉 컴파니 filed Critical 더 보잉 컴파니
Publication of KR20130139956A publication Critical patent/KR20130139956A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101934126B1 publication Critical patent/KR101934126B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B17/00—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres
    • B32B17/06—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres comprising glass as the main or only constituent of a layer, next to another layer of a specific material
    • B32B17/067—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres comprising glass as the main or only constituent of a layer, next to another layer of a specific material of fibres or filaments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B17/00—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres
    • B32B17/06—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres comprising glass as the main or only constituent of a layer, next to another layer of a specific material
    • B32B17/10—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres comprising glass as the main or only constituent of a layer, next to another layer of a specific material of synthetic resin
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0407—Transparent bullet-proof laminatesinformative reference: layered products essentially comprising glass in general B32B17/06, e.g. B32B17/10009; manufacture or composition of glass, e.g. joining glass to glass C03; permanent multiple-glazing windows, e.g. with spacing therebetween, E06B3/66
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0414—Layered armour containing ceramic material
    • F41H5/0428—Ceramic layers in combination with additional layers made of fibres, fabrics or plastics
    • F41H5/0435—Ceramic layers in combination with additional layers made of fibres, fabrics or plastics the additional layers being only fibre- or fabric-reinforced layers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T156/00—Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
    • Y10T156/10—Methods of surface bonding and/or assembly therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree
    • Y10T428/24983—Hardness

Abstract

본 구조물은 제1 외부 레이어 및 제1 외부 레이어의 일 면 상에 장착된 고분자 섬유 복합 레이어를 포함할 수 있다.

