KR102336916B1 - 장갑 판 - Google Patents

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생-고뱅 생트레 드 레체르체 에 데투드 유로삐엔
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Abstract

내부 면 상에서, 바람직하게 세라믹 본체의 성분 재료의 경도보다 낮은 경도를 갖는 재료로 이루어진, 후방 에너지-소산 코팅을 구비하는, 경질 재료로 이루어진 세라믹 본체를 포함하는 방탄 장갑 판이: - 세라믹 본체가 단일체이고, 150 cm2 초과의 면적, 12 mm 초과의 두께 및 3.5 g/cm3 미만의 벌크 밀도를 가지며; - 세라믹 본체의 성분 재료는 15 GPa 초과의 비커스(Vickers) 경도를 갖는 세라믹 재료의 입자 및 그러한 입자를 결합시키는 매트릭스를 포함하고, 매트릭스는 규소 질화물 상 및/또는 규소 산질화물 상을 포함하거나 그러한 것으로 이루어지며, 매트릭스는 세라믹 본체의 성분 재료의 5 내지 40 중량%를 나타내고; - 세라믹 재료의 입자의 최대 등가 직경이 800 마이크로미터 이하이고; - 세라믹 본체의 성분 재료가, 5% 초과 및 14% 미만의 개방 다공성을 가지고; 본체의 두께의 mm 당으로 표현되는, 재료 내의 금속 규소 함량이 0.5 중량% 미만인 것을 특징으로 한다.

Description

장갑 판
본 발명은 방탄(antiballistic) 특성을 가지는 제품, 즉 장갑 또는 차폐 요소에서의 용도를 위한 충분한 경도를 갖는 제품에 관한 것이다.
본 발명은 특히, (육지, 바다 또는 공중의) 운반체 또는 고정 설비(특히 건물, 방어 벽 또는 경계 초소)가 보호될 수 있게 하는 장갑 또는 차폐 요소에 적용될 수 있다.
특히, 그러한 방탄 제품에 의해서 발사체로부터 보호되는 장갑 차량과 관련하여, 장갑 보유로 인한 부가적인 질량이 일차적인 고려 사항이다. 구체적으로, 이러한 부가적인 질량은 중량의 과다 증가를 초래할 수 있고, 차량의 신속한 이동을 방해하고 그 행동 반경을 제한할 수 있다.
금속 및 알루미나가 차량 장갑으로서 일반적으로 이용된다. 특히, 결정된 다각형 형상을 가지고 발사체의 충격에 개별적으로 저항하는 세라믹 타일의 "모자이크(mosaic)" 조립체로서 지칭되는 것에 의해서 형성된 시스템이 알려져 있다. JP2005247622는 예를 들어, 두께가 몇 mm이고, 폭이 20 내지 100 mm인 그러한 형상의 배열체(arrangement)를 설명한다.
이러한 유형의 타일의 모자이크는 ("다수-샷(multi-shot)" 또는 "다수-타격" 보호로서 지칭되는) 연속적인 타격에 저항하는 장점을 갖는다. 하나의 그리고 동일한 타일이 동일 장소에서 두 차례 타격 받을 가능성이 낮고 표준에서 일반적으로 고려되지 않지만, 그럼에도 불구하고 현대 무기 발전의 양상에서 실질적인 문제가 되는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 그러한 "모자이크" 구조물의 조립은 시간-소모적 및 고비용적이다. 또한, 조립체의 작은 전체적 공차를 유지하는 것이 어려울 수 있는데, 이는 조립체 형성에 있어서 그러한 타일의 공차가 누적되기 때문이다. 이는 조립체에 의해서 형성된 타일들(조인트 평면들) 사이의 잔류 공간의 폭에 영향을 미친다. 추가적으로, 조립체가 또한 곡선형 형상인 경우에, 그러한 공간은, 발사체가 이러한 위치를 타격할 때, 이러한 보호 시스템 내에서 상당히 취약한 지역을 구성한다.
단일체 시스템으로 지칭되는 다른 시스템이 존재하고, 이러한 시스템은 하나의 조각 또는 큰 면적을 가지는 매우 제한된 수의 조각으로 형성되고, 각각의 단일체는 150cm2 초과의 면적을 가지며, 그에 의해서 조인트의 수를 감소시킨다. 따라서, 많은 수의 재료가, 사람을 위한 장갑 형성의 경우에, 전형적으로 50 kg/m2보다 낮은, 낮게 유지되어야 하는 장갑 질량 대 보호 면적의 비율을 제시하였고, 또는 운반체 또는 고정 설비를 위한 인간외 무장의 경우에, 전형적으로 60 kg/m2보다 높은 질량 대 보호 면적의 비율을 제시하였다. 사람외 보호를 위한 이러한 비율은 더 큰 에너지 및/또는 관통 능력을 갖는 또는 더 큰 구경, 예를 들어 12.7 mm, 14.5 mm 또는 25 mm 또는 심지어 30 mm의 구경의 군수품에 저항할 필요가 있고 그에 따라 계산된다.
예로서:
- STANAG 4 보호(군수품: 14.5 mm API B32)의 경우에, 금속 장갑 판의 질량 대 충격을 받는 면적의 비율이 전형적으로 약 180 kg/m2이고;
- STANAG 5 보호의 경우에(군수품: 25 mm 구경), 그 비율은 전형적으로 약 200 kg/m2이고;
- STANAG 6 보호의 경우에(군수품: 30 mm 구경), 그 비율은 전형적으로 약 280 kg/m²이다.