Description

충돌 적용을 위한 샌드위치형 섬유 복합물{SANDWICHED FIBER COMPOSITES FOR BALLISTIC APPLICATIONS}
본 발명은 일반적으로 복합물에 관한 것으로, 더 상세하게는 충돌 성능을 향상시키기 위한 섬유 강화 복합물의 사용에 관한 것이다.
현재 알려져 있는 바와 같이 투명한 장갑 패널들은 유리, 세라믹 또는 유리-세라믹으로 구성된 외부 레이어 또는 충돌면을 포함하는 다양한 재료들로 형성된 적층(laminated) 시트들로 구성될 수 있다. 외부 레이어 또는 충돌면은 충돌물로부터의 충격을 받아들이도록 구성될 수 있다. 장갑 패널들의 충돌 성능을 향상시키기 위하여, 제조자들은 충돌면의 뒷면에 재료들을 추가할 수 있다. 예를 들어, 충돌면의 강도를 증대시키기 위하여, 제조자들은 충돌면을 위한 등판(backing)으로서 기능하도록 충돌면의 뒷면에 유리와 같은 재료로 형성된 고형의(solid) 단일체 시트 또는 레이어를 추가할 수 있다.
불행하게도, 충돌면에 단일체 재료로 형성된 레이어를 추가하는 것은 충돌면의 유리 및 세라믹 재료의 비교적 높은 밀도와 충돌면에 등판으로서 추가되는 단일체 유리 재료의 비교적 높은 밀도로 인하여 비교적 무거운 장갑 패널을 야기할 수 있다. 또한, 단일체 재료의 충돌면에의 추가는 장갑 패널의 충돌 성능에서 비교적 작은 향상들을 제공할 수 있을 뿐이다.
또한, 제조자들은 장갑 패널의 충돌 성능을 향상시키도록 세라믹 충돌면의 뒷면에 고형의 단일체 폴리카보네이트(polycarbonate) 재료로 형성된 하나 이상의 레이어들을 추가할 수도 있다. 불행하게도, 폴리카보네이트 재료는 충돌면의 변형에 대하여 아주 작은 저항력을 제공한다. 또한, 충돌면에 폴리카보네이트 등판을 추가하는 것은 장갑 패널의 효과적인 충돌 성능을 제공하도록 요구될 수 있는 세라믹 충돌면의 비교적 큰 두께로 인하여 비교적 무거운 장갑 패널을 야기할 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 향상된 충돌 성능을 최소의 무게를 가지고 제공하는 장갑 패널과 같은 구조물에 대한 당해 기술분야에서의 필요성이 존재한다.
상기에서 설명된 장갑 패널들과 관련된 필요성들은 제1 외부 레이어 및 하나 이상의 고분자 섬유 복합 레이어들을 포함한 구조물을 제공하는 본 발명에 의해 명확하게 해결되고 경감된다. 제1 외부 레이어는 충돌면으로서 기능할 수 있고 세라믹 및/또는 유리 재료로 형성될 수 있다. 하나 이상의 고분자 섬유 복합 레이어들이 제1 외부 레이어의 일 면 상에 장착될 수 있고 제1 외부 레이어의 강성보다 작은 강성을 가질 수 있다.
또한, 세라믹 및/또는 유리 재료로 구성된 제1 외부 레이어 및 제1 외부 레이어에 장착된 샌드위치형 보강 구조물을 포함할 수 있는 투명한 장갑 패널이 개시되어 있다. 보강 구조물은 고분자 섬유 복합 레이어에 의해 분리된 중간 레이어와 제2 외부 레이어를 포함할 수 있다. 중간 레이어는 제1 외부 레이어에 장착될 수 있다. 고분자 섬유 복합 레이어는 중간 레이어에 장착될 수 있고 매트릭스 내부에 끼워넣어진 복수의 고분자 섬유들을 포함할 수 있다. 제2 외부 레이어는 중간 레이어의 반대쪽에 있는 고분자 섬유 복합 레이어의 면 상에 장착될 수 있다. 중간 레이어 및 제2 외부 레이어는 각각 고분자 섬유 복합 레이어의 두께보다 더 작은 두께를 가질 수 있다. 또한, 중간 레이어 및 제2 외부 레이어는 각각 고분자 섬유 복합 레이어보다 더 높은 강성을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 외부 레이어, 중간 레이어, 고분자 섬유 복합 레이어 및 제2 외부 레이어는 각각 실질적으로 광학상 투명할 수 있다.
또한, 제1 외부 레이어를 세라믹 및/또는 유리 재료로 형성하는 단계 및 고분자 섬유 복합 레이어를 매트릭스 내부에 끼워넣어진 복수의 섬유들로 형성하는 단계를 포함할 수 있는 구조물을 제작하는 방법이 개시되어 있다. 고분자 섬유 복합 레이어는 제1 외부 레이어의 강성보다 작은 강성을 갖도록 제공될 수 있다. 본 방법은 고분자 섬유 복합 레이어를 제1 외부 레이어에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 투명한 장갑 패널을 제작하는 방법이 개시되어 있다. 본 방법은 제1 외부 레이어를 실질적으로 광학상 투명한 세라믹 및/또는 유리 재료로 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 제1 외부 레이어에 장착될 수 있는 실질적으로 광학상 투명한 보강 구조물을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 보강 구조물은 고분자 섬유 복합 레이어를 매트릭스 내부에 끼워넣어진 복수의 고분자 섬유들로 형성함에 따라 제작될 수 있다. 중간 레이어는 유리 레이어들로 형성될 수 있고 또는 중간 레이어는 높은 강성의 복합 레이어로 형성될 수 있다. 본 방법은 제2 외부 레이어를 하나 이상의 유리 레이어들로 형성하는 단계 또는 제2 외부 레이어를 높은 강성의 복합 레이어로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 중간 레이어와 제2 외부 레이어는 각각 고분자 섬유 복합 레이어의 강성보다 더 큰 강성을 가질 수 있다. 본 방법은 샌드위치형 보강 구조물을 형성토록 고분자 섬유 복합 레이어의 양쪽 면들 상에 중간 레이어와 제2 외부 레이어를 장착하는 단계를 포함할 수 있다. 보강 구조물은 중간 레이어와 제1 외부 레이어 사이의 계면(interface)에서 제1 외부 레이어에 장착될 수 있다.
설명된 특징들, 기능들 및 이점들은 본 명세서의 다양한 실시예들에서 독립적으로 얻어질 수 있거나 다른 실시예들에서 조합될 수 있는 것으로, 이의 구체적인 내용은 다음의 상세한 설명과 아래의 도면들을 참조함에 따라 알 수 있다.
본 발명에 따른 충돌 적용을 위한 샌드위치형 섬유 복합물에 의하면, 향상된 충돌 성능을 최소의 무게로 제공하는 장갑 패널과 같은 구조물을 제공할 수 있다.
본 발명의 이러한 특징들 및 다른 특징들은 다음 도면들을 참조함에 따라 더 명백해질 것으로, 이때 동일한 도면부호는 전체에 걸쳐 동일한 부품을 나타낸다:
도 1은 세라믹 및/또는 유리의 제1 외부 레이어 및 유리의 제2 외부 레이어와 제1 및 제2 외부 레이어들 사이에 위치되되 고분자 섬유 복합 레이어를 포함하는 코어를 포함하는 일 실시예에서의 실질적으로 광학상 투명한 구조물 또는 장갑 패널을 나타내는 사시도이고;
도 2는 도 1의 라인(2)을 따라 취해진 도 1의 구조물을 도시한 개략적인 측면도로서, 제1 및 제2 외부 레이어들 사이에 배치된 고분자 섬유 복합 레이어를 포함하되 제2 외부 레이어는 높은 강성의 복합 레이어로 구성된 구조물의 일 실시예를 나타내며;
도 3은 제2 외부 레이어가 하나 이상의 단일체 유리 레이어들로 구성된 일 실시예에서의 도 1의 구조물을 나타내는 개략적인 측면도이고;
도 4는 제1 및 제2 외부 레이어들 사이에 배치된 고분자 섬유 복합 레이어를 나타내는 도 1의 구조물의 분해 사시도이며;
도 5는 도 4의 구조물의 고분자 섬유 복합 레이어를 도시한 분해 사시도로서, 크로스-플라이 구성으로 배열된 섬유들의 레이어들을 나타내고;
도 6은 도 4의 고분자 섬유 복합 레이어의 일부분을 나타내는 확대 사시도이며;
도 7은 도 6의 라인(7)을 따라 취해진 고분자 섬유 복합 레이어를 도시한 확대 단면도로서, 일 실시예서의 섬유들의 단면을 나타내고;
도 8은 고분자 섬유 복합 레이어가 제2 외부 레이어와 중간 레이어 사이에 샌드위치되어 보강 구조물을 형성한 것을 나타내는 일 실시예에서의 구조물의 개략적인 측면도이며;
도 9는 고분자 섬유 복합 레이어가 제2 외부 레이어와 중간 레이어 사이에 샌드위치되어 제1 외부 레이어에 장착되는 보강 구조물을 형성하는 것을 나타내는 도 8의 구조물의 분해 사시도이고; 그리고
도 10은 구조물을 제작하기 위한 방법의 일 실시예에 포함될 수 있는 하나 이상의 작업들을 나타내는 순서도이다.
이제, 본 명세서의 바람직하고 다양한 실시예들을 나타내기 위한 도면들을 참조하면, 도 1에 실질적으로 광학상 투명한 장갑 패널(armor panel)(12)로서 구성될 수 있는 구조물(10)이 도시되어 있다. 구조물(10)은 일반적으로 평평한 구성을 가진 패널로서 도시되어 있다. 한편, 구조물(10)은 많은 다양한 다른 크기들, 형태들 및 구성들로 제공될 수 있는 것으로 평평한 표면들을 가진 실질적으로 평평한 패널로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 복합 물품은 혼합된 굽은 표면들 및/또는 평평한 표면들을 포함할 수 있다.
구조물(10)은 세라믹 및/또는 유리 재료로 구성될 수 있고 구조물(14)의 충돌면(strike face)(14)을 구성할 수 있는 제1 외부 레이어(22)를 포함할 수 있다. 제1 외부 레이어(22)는 도 1에 도시된 실시예에서 고분자 섬유 복합 레이어(30)가 등을 대고 위치될(backed) 수 있다. 이러한 점에서, 본 발명은 어떠한 복합 레이어들에서의 사용을 위해 유기 섬유들을 고려하고, 이때 유기 섬유들은 고분자 섬유들을 포함할 수 있다. 구조물(10)은 제1 외부 레이어(22) 반대쪽의 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 면 상에 장착될 수 있고 구조물(10)의 후면(back face)(16)을 구성할 수 있는 제2 외부 레이어(24)를 더 포함할 수 있다. 한편, 제1 외부 레이어(22)는 제1 및 제2 외부 레이어들(22, 24) 사이에서 다른 배열들의 레이어들이 등을 대고 위치될 수도 있다.
예를 들어, 구조물(10)은 도 8에 도시된 바와 같이 보강(stiffening) 구조물(20)이 등을 대고 위치된 제1 외부 레이어(22)를 포함할 수 있고, 이때 보강 구조물(20)은 고분자 섬유 복합 레이어(30)에 의해 분리된 중간(intermediate) 레이어(26) 및 제2 외부 레이어(24)를 포함할 수 있다. 또한, 구조물(10)은 제1 외부 레이어(22)에 장착되는 번갈아 배치된 중간 레이어들(26)과 고분자 섬유 복합 레이어들(30)을 가진 제1 외부 레이어(22)를 포함할 수 있고, 이때 제2 외부 레이어(24)는 아래에서 설명되는 바와 같이 구조물(10)의 후면(16)에 장착될 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 제1 외부 레이어(22)는 바람직하게는 비교적 높은 경도(hardness)를 가진 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 외부 레이어(22)는 세라믹 및/또는 유리로 형성된 단일체(monolithic) 레이어로서 제공될 수 있는 세라믹 및/또는 유리로 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 외부 레이어(22)는 세라믹, 유리 또는 ROBAXTM 유리-세라믹 재료와 같은 세라믹과 유리의 조합물로 형성될 수 있다. 한편, 제1 외부 레이어(22)는 바람직하게는 강성의 그리고 바람직하게는 비교적 높은 경도를 가진 다양한 다른 재료들로 형성될 수도 있다. 제1 외부 레이어(22)는 충돌 적용들(ballistic applications)을 위한 충돌면(14)으로 기능하도록 구성될 수 있는 것으로, 즉 제1 외부 레이어(22)는 충돌물(projectile)에 의해 충격을 받도록 구성된다.
또한, 도 1을 참조하면, 제2 외부 레이어(24)는 매트릭스(54)(도 4 참조)에 끼워넣어질(embedded) 수 있는 복수의 유리 섬유들(56)(도 4 참조)을 포함하는 높은 강성의 복합 레이어(32)로 형성될 수 있다. 또는, 제2 외부 레이어(24)는 하나 이상의 유리 레이어들(28) 또는 시트들(sheets)로 구성될 수도 있다. 각각의 유리 레이어(28)는 유리로 형성된 단일체 시트로 형성될 수 있고 고분자 섬유 복합 레이어(30)에 장착될 수 있다. 또한, 제2 외부 레이어(24)는 유리 섬유들(56)로 적어도 부분적으로 구성된 높은 강성의 복합 레이어(32)로 형성될 수도 있는데, 이때 유리 섬유들은 극히 높은 밀도의 폴리에틸렌과 같은 높은 강도(strength) 및/또는 높은 강성(stiffness)의 고분자 재료로 형성되고 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 매트릭스(54) 내부에 끼워넣어질 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 구조물(10)은 제2 외부 레이어(24)와 제1 외부 레이어(22) 사이에 샌드위치될 수 있는 고분자 섬유 복합 레이어(30)를 포함할 수 있다. 고분자 섬유 복합 레이어(30)는 매트릭스(54)(도 4 참조)에 적어도 부분적으로 끼워넣어질 수 있는 복수의 고분자 섬유들(56)(도 4 참조)로 형성될 수 있다. 제2 외부 레이어(24)는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 가질 수 있다. 마찬가지로, 제1 외부 레이어(22)도 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 가질 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 제1 외부 레이어(22), 고분자 섬유 복합 레이어(30), 및 제2 외부 레이어(24)를 집합적으로 조합한 것(combination)은 제1 외부 레이어(22)의 전체적인 강성을 증가시키고 구조물(10)의 충돌 성능을 향상시키는 보강 구조물(20)을 형성한다. 고분자 섬유 복합 레이어(30)는 샌드위치형 보강 구조물(20)에 위한 코어 재료로서의 역할을 한다. 더 구체적으로는, 고분자 섬유 복합 레이어(30) 코어는 샌드위치형 보강 구조물(20)의 면 시트들을 이격시키기 위해 스페이서(spacer)로서의 역할을 하는 것으로, 이때 면 시트들은 제1 외부 레이어(22)와 제2 외부 레이어(24)를 포함한다.
고분자 섬유 복합 레이어(30)의 고분자 섬유들(56)(도 4 참조)은 폴리머 섬유들(56)의 파손(failure) 전에 높은 변형 또는 높은 변형율(strains)을 견디도록 구성되어, 충돌물이 고분자 섬유 복합 레이어(30)(도 2 및 3 참조)를 통하여 비교적 긴 시간 기간에 걸쳐서 그리고 비교적 긴 이동 거리를 따라 감속될 수 있다. 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 변형에 대한 증가된 시간 기간 또는 지속의 순효과(net effect)는 충돌물이 구조물(10)을 관통하기 전에 감속되고 진행이 저지되는 것을 가능케 하도록 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 섬유들(56)에 의해 흡수될 수 있는 충돌물의 운동 에너지 양에서의 증가이다.
또한, 도 1을 참조하면, 제1 외부 레이어(22)는 보강 구조물(20)로 인해 제1 외부 레이어(22)가 홀로 기능한 때보다 상대적으로 더 높은 강성을 본질적으로 갖는다. 고분자 섬유 복합 레이어(30)는 제1 및 제2 외부 레이어들(22, 24)을 서로로부터 이격시켜 구조물(10)의 굽힘 강성(bending stiffness)을 증가시킨다. 이러한 점에서, 고분자 섬유 복합 레이어(30)는 샌드위치형 보강 구조물(20)의 코어로서 기능하고 제1 외부 레이어(22)와 제2 외부 레이어(24) 사이에 전달되는 전단력(shear forces)에 저항하여 이에 따라 굽힘에 대한 제1 외부 레이어(22)의 저항력을 향상시킨다.
특히, 제1 외부 레이어(22) 및 제2 외부 레이어(24) 각각은 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 강성보다 더 높은 강성을 가질 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 제2 외부 레이어(24)는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 얇은 단면을 가질 수 있다. 이러한 점에서, 제2 외부 레이어(24)의 두께 및 강성은 제1 외부 레이어(22)의 파손시 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 요망되는 파손 모드를 제공하도록 조정되거나 맞추어질 수 있다. 구체적으로, 일 실시예에서, 구조물(10)은, 충돌물이 고분자 섬유 복합 레이어(30)를 관통하는 때에 섬유에 의해 흡수될 수 있는 충돌물의 운동 에너지의 양을 최대화하기 위하여, 고분자 섬유 복합 레이어(30)가 섬유 파손(즉, 섬유 파괴(breakage)) 전에 비교적 높은 변형율로 변형되는 것을 가능케 하는 방식으로 제2 외부 레이어(24)가 파손되도록, 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1의 구조물(10)의 측면도가 도시된 것으로 제1 외부 레이어(22), 고분자 섬유 복합 레이어(30) 및 제2 외부 레이어(24)의 배열을 나타낸다. 상기에서 지적된 바와 같이, 제1 외부 레이어(22)는 바람직하게는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 갖는다. 제1 외부 레이어(22)의 강성은 바람직하게는 비교적 높게 형성되어 초기의 충돌 하중 동안 충돌물의 체류 시간(dwell time)을 증가시킨다. 또한, 제1 외부 레이어(22)의 높은 국부적인 경도는 초기 충돌의 체류 시간을 증가시킬 수 있는 것으로, 그 동안 충돌물의 최전방 부분은 변형될 수 있는 한편 충돌물의 나머지 부분은 계속하여 이동하여 충돌물의 단면적의 확대(enlargement) 또는 급격한 증가(mushrooming)를 야기한다.
이러한 점에서, 제1 외부 레이어(22)의 국부적인 경도는 고분자 섬유 복합 레이어(30)에 경화된 상태의 비교적 높은 경도의 매트릭스(54)(도 4 참조)를 제공함에 따라 증가될 수 있다. 제1 외부 레이어(22)의 국부적인 경도를 높임에 따라, 충돌물의 최전방 부분의 단면적의 변형 및/또는 확대가 증가되거나 커질 수 있다. 충돌물 단면적의 확대는 충돌물의 초기 충돌 하중에 반응하는 데에 관여될 수 있는 제1 외부 레이어(22)의 면적의 양을 증가시킬 수 있다. 또한, 충돌물 단면적의 확대는 제1 외부 레이어(22)의 파손시 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 더 큰 부분의 관여를 용이하게 할 수 있다. 충돌 사고 동안 고분자 섬유 복합 레이어(30)에 있는 섬유들(56)(도 4 참조) 중 더 많은 부분을 관여시킴에 따라, 충돌물이 더 효과적으로 감속될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 고분자 섬유 복합 레이어(30)(도 9 참조)의 배열과 유사하게 매트릭스(54)(도 9 참조) 내부에 끼워넣어진 섬유들(56)(도 9 참조)을 가진 높은 강성의 복합 레이어(32)로 도시된 제2 외부 레이어(24)가 나타내져 있다. 한편, 상기에서 지적된 바와 같이, 제2 외부 레이어(24)의 높은 강성의 복합 레이어(32) 실시예는 바람직하게는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 갖는다. 마찬가지로, 도 3의 실시예에서, 제2 외부 레이어(24)의 유리 레이어(28) 실시예는 바람직하게는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 갖는다. 제2 외부 레이어(24)의 유리 레이어(28) 실시예는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 가진 유리를 적어도 부분적으로 포함할 수 있는 재료로 형성된 하나 이상의 시트들 또는 레이어들을 포함할 수 있다.
제2 외부 레이어(24)는 제1 외부 레이어(22) 및 고분자 섬유 복합 레이어(30)와 협력하여 충돌 영향에 대해 제1 외부 레이어(22)의 초기 강성의 응답을 제공한다. 바람직하게도, 샌드위치형 구성들은 일반적으로 단일체 재료들보다 단위 질량 당 더 강성이어서, 제1 및 제2 외부 레이어들(22, 24)과 고분자 섬유 복합 레이어(30)로 집합적으로 형성된 보강 구조물(20)은 단일체 두께의 제2 외부 레이어(24)로 달성가능한 것보다 더 높은 특정의 강성(즉, 구조물의 밀도에 의해 나누어진 구조물(10)의 강성)을 야기한다. 도 2에 도시된 샌드위치형 구성에 의해 제공되는 다른 이점은 구조물(10)의 특정 밀도가 단일체 구성의 구조물(10)의 특정 밀도보다 더 낮다는 것이다. 예를 들어, 어떠한 종래기술에 따란 장갑 패널들(12)은 고분자 섬유(56)(도 4 참조) 복합 구성들에 비하여 상대적으로 높은 밀도로 일반적으로 형성된 단일체 두께의 유리들 또는 세라믹들로 구성된다. 반면, 여기에 개시되어 있는 구조물(10)은 향상된 충돌 성능을 감소된 무게에 제공한다.