특히, 그러한 적용예를 위해서 사용되는 그러한 세라믹 재료들 중에서, 규소 탄화물(SiC) 특성을 기초로 하는 제품이 있다.
공개 WO 2013/186453 A1는 그러한 제품을 설명하고, 그러한 제품의 입자의 형상 및 화학적 조성은 장갑 또는 차폐 요소를 형성하도록 특정된다.
공개 EP 1380809 A2는 2개의 재료의 층인, 탄화물 및 금속, 예를 들어 규소 탄화물(SiC) 및 금속 규소(Si)에 의해서 표면 상에 형성된 더 조밀한 제1 층(A), 및 탄화물, 예를 들어 규소 탄화물로 형성된 보다 다공성인 제2 층(B)을 포함하는 시스템을 더 개시한다.
공개 EP1710218A1은 희토류 원소 또는 바람직하게 산화물 형태로 첨가된 텅스텐과 같은 첨가제를 이용하는, 규소 질화물 및 텅스텐 탄화물을 기초로 하는 소결된 재료를 개시한다.
운반체 장갑을 위해서 이용될 수 있는 다공성 SiC 제품이 또한 US4604249 또는 US4415632로부터 알려져 있으나, 그러한 방식으로 형성된 이러한 유형의 단일체 장갑은 제2 타격에 저항할 수 없고, 장갑의 성분 세라믹은, STANAG 4569 및 AEP 55 표준(특히, 14.5 mm API B32 발사체에서, 처음의 2번의 연속적인 타격들 사이의 최대 거리가 10 cm인, 보호 레벨 4)과 같은, 당업자에게 알려진 표준 조건 하에서 제1 타격 후에 과다하게 단편화된다(fragmented). 이러한 표준은 다수-타격 저항과 관련하여 해결 과제를 당업자에게 제시한다.
US6389594B1은, 압축 변형 하에서 배치되는, 단일체 세라믹 장갑을 위한 외부 봉입체(outer envelope)(또는 "외부 쉘")을 제공한다. 이러한 봉입체는 아라미드를 기초로 하는 중합체 재료 또는 특히 유리 섬유를 기초로 하는 다른 방탄 재료로 생산된다. 이러한 외부 봉입체는 단일체 블록의 파괴를 방지하지 못하고, 이러한 블록의 크기가 100 cm2 초과인 경우 및/또는 발사체가 대-구경의 발사체인 경우에, 소산시켜야 하는 많은 양의 에너지로 인해서, "차단" 효과가 너무 약하고, 단일체 블록의 분화(decohesion)가 상당하며, 다수 타격에 대한 저항이 낮게 유지된다.
보다 최근에, WO2008/130451(EP2095055A1)은, 이번에 투과성 매체, 전형적으로 유기(예를 들어, 아라미드) 섬유의 층으로 형성된 봉입체를 이용함으로써 발사체의 충격에 의해서 유발되는 응력 파동의 전파를 감소시키는 것으로 구성된 접근방식을 제시하였고, 그러한 층은, 발사체의 충격에 의해서 유발된 에너지를 흡수하기 위해서 그리고 균열의 전파 및 세라믹의 다수 파괴를 감소시키기 위해서, 세라믹 타일에 부착되고 이어서 초탄성 중합체로 함침된다. 이러한 시스템은 또한 작은 크기의 세라믹 타일에서만 관심의 대상이 되고, 테스트된 예는 100 mm*100 mm*8 mm 크기의 9개의 세라믹 타일의 조립체로 형성되었다. 이러한 새로운 봉입체에 의해서 흡수되는 에너지는 면적이 150 cm2 초과인 세라믹 블록의 분화를 방지할 수 없다.
특허출원 WO2014/096846은, 규소 탄화물 상, SiAlON 상 및 적어도 하나의 희토류 원소를 포함하는 입간 결합제 상(intergranular binder phase)으로 이루어진, 큰 기계적 강도를 나타내는 재료를 설명한다. 본 발명에 따른 결합제 상은 규소 질화물 또는 규소 산질화물 상이고, 적어도 하나의 희토류 원소를 포함하는 그러한 결합제 상을 포함하지 않는다.
그에 따라, 장갑으로서 이용되는 제품의 계속적인 개선 필요성이 존재하고, 이러한 개선은 특히 그 탄도 성능에 의해서 측정된다. 그에 따라, 본 발명의 목적은 새로운 제품을 제공하는 것이고, 그러한 제품 중 하나는 업계에서 현재 이용되는 제품과 상이하고, 장갑의 하나의 그리고 동일한 영역 내에서 연속적인 2개의 발사체의 충격 하에서도, 특히 천공에 대한 저항 능력과 관련하여, 개선된 성능을 나타낸다.