도 4를 참조하면, 도 1 내지 3에 도시된 구조물(10)의 실시예에 대한 분해 사시도가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 외부 레이어들(22, 24)과 고분자 섬유 복합 레이어(30)는 제1 외부 레이어(22)의 전체적인(global) 강성을 향상시키는 보강 구조물(20)을 집합적으로 형성한다. 고분자 섬유 복합 레이어(30)는 매트릭스(54) 재료의 내부에 끼워넣어진 복수의 섬유들(56)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 제2 외부 레이어(24)는 일반적인 형태로 도시되어 있고 높은 강성의 복합 레이어(32) 또는 상기에서 지적된 바와 같은 유리 단일체 레이어나 조합된 레이어들(70)(도 5 참조)로 구성될 수 있다. 제2 외부 레이어(24)의 높은 강성의 복합 레이어(32) 실시예는 매트릭스(54) 내부에 끼워넣어진 복수의 섬유들(56)을 포함하는 복합 레이어 조립체(50)로 구성될 수 있다. 마찬가지로, 고분자 섬유 복합 레이어(30)는 복합 레이어 조립체(50)로 구성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 스트립들(strips)로 형성될 수 있고 매트릭스(54) 내부에서 하나 이상의 레이어들(70)로 배열될 수 있는 복수의 섬유들(56)을 나타내는 복합 레이어 조립체(50)의 분해도가 도시되어 있다. 섬유들(56)이 주어진 레이어(70) 내부에서 서로에 대하여 어떠한 방향으로도 향할 수 있음에도 불구하고, 각각의 레이어(70)에 있는 섬유들(56)은 서로에 대하여 실질적으로 평행한 것으로 도시되어 있다. 또한, 도 5는 섬유들(56)이 인접한 레이어들(70)에 있는 섬유들(56)의 방향에 대하여 수직한 방향을 향하는 것을 도시하고 있는 것으로, 즉 도 5의 복합 레이어 조립체(50)는 크로스-플라이(cross-ply) 구성의 레이어들(70)을 나타낸다. 한편, 주어진 레이어(70)의 섬유들(56)은 인접한 레이어들(70)의 섬유들(56)에 대하여 어떠한 각도를 가지도록 방향이 형성될 수도 있다. 예를 들어, 일 레이어(70)의 섬유들(56)은 인접한 레이어들(70)의 섬유들(56)에 평행하게 또는 인접한 레이어들(70)의 섬유들(56)에 대하여 어떠한 수직하지 않은 각도(예를 들어, 15°, 22.5°, 45°, 60°, 75° 등)를 가지도록 방향이 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 4의 복합 레이어 조립체(50)에 대한 확대 사시도가 도시되어 있는데, 이는 다른 레이어들(70)의 섬유들(56)의 상대적인 방향들을 나타낸다. 도 6의 복합 레이어 조립체(50)에 3개의 레이어들(70)이 있는 것으로 도시되어 있지만, 어떠한 수의 레이어들(70)이 제공될 수 있다. 섬유들(56)은 섬유 축(68)을 따라 레이어(70)의 내부에서 주어진 방향으로 길게 연장형성될 수 있다. 복합 레이어 조립체(50)는 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 제2 외부 레이어(24) 및 제1 외부 레이어(22)와 밀착하는(faying) 접촉 상태에 있도록 배치될 수 있는 조립체 표면들(52)을 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 6의 라인(7)을 따라 취해진 복합 레이어 조립체(50)의 실시예에 대한 단면도가 도시된 것으로, 이는 레이어들(70)에서의 섬유들(56)의 배열을 나타낸다. 상기에서 지적된 바와 같이, 복합 레이어 조립체(50)는 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 배열을 나타낼 수 있다. 또한, 복합 레이어 조립체(50)는 제2 외부 레이어(24)가 높은 강성의 복합 레이어(32) 구성으로 구성된 때에 제2 외부 레이어(24)의 섬유들(56)의 배열을 나타낼 수 있다. 복합 레이어 조립체(50)의 섬유들(56)은 바람직하게는 빛이 곡면을 통과하는 때에 일어날 수 있는 빛의 휨 또는 굴절을 최소화하기 위하여 비교적 납작하거나 실질적으로 평평한 섬유(56) 면들을 가진 길쭉한 단면 형태를 갖는다.
또한, 도 7을 참조하면, 섬유들(56)의 일반적으로 길쭉한 단면 형태는 바람직하게는 섬유 두께(64)에 대한 섬유 폭(66)의 비율로서 정의될 수 있는 비교적 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는다. 일 실시예에서, 섬유(56) 단면이 어떠한 값의 종횡비를 가질 수 있음에도 불구하고 종횡비가 약 3에서 약 500까지 다양할 수 있다. 일 실시예에서, 섬유 두께(64)는 약 5미크론에서 약 5,000미크론까지(0.0002에서 0.20인치까지)의 범위에서 제공될 수 있다. 한편, 섬유(56)는 제한없이 어떠한 섬유 두께(64)로 제공될 수도 있다. 또한, 섬유들(56)이 일반적으로 길쭉한 단면 형태를 가진 것으로 도시되어 있지만, 섬유들(56)은 다양한 다른 단면 형태들 중 어느 하나로 제공될 수도 있다. 예를 들어, 섬유들(56)은 정사각형, 삼각형 또는 다른 단면 형태들로 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 섬유들(56)은 바람직하게는 복합 레이어 조립체(50)의 조립체 표면들(52)에 대하여 실질적으로 평행하도록 방향이 형성될 수 있는 실질적으로 평평한 섬유(56) 면들을 포함할 수 있다. 한편, 섬유들(56)은 섬유(56) 면들이 조립체 표면들(52)에 대하여 평행하지 않은 방향들을 포함하여 어떠한 방향으로도 배열되도록 매트릭스(54)의 내부에 끼워넣어질 수 있다. 실질적으로 평평한 것으로 도시되어 있지만, 섬유들(56)의 섬유(56) 면들은 약간 곡면으로 형성될 수 있는 것으로 약간 오목하거나, 약간 볼록하거나 왕관형(crowned)으로 형성된 표면들을 포함할 수 있고 반드시 엄격하게 실질적으로 평평하거나 납작한 프로파일로 제한되는 것은 아니다. 또한, 섬유(56) 면들은 예를 들어 섬유들(56)의 상면(58)과 하면(60) 상에서 하나 이상의 표면 형상부들(features)(미도시)을 포함할 수 있다. 서로 접촉하지 않은 관계로 배치된 것으로 도시되어 있지만, 섬유들(56)은 예를 들어 섬유들(56)의 측면 에지들(62)을 따라 서로 접촉하는 관계로 배치될 수 있다. 또한, 섬유들(56)의 상면(58) 및 하면(60)은 인접한 레이어들(70)에 있는 섬유들(56)의 상면(58) 및 하면(60)과 접촉하도록 배치될 수도 있다.
매트릭스(54)와 섬유들(56)은 다양한 재료들 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 고분자 섬유 복합 레이어(30)(도 1 내지 3 참조), 매트릭스(54)(도 5 내지 7 참조) 및 고분자 섬유들(56)(도 4 및 9 참조)은 아크릴, 탄화플루오르(fluorocarbons), 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에텔에텔케톤(polyetheretherketone), 폴리에텔케톤케톤(polyetherketoneketone) 및 폴리에터이미드(polyetherimides)와 같은 열가소성 재료들 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 또한, 매트릭스(54) 및/또는 고분자 섬유들(56)은 폴리우레탄, 페놀(phenolics), 폴리이미드, 비스말레이미드(bismaleimides), 폴리에스테르, 에폭시 및 실세스퀴옥산(silsesquioxanes)과 같은 것들 중 적어도 하나를 포함하는 열경화성 재료들로 형성될 수 있다. 또한, 섬유들(56) 및/또는 매트릭스(54)는 탄소, 탄화규소 및 붕소를 포함하는 무기 재료로 형성될 수 있되, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 섬유들(56) 및/또는 매트릭스(54)는 E-유리(붕규산 알루미늄(alumino-borosilicate) 유리), S-유리(규산 알루미늄 유리), 순수한(pure) 이산화규소, 붕규산염 유리 및/또는 광학 유리를 포함하는 유리로 형성될 수 있다. 제2 외부 레이어(24)의 높은 강성의 복합 레이어(32) 실시예의 경우, 섬유들(56)은 유리 섬유들(56)로 구성될 수 있다. 한편, 높은 강성의 복합 레이어(32)의 섬유들(56)은 높은 강도 및/또는 높은 강성의 고분자 재료, 예를 들어 SPECTRATM 또는 DYNEEMATM 상표의 높은 밀도의 폴리에틸렌들과 같은 극히 높은 밀도의 폴리에틸렌으로 구성될 수 있다. 높은 강성의 복합 레이어(32)는 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 강성에 대하여 높은 강성을 제2 외부 레이어(24)에 제공하는 대안적인 구성들에서 비교적 높은 강도 및/또는 높은 강성의 섬유들(56)을 포함할 수 있다.
도 8 및 9를 참조하면, 구조물(10)의 일 실시예가 도시되어 있는데, 이때 보강 구조물(20)은 고분자 섬유 복합 레이어(30)에 의해 분리된 중간 레이어(26)와 제2 외부 레이어(24)를 포함한다. 보강 구조물(20)은 제1 외부 레이어(22)에 장착되어 제1 외부 레이어(22)에 높은 전체적인 강성을 제공한다. 중간 레이어(26)는 제1 외부 레이어(22)와 고분자 섬유 복합 레이어(30) 사이에 배치된다. 중간 레이어(26)는 바람직하게는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 갖는다. 마찬가지로, 제2 외부 레이어(24)는 바람직하게는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 갖는다.
중간 레이어(26)(도 8 및 9 참조)는 제2 외부 레이어(24)에 대해 위에서 설명된 실시예들과 유사하게 구성될 수 있되, 중간 레이어(26)는 단일체 구성으로 형성될 수 있는 높은 강성의 복합 레이어(32)(도 8 및 9 참조) 또는 유리 레이어(28)(도 8 참조)로 구성될 수 있다. 또는, 중간 레이어(26)는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 개별적으로 또는 집합적으로 가질 수 있는 단일체 유리로 형성된 복수의 시트들을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제1 외부 레이어(22) 및 제2 외부 레이어(24)는 바람직하게는 상기한 바와 같이 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 갖는다.
도 9를 참조하면, 도 8의 구조물(10) 구성에 대한 분해 사시도가 도시된 것으로, 이는 높은 강성의 복합 레이어(32)로 구성된 제2 외부 레이어(24) 및 중간 레이어(26)를 나타낸다. 위에서 설명된 바와 같이, 높은 강성의 복합 레이어(32)는 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 구성과 유사하게 매트릭스(54)의 내부에 끼워넣어진 복수의 섬유들(56)을 포함할 수 있되, 높은 강성의 복합 레이어(32)는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 갖도록 구성된다. 도 8 및 9에서도 볼 수 있는 바와 같이, 중간 레이어(26) 및 제2 외부 레이어(24)는 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 두께에 비하여 감소된 두께를 가질 수 있다. 구조물(10)의 구성들 중 어느 하나는 제2 외부 레이어(24)의 노출된 면에 장착된 스폴(spall) 레이어(34)를 포함할 수 있다. 스폴 레이어(34)는 비교적 얇은 단면으로 제공될 수 있고 충돌 사고 동안에 충돌물 또는 구조물(10)의 파편들을 포획하도록 구성될 수 있다.
도 8 및 9는 단일의 중간 레이어(26) 및 고분자 섬유 복합 레이어(30)를 가진 실시예에서 구조물(10)을 나타내지만, 구조물(10)은 복수의 번갈아 배치된 중간 레이어들(26) 및 고분자 섬유 복합 레이어들(30)을 포함할 수 있다. 이러한 점에서, 구조물(10)은 일련의 레이어들(70)(도 6 참조)을 포함할 수 있는데, 이때 일련의 레이어들은 제1 외부 레이어(22)로 시작하고 반복되는 일련의 번갈아 배치된 중간 레이어들(26)과 고분자 섬유 복합 레이어들(30)을 어떠한 양으로 포함하되, 반복되는 일련의 번갈아 배치된 중간 레이어들(26)과 고분자 섬유 복합 레이어들(30)은 선택적으로 구조물(10)의 후면(16)에서 제2 외부 레이어(24)로 끝난다.
또한, 번갈아 배치된 일련의 것에서 중간 레이어들(26)(도 9 참조) 중 어느 하나는 서로 등을 맞대는 배열로 배치된 복수의 중간 레이어들(26)로 구성될 수 있되, 각각의 중간 레이어(26)는 다른 중간 레이어들(26)의 기계적인 속성들에 대하여 상이한 강성들과 같이 다른 기계적인 속성들을 갖는다. 마찬가지로, 번갈아 배치된 고분자 섬유 복합 레이어들(30) 중 어느 하나는 다른 고분자 섬유 복합 레이어들(30)의 기계적인 속성들에 대하여 다른 속성들을 가질 수 있는 복수의 고분자 섬유 복합 레이어들(30)을 포함할 수 있다. 이러한 점에서, 번갈아 배치된 중간 레이어들(26)과 고분자 섬유 복합 레이어들(30)을 포함하는 구조물들(10)의 경우, 각각의 중간 레이어(26)의 속성들은 구조물(10)의 바람직한 파손 모드를 제공토록 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 강성, 강도 및 파손 변형율을 포함하되 이에 한정되지 않는 속성들이 구조물(10)의 바람직한 파손 모드를 달성토록 중간 레이어들(26) 사이에서 다양하게 형성될 수 있다. 이러한 점에서, 본 발명의 내용에서 강도 및 변형율과 같은 속성들은 역학적 속성들 및/또는 준정적(quasi-static) 속성들에 관한 것임을 주의해야 한다. 또한, 속성들은 구조물(10)의 바람직한 파손 모드를 달성토록 고분자 섬유 복합 레이어들(30) 사이에서 다양하게 형성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 번갈아 배치된 일련의 중간 레이어들(26)과 고분자 섬유 복합 레이어들(30) 중에서 하나 이상의 중간 레이어들(26)은 단일체 유리 및/또는 높은 강성의 복합 레이어(32)로 구성될 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 구조물(10)은 구조물(10)이 후면(16)(도 9 참조)에 인접한 구조물(10)의 강성에 대하여 충돌면(14)(도 9 참조)에 인접하여 상대적으로 높은 강성을 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 구조물(10)은 강성이 충돌면(14)으로부터 후면(16)으로의 방향을 따라 점차적으로 감소되도록 구성될 수 있다. 보강 구조물(20)(도 9 참조)이 후면(16)에서 제2 외부 레이어(24)로 끝나는 일련의 번갈아 배치된 중간 레이어들(26)과 고분자 섬유 복합 레이어들(30)을 포함하는 구조물(10)의 일 실시예에서, 충돌면(14)에 인접하여 위치된 중간 레이어들(26)의 강성은 후면(16)에 인접하여 위치된 중간 레이어들(26)의 강성보다 더 높게 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 충돌면(14)에 인접하여 위치된 고분자 섬유 복합 레이어(30)는 고분자 섬유 복합 레이어(30)에 높은 정도의 강성을 제공토록 SPECTRATM 또는 DYNEEMATM 상표의 높은 밀도의 폴리에틸렌들과 같은 극히 높은 밀도의 폴리에틸렌으로 구성된 섬유들(56)을 포함할 수 있다. 반면, 후면(16)에 인접하여 위치된 고분자 섬유 복합 레이어(30)는 나일론 또는 충돌면(14)에 인접하여 위치된 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 섬유들(56)보다 더 낮은 강도 및/또는 강성을 가진 다른 섬유 재료로 구성된 섬유들(56)을 포함할 수 있다. 이러한 점에서, 중간 레이어들(26)과 고분자 섬유 복합 레이어들(30)은 구조물(10)의 중간 레이어들(26)과 고분자 섬유 복합 레이어들(30)의 위치에 따라 요망되는 정도의 강성을 제공토록 어떠한 조합의 섬유(56) 재료와 매트릭스(54) 재료를 포함할 수 있다.
도 10을 참조하면, 도 1 내지 9에 도시된 것과 유사한 구조물(10)을 제작하는 방법에 포함될 수 있는 하나 이상의 작업들을 나타내는 순서도가 도시되어 있다. 도 10의 단계(102)는 실질적으로 광학상 투명한 제1 외부 레이어(22) 또는 충돌면(14)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기한 바와 같이, 제1 외부 레이어(22)는 각각이 바람직하게도 비교적 높은 경도를 가진 유리 재료, 세라믹 재료 또는 유리-세라믹 재료로 적어도 부분적으로 형성된다. 일 실시예에서, 제1 외부 레이어(22)는 단일체 유리와 같은 유리로 구성될 수 있다. 한편, 제1 외부 레이어(22)는 바람직하게는 실질적으로 광학상 투명하고 바람직하게는 비교적 높은 경도 및 비교적 높은 강성을 가진 다른 재료들로 구성될 수도 있다.
도 10에 도시된 방법의 단계(104)는 충돌 사고에 대하여 제1 외부 레이어(22)의 강성의 초기 응답을 제공함에 따라 구조물(10)의 충돌 성능을 향상시키도록 제1 외부 레이어(22)에 장착하기 위한 보강 구조물(20)(도 2 참조)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 보강 구조물(20)은 실질적으로 광학상 투명하도록 구성될 수 있다. 한편, 본 발명은 보강 구조물(20)을 불투명한 재료들 또는 불투명한 재료들과 투명한 재료들을 조합한 것으로 제작하는 것을 고려한다. 또한, 본 발명은 보강 구조물(20)을 실질적으로 투명한 것에서 실질적으로 불투명한 것 사이에 있는 어떠한 레벨의 투명도를 가진 재료들로 제작하는 것을 고려한다.
도 10에 도시된 방법의 단계(106)는 도 4 내지 7에 도시되고 상기에서 설명된 것과 유사하게 매트릭스(54) 내부에 끼워넣어진 복수의 고분자 섬유들(56)로 고분자 섬유 복합 레이어(30)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 단계(108)는 도 4 내지 7에 도시되고 상기에서 설명된 것과 유사한 방식으로 중간 레이어(26)를 높은 강성의 복합 레이어(32)로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 또는, 중간 레이어(26)는 단일체 유리로 적어도 부분적으로 형성될 수 있는데, 이때 중간 레이어(26)는 바람직하게는 고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 가진 단일체 유리로 형성된 하나 이상의 시트들 또는 레이어들(70)(도 6 및 7 참조)을 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 방법의 단계(110)는 제2 이부 레이어(24)를 높은 강성의 복합 레이어(32)(도 8 및 9 참조)로 형성하거나 또는 단일체 유리로 형성된 하나 이상의 시트들로 구성된 하나 이상의 유리 레이어들(28)로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제2 외부 레이어(24) 및 중간 레이어(26)를 높은 강성의 복합 레이어(32)로 제작하는 때에, 섬유들(56)은 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 강성에 비하여 상대적으로 높은 레벨의 강성을 제공토록 선택될 수 있다.
도 10에 도시된 방법의 단계(112)는 도 5에 도시되고 상기에서 설명된 것과 유사하게 고분자 섬유 복합 레이어(30)를 복합 레이어 조립체(50)로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 고분자 섬유 복합 레이어(30)(도 2 및 3 참조)는 매트릭스(54)(도 4 참조)에 끼워넣어진 고분자 섬유들(56)(도 4 참조)을 포함할 수 있다. 섬유들(56)과 매트릭스(54)는 바람직하게는 실질적으로 광학상 투명하다. 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 매트릭스(54)는 제1 외부 레이어(22)의 국부적인 경도를 향상시키기 위하여 비교적 높은 레벨의 경도를 제공토록 선택될 수 있다. 상기한 바와 같이, 비교적 높은 국부적인 경도는 초기 충돌 하중에 대한 제1 외부 레이어(22)의 향상된 저항력을 제공할 수 있고 초기 충돌 동안에 충돌물의 변형 및 확대(예를 들어, 급격한 증가)를 증대시킬 수 있다.
도 10에 도시된 방법의 단계(114)는 중간 레이어(26)와 제2 외부 레이어(24)를 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 양쪽 면들에 장착함에 따라 보강 구조물(20)(도 9 참조)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 중간 레이어(26)와 제2 외부 레이어(24)는 적절한 접착제를 사용하여 고분자 섬유 복합 레이어(30)에 접착될 수 있다. 접착제는 바람직하게는 실질적으로 광학상 투명하다. 또는, 보강 구조물(20)은 중간 레이어(26)와 제2 외부 레이어(24)를 고분자 섬유 복합 레이어(30)와 함께 경화시킴(co-curing)에 따라 형성될 수 있다.
도 10에 도시된 방법의 단계(116)는 보강 구조물(20)의 중간 레이어(26)를 제1 외부 레이어(22)에 접착하거나 부착함에 따라 보강 구조물(20)(도 9 참조)을 제1 외부 레이어(22)에 장착하는 것을 포함할 수 있다. 스폴 레이어(34)는 충돌 사고 동안에 구조물(10)로부터 튀어 나오는 파편들을 보유하기(retaining) 위한 메커니즘을 제공토록 상기한 바와 같이 제2 외부 레이어(24)의 노출된 면 상에 선택적으로 포함될 수 있다.
본 명세서의 추가적인 변형례들과 개선례들은 당해 기술분야에서의 보통의 기술을 가진 자들에게 명백할 수 있다. 따라서, 여기에서 설명되고 도시된 부품들의 특정 조합은 본 발명의 단지 어떠한 실시예들을 나타내려고 한 것이지 본 발명의 사상과 범위 내에 속하는 다른 실시예들 또는 장치들의 제한으로서 제공하려고 의도된 것은 아니다.
10 ... 구조물 12 ... 장갑 패널
22, 24 ... 제1 및 제2 외부 레이어 26 ... 중간 레이어
30 ... 고분자 섬유 복합 레이어 54 ... 매트릭스
56 ... 섬유