특히, 과다한 방해 없이, (육상, 바다 또는 심지어 공중의) 운반체 또는 고정 설비, 예를 들어 건물의 보호를 위한, 장갑의 하나의 그리고 동일한 영역 내의 12.7 mm 이상의 직경을 갖는 천공 발사체에 의한 적어도 2번의 연속적인 타격 후에 단편화에 대해 저항할 수 있으나, 그럼에도 불구하고 전형적으로 3.5 g/cm3 미만 또는 심지어 3.3 g/cm3 미만의 낮은 벌크 밀도를 갖는, 150 cm2 초과, 바람직하게 200 cm2 초과, 또는 심지어 500 cm2 초과 또는 심지어 1000 cm2 초과의 면적을 갖는 단일체 세라믹 장갑이 현재 요구되고 있다.
제1의 일반적인 양태에 따라, 본 발명은, 그 내부 면 상에서, 바람직하게 세라믹 본체의 성분 재료의 경도보다 낮은 경도를 갖는 재료로 이루어진, 후방 에너지-소산 코팅을 구비하는, 경질 재료로 이루어진 세라믹 본체를 포함하는 방탄 장갑 판에 관한 것이다.
본 발명에 따른 판에서:
- 세라믹 본체는 단일체이고, 150 cm2 초과의 면적, 12 mm 초과의 두께 및 3.5 g/cm3 미만의 벌크 밀도를 가지며;
- 세라믹 본체의 성분 재료는 15 GPa 초과의 비커스(Vickers) 경도를 갖는 세라믹 재료의 입자 및 그러한 입자를 결합시키는 매트릭스를 포함하고, 매트릭스는 규소 질화물 상 및/또는 규소 산질화물 상을 포함하거나 그러한 것으로 이루어지며, 매트릭스는 세라믹 본체의 성분 재료의 5 내지 40 중량%, 바람직하게 15 내지 35 중량%를 나타내고;
- 세라믹 재료의 입자는 800 마이크로미터 이하, 바람직하게 500 마이크로미터 이하, 또는 심지어 300 마이크로미터 이하의 최대 등가 직경을 가지며;
- 세라믹 본체의 성분 재료는, 5% 초과 및 14% 미만의 개방 다공성을 가지고;
- 본체의 두께의 mm 당으로 표현되는, 재료 내의 금속 규소 함량은 0.5 중량% 미만이다.
본 발명의 다양한 바람직한 실시예가 이하에서 설명되고, 그러한 실시예들은 물론, 적절한 경우에, 서로 조합될 수 있고:
- 세라믹 재료의 입자는, 5 마이크로미터 초과, 바람직하게 10 마이크로미터 초과, 또는 심지어 50 마이크로미터 초과의 최대 등가 직경을 가지며;
- 세라믹 본체의 성분 재료는 금속 탄화물 또는 붕화물의 입자, 더 바람직하게 규소 또는 붕소 탄화물 또는 이러한 2가지 탄화물의 혼합물의 입자를 포함하고, 바람직하게 규소 탄화물의 입자만을 포함하고;
- 세라믹 본체의 성분 재료는, 6% 초과, 더 바람직하게 7% 초과, 또는 심지어 8% 초과의 개방 다공성을 가지고;
- 세라믹 본체의 성분 재료는, 13% 미만, 더 바람직하게 12% 초과의 개방 다공성을 가지고;
- 세라믹 본체의 성분 재료는 20 GPa 초과의 비커스 경도를 갖는 세라믹 재료의 입자를 포함하며;
- 세라믹 본체는 500 cm2 초과, 더 바람직하게 1000 cm2 초과의 면적을 가지고;
- 세라믹 본체는 15 mm 초과, 더 바람직하게 20 mm 초과의 두께를 가지며;
- 세라믹 본체는 3.2 g/cm3 미만의 벌크 밀도, 바람직하게 3.0 g/cm3 미만의 벌크 밀도를 가지고;
- 재료 내의 금속 규소 함량은, 본체 두께의 mm당, 0.4 중량% 미만, 더 바람직하게 0.2 중량% 미만, 또는 보다 더 바람직하게 0.1 중량% 미만이고;
- 본체의 두께의 mm 당으로 표현되는, 재료 내의 금속 규소 함량은 0.005 중량% 초과, 더 바람직하게 0.01 중량% 초과이고;
- 매트릭스는 세라믹 본체의 성분 재료의 5 내지 40 중량%이고;
- 금속 규소는 본체의 외부 연부로부터 코어까지, 그 두께 방향으로, 농도 구배를 따라 세라믹 본체의 성분 재료 내에 존재하며;
- 매트릭스 내의 상은 Si3N4, Si2ON2 또는 SiMON으로부터 선택되고, 여기에서 M은 Ca, Mg, Sr, Ba로부터 선택된 금속이고;
- 판은, kg/m2로 측정된, 60 초과 및 바람직하게 200 미만의 질량-대-면적 비율을 가지며;
- 세라믹 본체의 성분 재료 내의 희토류 원소의 총 합계는 0.05 중량% 미만, 더 바람직하게 0.01 중량% 미만이고;
- 세라믹 재료의 성분 입자는, 바람직하게 알파 형태의, SiC로 본질적으로 구성되며;