Claims (14)

  1. 제1 외부 레이어(22); 및
    제1 외부 레이어(22)의 일 면 상에 장착된 고분자 섬유 복합 레이어(30);
    제1 외부 레이어(22)의 반대쪽에 있는 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 면 상에 장착된 제2 외부 레이어(24); 및
    제1 외부 레이어(22)와 고분자 섬유 복합 레이어(30) 사이에 장착된 중간 레이어(26)를 포함하고,
    제1 외부 레이어(22)는 고분자 섬유 복합 레이어보다 더 높은 강성을 가지며, 제2 외부 레이어(24)는 고분자 섬유 복합 레이어보다 더 높은 강성을 가지고, 중간 레이어(26)는 고분자 섬유 복합 레이어보다 더 높은 강성을 가진 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 외부 레이어(22)는 세라믹 재료로 적어도 부분적으로 형성된 구조물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 외부 레이어(22)는 유리 재료로 적어도 부분적으로 형성된 구조물.
  4. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 외부 레이어(22)와 고분자 섬유 복합 레이어(30)는 각각 광학상 투명한 구조물.
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 외부 레이어(24)는 고강성 복합 레이어 및 유리 레이어(28) 중 적어도 하나로 구성된 구조물.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    중간 레이어(26)는 고강성 복합 레이어(32) 및 유리 레이어(28) 중 적어도 하나로 구성된 구조물.
  9. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 외부 레이어(24)에 장착된 스폴 레이어(34)를 더 포함하는 구조물.
  10. 제1 외부 레이어(22)를 세라믹 재료 및 유리 재료 중 적어도 하나로 형성하는 단계;
    고분자 섬유 복합 레이어(30)를 매트릭스 내부에 끼워넣어진 복수의 섬유들로 형성하는 단계;
    고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 가진 제2 외부 레이어(24)를 형성하는 단계;
    고분자 섬유 복합 레이어(30)를 제1 외부 레이어(22)에 장착하는 단계;
    제2 외부 레이어(24)를 제1 외부 레이어(22)의 반대쪽에 있는 고분자 섬유 복합 레이어(30)의 면 상에 장착하는 단계;
    고분자 섬유 복합 레이어(30)를 제1 외부 레이어(22)의 강성보다 작은 강성을 갖도록 제공하는 단계;
    고분자 섬유 복합 레이어(30)보다 더 높은 강성을 가진 중간 레이어(26)를 형성하는 단계; 및
    중간 레이어(26)를 제1 외부 레이어(22)와 고분자 섬유 복합 레이어 사이에 장착하는 단계를 포함하는 구조물을 제작하는 방법
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    제2 외부 레이어(24)를 고강성 복합 레이어(32) 및 유리 레이어(28) 중 적어도 하나로 형성하는 단계를 더 포함하는 구조물을 제작하는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    고강성 복합 레이어를 매트릭스 내부에 끼워넣어진 복수의 섬유들로 형성하는 단계를 더 포함하고,
    섬유들은 유리 섬유들; 및 고분자 섬유 복합 레이어에 있는 고분자 섬유들보다 더 높은 강성을 가진 고분자 섬유들 중 적어도 하나로 구성된 구조물을 제작하는 방법.
  14. 삭제
KR1020137011054A 2010-12-15 2011-11-10 충돌 적용을 위한 샌드위치형 섬유 복합물 KR101934126B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/969,532 US9682536B2 (en) 2010-12-15 2010-12-15 Sandwiched fiber composites for ballistic applications
US12/969,532 2010-12-15
PCT/US2011/060177 WO2012082272A1 (en) 2010-12-15 2011-11-10 Sandwiched fiber composites for ballistic applications

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130139956A KR20130139956A (ko) 2013-12-23
KR101934126B1 true KR101934126B1 (ko) 2018-12-31

Family

ID=45418757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137011054A KR101934126B1 (ko) 2010-12-15 2011-11-10 충돌 적용을 위한 샌드위치형 섬유 복합물

Country Status (10)

Country Link
US (1) US9682536B2 (ko)
EP (1) EP2652433B1 (ko)
JP (1) JP6088978B2 (ko)
KR (1) KR101934126B1 (ko)
CN (1) CN103261832B (ko)
AU (1) AU2011341616B2 (ko)
CA (2) CA3017230C (ko)
ES (1) ES2902344T3 (ko)
RU (1) RU2593770C2 (ko)
WO (1) WO2012082272A1 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8640591B2 (en) * 2010-06-30 2014-02-04 Corning Incorporated Transparent armor with improved multi-hit performance by use of a thin cover glass
US8559779B2 (en) * 2010-10-08 2013-10-15 The Boeing Company Transparent composites with organic fiber
US9242427B2 (en) 2010-12-15 2016-01-26 The Boeing Company Coupled fibers in composite articles
US20150202845A1 (en) * 2012-08-03 2015-07-23 Corning Incorporated Multi-layer transparent light-weight safety glazings
MX2016010329A (es) * 2014-02-10 2016-11-11 Teijin Aramid Bv Articulos resistentes a balisticos que comprenden cintas.
US9327458B2 (en) 2014-09-30 2016-05-03 The Boeing Company In-situ annealing of polymer fibers
KR20160081396A (ko) * 2014-12-31 2016-07-08 코오롱인더스트리 주식회사 방탄패널
KR20160144872A (ko) 2015-06-09 2016-12-19 한국항공우주연구원 가변 두께를 갖는 주름형 완충부재 및 이의 성형방법
CN108760492B (zh) * 2018-05-18 2021-02-23 中国建材检验认证集团淄博有限公司 连续纤维增强陶瓷基复合材料室温拉伸性能的检测方法
CA3121829A1 (en) * 2018-12-04 2020-06-11 Global Metallix Canada Inc. A reinforced armor and a process for reinforcing an armor by composite layering