- 세라믹 본체의 성분 재료 내의 입자의, 특히 SiC의 입자의 최대 등가 직경은 10 마이크로미터 내지 500 마이크로미터, 바람직하게 50 내지 300 마이크로미터, 또는 심지어 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터이고;
- 세라믹 본체의 성분 재료는 희토류 원소의 그룹으로부터의 원소를 포함하지 않고;
- 세라믹 본체의 성분 재료는 이트륨을 포함하지 않으며;
- 세라믹 본체의 성분 재료는 란탄을 포함하지 않으며;
- 세라믹 본체의 성분 재료는 악티니드(actinide)의 그룹으로부터의 원소를 포함하지 않고;
- 세라믹 재료의 성분 입자의 평균 등가 직경은 5 마이크로미터 초과 및 300 마이크로미터 미만이고, 바람직하게 50 내지 200 마이크로미터이고;
- 세라믹 본체의 성분 재료의 총 금속 규소 함량은 총 10 중량% 미만, 바람직하게 총 5 중량% 미만, 또는 심지어 총 1 중량% 미만이고;
- 세라믹 본체의 성분 재료 내의 질소 함량은 4 중량% 초과이고;
- 결합 매트릭스는 주로, 특히 화학식 Si3N4를 갖는 규소 질화물, 및/또는 규소 산질화물(Si2ON2)로 이루어지고, 바람직하게 주로, 특히 화학식 Si3N4를 갖는 규소 질화물로 이루어지며;
- 세라믹 본체의 성분 재료의 총 금속 알루미늄 함량은 총 1 중량% 미만, 바람직하게 총 0.5 중량% 미만이고;
- 대안적으로, 결합 매트릭스는 SiMON 상을 포함하거나 그러한 상으로 주로 이루어지고, 여기에서 M은 Ca, Mg, Sr, Ba로부터 선택된 금속이고, 바람직하게 M은 Mg이며;
- 후방 코팅의 성분 재료는 폴리에텐(polyethene)(PE), 특히 초고분자량 폴리에텐(UHMPE), 유리 또는 탄소 섬유, 아라미드, 금속, 예를 들어 알루미늄, 티타늄 또는 그 합금, 또는 강으로부터 선택되고;
- 세라믹 본체-후방 코팅 조립체는 한정 재료(confining material)로 이루어진 봉입체에 의해서 둘러싸이고;
- 봉입체의 성분 재료는 폴리에텐(PE), 특히 초고분자량 폴리에텐(UHMPE), 유리 또는 탄소 섬유, 아라미드, 알루미늄 또는 강과 같은 금속으로부터 선택된다.
본 발명은 또한, 특징이 앞서 설명된, 세라믹 본체에 관한 것이고, 특히, 재료로 이루어진, 150 cm2 초과의 면적 및 12 mm 초과의 두께, 그리고 3.5 g/cm3 미만의 벌크 밀도를 갖는, 판 형태의 단일체 세라믹 본체에 관한 것이고, 그러한 재료는:
- 15 GPa 초과의 비커스 경도를 갖는 세라믹 재료, 바람직하게 금속 탄화물 또는 붕화물, 더 바람직하게 규소 또는 붕소 탄화물 또는 이러한 2개의 탄화물의 혼합물의 입자로서, 입자의 최대 등가 직경이 500 마이크로미터 이하인, 입자; 및
- 입자를 결합시키는 매트릭스로서, 매트릭스는 규소 질화물 및/또는 규소 산질화물 상을 포함하거나 그러한 것으로 이루어지고, 매트릭스는 세라믹 본체의 성분 재료의 5 내지 40 중량%인, 매트릭스를 포함하고;
세라믹 재료는 5% 초과 및 14% 미만의 개방 다공성 및, 본체 두께의 mm 당으로 표현되는, 0.5 중량% 미만의, 재료 내의 금속 규소 함량을 갖는다.
간결함을 위해서, 장갑 판과 관련하여 이미 전술한 모든 기술적 특징을 여기에서 반복할 필요가 없이, 본 발명에 따른 세라믹 본체는 물론 동일한 바람직한 실시예의 모두를 포함한다.
이하의 지정 및 규정은, 본 발명의 선행 설명과 관련하여 주어진다:
입자 등가 직경은, 가장 긴 길이에 수직인 방향으로 측정된, 입자의 가장 긴 길이의 그리고 입자의 가장 넓은 폭의 절반-합계(half-sum)를 의미하는 것으로 이해된다.
경질 재료는, 장갑 또는 차폐 요소에서의 이용을 위한 충분한 경도를 갖는 재료를 의미하는 것으로 이해된다.
최대 및 평균 등가 직경은, 통상적으로 소결된 제품의 횡단면에서 SEM(주사전자현미경)에 의해서 취해진 화상을 이용하여, 세라믹 본체의 성분 소결 재료의 미세조직의 관찰로부터 통상적으로 결정된다. 이하의 예에서, 횡단면의 배향과 관계없이, 그러한 미세조직이 실질적으로 동일하다는 것이 증명되었다.
제품의 벌크 밀도는, 본 발명의 의미 내에서, 제품의 질량을 제품이 점유하는 부피로 나눈 것과 동일한 비율을 의미하는 것으로 이해된다. 이는 통상적으로 아르키메데스 방법에 의해서 결정된다. 표준 ISO 5017은, 예를 들어, 그러한 측정을 위한 조건을 특정한다. 이러한 표준은 또한 본 발명의 의미 내에서 개방 다공성을 측정할 수 있게 한다.
세라믹 본체의 "매트릭스"는, 입자들 사이에서 실질적으로 연속적인 조직을 제공하고, 소결 중에, 시작 공급재료의 구성요소로부터 그리고 잠재적으로 이러한 시작 공급재료의 기체 분위기의 성분으로부터 얻어지는, 결정질 또는 비결정질 상을 의미하는 것으로 이해된다. 매트릭스는 실질적으로 과립형 분률(granular fraction)의 입자를 둘러싸고, 즉 그러한 입자를 코팅한다.
본 발명에 따른 소결된 세라믹 본체에서, 세라믹 입자는 매트릭스에 의해서 경계 지어진다. 소결 중에, 그러한 입자는, 시작 공급재료에서 가졌던 형상 및 화학적 성질을 실질적으로 유지한다. 소결된 세라믹 본체에서, 매트릭스 및 입자는 함께 제품의 질량의 100%를 나타낸다.
반응 소결에 의해서 얻어진 매트릭스는 특유의 특성을 나타낸다. 특히, 반응 소결 중에, 질소-함유 결정질 상의 전구체 금속이 질화된다. 전형적으로 1 내지 30%인, 결과적인 부피 증가는, 유리하게, 매트릭스의 세공을 충진할 수 있게 하고 및/또는 입자 소결에 의해서 생성된 수축을 보상할 수 있게 한다. 그에 따라, 반응 소결은 소결된 제품의 기계적 강도가 개선될 수 있게 한다. 그에 따라, 반응 소결된 제품은, 유사한 온도 및 압력 조건 하에서 소결된 다른 제품의 폐쇄 다공성보다 상당히 낮은 정도의 폐쇄 다공성을 나타낸다. 소성(firing) 시에, 반응 소결된 제품은 수축을 실질적으로 나타내지 않는다.
단일체 세라믹 본체의 성분 재료의 상 조성은 일반적으로 X-레이 회절 및 리트벨트(Rietveld) 분석에 의해서 얻어진다.
소결된 제품 내의 원소 질소(N) 함량은 LECO 분석기(LECO TC 436DR; LECO CS 300)에 의해서 측정되었다. 그러한 값은 중량%로서 제공된다.
결정질 상, 특히 질소-함유 결정질 상은 X-레이 회절에 의해서 측정되었고 리트벨트 방법에 따라 정량화되었다. 소결된 재료 내의 또는 소성 후의 잔류 금속 규소는 일반적으로 당업자에게 알려져 있고 ANSI B74-151992 (R2000)에서 언급된 방법에 따라 측정된다.
본 발명에 따른 세라믹 재료에서, 잔류 규소 함량은 일반적으로 세라믹 본체의 코어 내에서 즉, 실질적으로 그 두께의 중간에서 최대이다.
출원인의 회사는 또한, 세라믹 재료의 방탄 특성이 잔류 규소 함량에 따라 크게 달라진다는 것을 결정할 수 있었다. 소결된 재료 내의 또는 소성 후의 잔류 금속 알루미늄이 X-레이 회절에 의해서 측정될 수 있고 리트벨트 방법에 따라 정량화될 수 있다.
세라믹 입자의 비커스 경도는, 정사각형 기부 및 136°인 면들(feces) 사이의 정점에서의 각도를 갖는 표준화된 피라미드형 다이아몬드 선단부를 이용하여 측정되었다. 그에 따라, 입자 내에 만들어진 각인부(imprint)는 정사각형 형상이고; 이러한 정사각형의 2개의 대각선(d1 및 d2)은 광학적 장치를 이용하여 측정된다. 경도는 이하의 식에 따라 다이아몬드 선단부에 인가된 힘 및 d1 및 d2의 평균 값(d)을 기초로 계산되었고:
Figure 112019013374912-pct00001
여기에서 Hv = 비커스 경도, F = 인가된 힘[N], d = 각인부의 대각선의 평균[mm]이다.
적용예의 힘 및 지속시간이 또한 표준화된다. 기준 표준은 [ASTM C1327 표준: Standard Test Method for VICKERS Indentation Hardness of Advanced Ceramics]이다.
"함유하는", "포함하는" 또는 "가지는"이라는 표현은, 달리 표시되지 않는 한, "적어도 하나를 포함하는"을 의미하는 것으로 이해된다.
달리 표시되지 않는 한, 본 설명에서, 모든 %는 중량%이다.
본 발명에 따른 제품은 임의 유형의 발사체, 예를 들어 총알, 쉘(shell), 지뢰 또는 폭발물의 폭발 중에 사출되는 요소, 예를 들어 볼트, 못(또는 "개선된 폭발 장치"의 경우에 IED)에 대해서 보호할 수 있게 하고, 일반적으로 판과 같은 모듈 형태로, 운반체를 위한 장갑 요소를 일반적으로 구성한다.
본 발명에 따라, 보호 판은 통상적으로 적어도 2개의 층: 판 형태의, 폴리에텐(예를 들어: Tensylon™, Dyneema®, Spectra™) 섬유, 아라미드(예를 들어: Twaron™, Kevlar®) 섬유, 유리 섬유, 또는 금속, 예를 들어 강 또는 알루미늄 합금과 같은, 통상적으로 "후방부"로서 지칭되는, 후방 면 상의 덜 경질인 그리고 바람직하게 연성인 다른 재료와 연관된, 전술한 바와 같은 제1 세라믹 타일을 포함한다. 예를 들어 폴리우레탄 또는 에폭사이드 중합체를 기초로 하는 접착제가 장갑 판의 여러 구성요소를 결합시키기 위해서 이용된다.
발사체의 충격 하에서, 세라믹 재료가 단편화되고 그 주 목적은 발사체의 코어를 파괴하는 것이다. 세라믹 본체의 성분 세라믹 재료와 연관된, 후방 면의 목적은 파편의 운동 에너지를 흡수하는 것 그리고 세라믹 판의 특정 레벨의 한정을 유지하는 것이고, 이는 한정 봉입체에 의해서 더 최적화된다.
그에 따라, 출원인의 회사는, STANAG 4569 및 AEP 55 표준에 따른 적어도 2번의 연속적인 타격에 저항할 수 있는, 구체적으로 보호 레벨 4 또는 심지어 5 및 6의 세라믹 판을 포함하는 차폐 요소를 포함하는 새로운 장갑 요소를 개발하였다.
전술한 적용예를 위한 이러한 유형의 장갑은 전형적으로 60 kg/m2 초과의 그러나 동일한 레벨의 방탄 성능을 위한 현재 이용 가능한 판과 관련하여 최소화된 질량 대 장갑 면적의 비율을 가질 수 있다. 이는, 동일한 보호 레벨을 위한 장갑의 중량 감소를 초래한다.
본 발명에 따른 세라믹 본체는 특히 특히 소결 프로세스, 특히 반응 소결 프로세스에 의해서 얻어질 수 있고, 그러한 소결 프로세스는 이하의 단계를 포함한다:
a) 시작 공급재료를 준비하는 단계로서, 시작 공급재료가:
- 규소 탄화물의 입자의 적어도 하나의 분말;
- 금속 규소를 포함하는 분말;
- 선택적으로, 고체-상 소결 첨가제의 분말을 포함하는, 시작 공급재료 준비 단계;
b) 시작 공급재료를 예비성형체(preform) 형태로 성형하는 단계;
c) 셋팅(setting) 또는 건조 후에 몰드로부터 제거하는 단계;
d) 선택적으로, 바람직하게 잔류 수분 함량이 0 내지 0.5 중량%가 될 때까지, 예비성형체를 건조하는 단계;
e) 소결된 제품을 획득하기 위해서, 바람직하게 1300 내지 1600 ℃의 온도에서, 질소 대기 하에서, 또는 시작 공급재료 내에 질소가 존재하는 경우에 비-산화 대기 하에서, 예비성형체를 소성 및 소결하는 단계.
그러한 프로세스에서, 적어도 하나의 초기 규소 탄화물 분말이 이용되고, 그 입자의 중앙값(median) 직경은 10 마이크로미터 내지 500 마이크로미터, 바람직하게 50 내지 300 마이크로미터이다. 특정의 유리한 실시예에서, 제2 규소 탄화물 분말이 이용되고, 그 중앙값 크기는 제1 규소 탄화물 분말보다 적어도 2배 더 작고, 그 평균 직경은 바람직하게 1 내지 5 마이크로미터이다.
단계 b)에서, 예비성형체는, 진동과 함께 또는 진동이 없이, 공급재료 또는 혼합물을 몰드 내에서 주조 또는 프레싱함으로써 얻어질 수 있다.
단계 e)에서의 소성 중에, 소성 오븐의 질소는 예비성형체의 성분의 일부와, 특히 금속 규소와 또는 금속 알루미늄과(이러한 것이 단독으로 존재하거나 규소와의 합금 형태로 존재하는 경우), 그리고 또한 하소 알루미나(calcined alumina) 또는 알루미늄 실리케이트, 예를 들어 점토(이러한 첨가물이 존재하는 경우)와 반응("반응 소결")하여, 매트릭스를 형성하고 그에 따라 세라믹 본체의 입자들을 결합시킨다.
본 발명에 따른 세라믹 본체에서, 세라믹 입자, 바람직하게 규소 및/또는 붕소 탄화물의 입자가, 희토류 원소를 기초로 하는 화합물의 첨가 없이 그리고 높은 소결 온도, 즉 1650 ℃ 초과의 온도에 의존하지 않고, 규소 질화물 또는 규소 산질화물 상을 주로 포함하거나 그러한 것으로 이루어진 매트릭스에 의해서 결합될 수 있다. 특히, 예비성형체는, 1 중량% 미만의 금속 Al 및 Si 함량을 갖는 소결된 세라믹 본체를 획득하기 위해서, 충분히 긴 유지시간(예를 들어, 적어도 4 시간 동안) 1360 내지 1500 ℃에서 질소 대기 하에서 소성될 수 있다.
분말의 성분 입자의 중앙값 직경(또는 중앙값 "크기")가, 본 발명의 의미 내에서, 입자 크기 분포의 특성에 의해서 주어진다. 레이저 입자 크기 선별기(sizer)는 3 mm 이하의 크기가 측정될 수 있게 한다.
입자 크기 분포는 통상적으로 ISO 13320-1 표준에 따른 레이저 입자 크기 선별기의 이용을 특징으로 한다. 레이저 입자 크기 선별기는, 예를 들어, Horiba로부터의 Partica LA-950일 수 있다. 본 설명의 의미 내에서 그리고 달리 표시되지 않는 한, 입자의 중앙값 직경은, 각각, 개체군의 50 중량%가 해당 직경 보다 작은 직경을 가지는, 입자의 직경을 지칭한다.
입자의, 특히 분말의 조립체의 "중앙값 직경" 또는 "중앙값 크기"는 D50 백분위, 즉 입자를 동일한 부피의 제1 및 제2 개체군으로 분할하는 크기를 지칭하고, 이러한 제1 및 제2 개체군은, 각각, 중앙값 크기 초과 또는 미만의 크기를 갖는 입자들만을 포함한다.
초기 혼합물은 또한, 소결제로서 작용하는, 1 내지 10 마이크로미터의 중앙값 직경을 가지는 알루미나 분말의 분률을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹 본체는 특히, 바람직하게, 단독으로 또는 혼합물로서, 탄소, 붕소 탄화물, 티타늄 탄화물, 지르코늄 탄화물, 또는 지르코늄 붕화물, 티타늄 붕화물로부터 선택된 소결 첨가제의 존재하에서, 전술한 바와 같은 프로세스에 의해서 얻어진다.
하나의 특히 바람직한 실시예에서, 제품은, 소결 첨가제가 붕소 탄화물(B4C)을 포함하거나 이로 이루어지는, 전술한 바와 같은 프로세스를 이용하여 얻어진다.
종종 본 설명에서 더 단순하게 "첨가제"로 지칭되는, 소결 첨가제는 소결 반응을 가능하게 하기 위한 및/또는 그 반응속도(kinetics)를 가속하기 위한 일반적으로 알려진 화합물을 의미하는 것으로 이해된다.
일 실시예에서, 시작 공급재료는 결합제 및/또는 윤활제 및/또는 계면활성제를 포함한다. 일 실시예에서, 시작 공급재료는 결합제를 포함하지 않는다.
높은 정도의 다양한 원소의 분배 균일성을 얻기 위해서 혼합이 실시되고, 이러한 결과를 달성하기 위해서 혼합 시간을 조정할 수 있다.
바람직하게, 초기 반응물의 혼합은, 자 밀(jar mill)에서 실시되고, 혼합 시간은 15 시간 초과이다. 24 시간의 혼합 시간이 매우 적합하다. 혼합물이 얻어지면, 이는, 세라믹 예비성형체를 획득하기 위해서, 예를 들어 프레싱에 의해서, 성형될 과립을 획득하기 위해서, 예를 들어 동결 과립화에 의해서, 원자화(atomized) 또는 과립화될 수 있다. 사출 또는 또는 바보틴 주조(barbotine casting)와 같은, 다른 성형 기술이 이용될 수 있다. 성형 후에, 예비성형체가 가공될 수 있다.
이어서, 예비성형체가 소결된다. 소결은 질소 대기 하에서 실시된다.
바람직하게, 규소 탄화물 분말의 원소 산소 농도는 2 중량% 미만, 바람직하게 1.6 중량% 미만, 바람직하게 1.4 중량% 미만, 바람직하게 1.2 중량% 미만, 바람직하게 1 중량% 미만, 또는 심지어 0.7 중량% 미만, 또는 심지어 0.5 중량% 미만 또는 심지어 0.3 중량% 미만이다. 일 실시예에서, 당업자에게 알려진 임의의 기술, 예를 들어 산세(acid washing)에 의해서, 사용 전에 규소 탄화물 분말의 원소 산소 농도가 감소될 수 있다.
일 실시예에서, 시작 공급재료의 알루미늄 함량은, 시작 공급재료의 중량에 대하여, 1000 ppm 미만, 또는 심지어 500 ppm 미만, 또는 심지어 300 ppm 미만이다.
소성을 제어된 대기 하에서, 바람직하게 질소 하에서 실시하여, 질화된 입간 상을 획득한다.
"소결"이라는 용어는, 제품이 과립 또는 과립형 분률을 구성하는 미세조직을 형성하게 하는 열 처리를 지칭하고, 그 입자들은 매트릭스에 의해서 함께 유지된다. 본 발명에 따른 소결된 제품은, 바람직하게 1300 내지 1600 ℃의 온도에서, 질소가 시작 공급재료의 성분 중 적어도 하나에 의해서 도입되는 경우에 비-산화 대기 하에서의 소결에 의해서, 또는 질소 하에서의 소결에 의해서, 적어도 하나의 규소 질화물 또는 산질화물 상을 포함하는 매트릭스를 포함하고, 질소 하의 반응 소결을 허용하는, 후자의 유형의 프로세스는 당업자에게 잘 알려져 있다.
"질소 하의 소결"은, 부피%로, 90% 초과의, 바람직하게 95% 초과의, 또는 더 바람직하게, 실질적으로 100%의 질소를 포함하는 기체 분위기 내의 소결을 의미하는 것으로 이해된다. 그러한 기체 분위기는 "질소 분위기"로 지칭된다.
"잔류"라는 용어는 시작 공급재료 내에 존재하고 이러한 시작 공급재료로부터 얻어진 소결된 제품 내에 여전히 존재하는 성분을 정성화한다(qualify).
"불순물"은, 의도하지 않게 그리고 필수적으로 시작 재료와 함께 도입된 또는 이러한 성분들의 반응으로부터 초래된, 회피할 수 없는 성분을 의미하는 것으로 이해된다. 불순물의 필수 성분이 아니고, 단지 허용되는 성분이다. 그러한 불순물은 특히, SiC 또는 알루미늄의 소결을 방해하는 불리한 것으로 알려진, 실리카로 구성된다. 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도, 소결 중에 실리카 불순물을 제거하기 위해서, SiC 분말 또는 심지어 이전 단계에서의 소결 첨가제를 세척함으로써 및/또는 초기 혼합물에 탄소-함유 첨가제를 첨가하는 것에 의해서, 실리카 불순물을 제한할 수 있다.
이하의 예는 단지 예로서 제공되고, 설명된 임의의 양태 하에서, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
예:
이하의 예 모두에서, 500 mm × 500 mm × 26 mm 포맷을 갖는 판 형태의 세라믹 타일이 전술한 프로세스에 따라 그리고 이하의 표 1에서 설명되는 제형(formulation)에 따라 서스펜션(suspension)을, 석고 주형 내에서, 주조함으로써 초기에 생산되었다.
그렇게 얻어진 세라믹 본체는 장갑 판 내의 세라믹 판으로서 이용된다. 더 구체적으로, 그러한 세라믹 본체는, 에폭시 접착제를 이용하여, DSM Dyneema가 판매하는 초고분자량 폴리에텐(UHMWPE)의 판과 함께 링크(link)를 형성하는 유리 섬유 층에 결합된다. 조립체는, 에폭시 수지에 의해서 또한 결합되는 케블라 층 내에 봉입된다. 장갑 판을 회득하기 위한 다양한 혼합물의 초기 제형 및 프로세스의 정확한 조건이 표 1에 주어졌다.
비교예 4는 전술한 출원 JP2005247622에서 설명된 원리에 따라 생산되었다.
그 목적은 모자이크 형태로 함께 합쳐진 세라믹 요소들의 조립체의 다중-타격 저항을 보여주기 위한 것이고, 세라믹의 각각의 개별적인 세라믹 요소는 본 발명에 따른 예 1에서와 동일한 프로세스에 따라 그리고 동일한 재료를 이용하여 생산되었다.
이러한 모자이크 조립체에서 이용된 타일은 3 cm x 3 cm의 개별적인 크기를 가지고, JP2005247622의 예 1에서 설명된 프로세스에 따라 50 cm × 50 cm의 판으로 조립되었다.
비교예 5는, Secure 500®이라는 명칭으로 Thyssen이 판매하는 10 mm-두께의 강 판 및 에폭시 접착제에 의해서 결합된 스티로폼으로 이루어진 20 mm의 후방 코팅, 다른 10 mm-두께의 Secure 500 강 판 및 15 mm의 결합된 Twaron®(Teijin) T750 아라미드 코팅의 조합을 기초로 통상적인 기술에 따라 생산된 금속으로 주로 제조된 방탄 판으로 구성된다. 전체 조립체는, 에폭시 수지에 의해서 또한 결합되는 Dupont Kevlar®의 층 내에 봉입된다.
각각의 실시예에 대해서, 세라믹 본체의 특성 및 그 다양한 성분 재료의 조성을 표 2에서 비교하였다.
최종 장갑 판의 탄도 특성을 표 3에서 비교하였다. 다양한 장갑 판의 탄도 성능을, AEP 55 및 STANAG 4569 표준, 구체적으로 탄도 보호 레벨 4(14.5 mm API B32 발사체)를 이용하여 평가하였다. 4번의 샷(shot)을 단독적인 구성의 다양한 장갑 판에 대해서 발사하는 한편, AEP 55 및 STANAG 4569 표준에서 설명된 프로토콜 및 지시 내용(발사 속력, 충격들 사이의 거리, 제어 판을 이용한 천공 또는 기타의 입증 등)을 관찰하였다.
이하의 표 1 및 표 3에 기재된 결과는, 본 발명에 따른 큰 크기의 단일체 장갑 판의 이용에 의해서 제공되는 장점을 보여준다: 본 발명에 따른 예 1 및 예 3은 천공에 대한 개선된 저항을 나타내고, 그에 따라 이들은 연속적인 발사체 충격에 저항할 수 있다. 그에 따라, 그러한 것의 탄도 저항은 비교예 5에 의해서 설명되는 바와 같은 강-기반의 판과 실질적으로 균등한 것으로 보인다. 그러나, 본 발명에 따른 판의 질량-대-면적 비율은, 표 3에 기재된 바와 같이, 그러한 강-기반의 판의 비율보다 상당히 낮다.
비교예는 장갑 판을 위해서 얻어진 최종 탄도 성능 레벨에 미치는 매개변수의 영향을 더 보여준다.
비교예 1은, 잔류 규소의 레벨, 즉 소성 중에 질소와 반응하지 않은 금속 규소가 세라믹 본체의 성분 재료의 코어에서 최소화되어야 한다는 것을 보여준다. 특히, 열 처리가 적절하지 않을 때 그리고, 특히 세라믹 본체의 코어 내에서(즉, 실질적으로 세라믹 판의 두께의 중간에서), 재료 내의 잔류 금속 규소의 레벨이 너무 높을 때(세라믹 본체의 두께의 mm 당 0.5%의 잔류 규소), 표 3에 주어진 탄도 테스트 결과에서 확인될