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101448635A (zh) * 2006-03-24 2009-06-03 霍尼韦尔国际公司 陶瓷复面的防弹板结构
CN101454633A (zh) * 2006-03-24 2009-06-10 霍尼韦尔国际公司 改进的陶瓷弹道板构造
US20100263525A1 (en) * 2007-06-01 2010-10-21 Friedrich Siebers Glass ceramic armor material

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3993828A (en) * 1973-02-16 1976-11-23 Akzona Incorporated Polyester, fiberglass-reinforced composite laminate
US4400425A (en) * 1980-03-21 1983-08-23 Vladimir Vanha High impact chemically activated polyester fiber reinforced plastic composite
JPS5742927A (en) 1980-08-28 1982-03-10 Secr Defence Brit Production of high strength and high elastic ratio reinforcing fiber and composite material containing same
US4732803A (en) 1986-10-07 1988-03-22 Smith Novis W Jr Light weight armor
GB2190077B (en) 1987-11-10 1990-12-19 Ceramic Developments Armour materials.
JPH03236599A (ja) 1990-02-13 1991-10-22 Sumitomo Electric Ind Ltd 耐弾板
US5665450A (en) 1992-08-21 1997-09-09 The Curators Of The University Of Missouri Optically transparent composite material and process for preparing same
GB9319450D0 (en) 1993-09-21 1995-03-08 Gec Alsthom Ltd Transparent glass ceramic
US6009789A (en) 1997-05-01 2000-01-04 Simula Inc. Ceramic tile armor with enhanced joint and edge protection
US5908704A (en) * 1997-06-30 1999-06-01 Norton Performance Plastics Corporation Interlayer film for protective glazing laminates
DE19932274A1 (de) * 1999-07-05 2001-01-18 Inst Polymerforschung Dresden Faserverbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
GB2364956A (en) 2000-07-28 2002-02-13 David Adie Ballistic protection shield
US6485828B2 (en) * 2000-12-01 2002-11-26 Oji Paper Co., Ltd. Flat synthetic fiber, method for preparing the same and non-woven fabric prepared using the same
RU2180426C1 (ru) * 2001-03-23 2002-03-10 Открытое Акционерное Общество "Московский Вертолетный Завод Им. М.Л. Миля" Многослойная бронепреграда
US6825137B2 (en) * 2001-12-19 2004-11-30 Telair International Incorporated Lightweight ballistic resistant rigid structural panel
US6818306B2 (en) 2002-09-27 2004-11-16 The Boeing Company Optically clear structural laminate
JP4232537B2 (ja) 2003-05-22 2009-03-04 住友ベークライト株式会社 合わせガラスの製造方法
US6889938B1 (en) * 2003-10-21 2005-05-10 The Boeing Company Structural cockpit window and method of making same
UA72152C2 (en) * 2003-12-29 2008-03-25 Научно-Технический Центр "Композиционные Материалы" Института Проблем Материаловедения Имени И.М. Францевича Национальной Академии Наук Украины Armored panel
US7799710B1 (en) * 2004-11-05 2010-09-21 Seng Tan Ballistic/impact resistant foamed composites and method for their manufacture
CN2847208Y (zh) 2005-12-24 2006-12-13 吴杨佳君 一种多层结构复合材料防弹板及防弹装置
US7849779B1 (en) * 2006-01-23 2010-12-14 U.T. Battelle, Llc Composite treatment of ceramic tile armor
US7622405B1 (en) * 2006-09-26 2009-11-24 Honeywell International Inc. High performance same fiber composite hybrids by varying resin content only
ES2320264T3 (es) * 2006-11-14 2009-05-20 Bond Laminates Gmbh Material compuesto reforzado con fibras y procedimiento para su produccion.
CN201066259Y (zh) 2006-12-22 2008-05-28 帝斯曼知识产权资产管理有限公司 防弹板和防弹背心
US8323436B2 (en) 2007-03-28 2012-12-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Transparent, reinforced, composite fiber and articles made therefrom
BRPI0812237A2 (pt) 2007-06-06 2015-07-14 Dsm Ip Assests Bv Folha de material multicamada para uso em balística leve
JP2009079861A (ja) * 2007-09-27 2009-04-16 Toray Ind Inc 耐弾防護部材及び防護製品
US9334378B2 (en) 2008-01-11 2016-05-10 The Boeing Company Distortion resistant transparent reinforcing fibers for use in transparent reinforced composites
DE102008007545A1 (de) * 2008-02-05 2009-08-27 Airbus Deutschland Gmbh Lasttragendes und schadenstolerantes Laminatflugzeugfenster
JP5291376B2 (ja) * 2008-04-28 2013-09-18 京セラケミカル株式会社 複合防弾板
DE102008028318A1 (de) * 2008-06-13 2009-12-17 Esw Gmbh Durchschusshemmender transparenter Schichtverbund und Schutzanordnung mit einem durchschusshemmenden transparenten Schichtverbund
US8997416B2 (en) 2008-07-15 2015-04-07 The Boeing Company Opaque fiber reinforcement of composites
DE102008043992B4 (de) * 2008-11-21 2012-04-05 Schott Ag Transparente Reaktivpanzerung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101448635A (zh) * 2006-03-24 2009-06-03 霍尼韦尔国际公司 陶瓷复面的防弹板结构
CN101454633A (zh) * 2006-03-24 2009-06-10 霍尼韦尔国际公司 改进的陶瓷弹道板构造
US20100263525A1 (en) * 2007-06-01 2010-10-21 Friedrich Siebers Glass ceramic armor material

Also Published As

Publication number Publication date
CA3017230A1 (en) 2012-06-21
AU2011341616B2 (en) 2016-02-04
CN103261832A (zh) 2013-08-21
EP2652433B1 (en) 2021-09-29
WO2012082272A1 (en) 2012-06-21
RU2013132309A (ru) 2015-01-20
AU2011341616A1 (en) 2013-05-23
JP6088978B2 (ja) 2017-03-01
KR20130139956A (ko) 2013-12-23
EP2652433A1 (en) 2013-10-23
CA3017230C (en) 2020-09-08
CN103261832B (zh) 2016-03-02
JP2014506201A (ja) 2014-03-13
ES2902344T3 (es) 2022-03-28
US9682536B2 (en) 2017-06-20
CA2818387A1 (en) 2012-06-21
CA2818387C (en) 2018-10-30
US20120152099A1 (en) 2012-06-21
RU2593770C2 (ru) 2016-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101934126B1 (ko) 충돌 적용을 위한 샌드위치형 섬유 복합물
EP2651625B1 (en) Composite material comprising fibers with interlocking shapes, and method to manufacture it
JP6158600B2 (ja) 選択的に脆弱化された延伸フィルム
EP2651638B1 (en) Selectively coupled fibers in composites
US20090078109A1 (en) Ceramic armour element for use in armour
RU2592788C2 (ru) Контолируемая адгезия волокна к матрице в полимер-волоконных композитах
CA2119210A1 (en) Impact absorbing armor
KR20130118231A (ko) 길이방향으로 변화하는 기하구조를 가진 섬유를 포함하는 복합 물품
WO2016079842A1 (ja) 装甲および車両
JP5095506B2 (ja) 強化積層板
JPH0768679A (ja) 耐衝撃積層構造物
JPH0894295A (ja) 防弾パネル
US9162915B1 (en) Panel assembly having thin bondline with reduced edge stress

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant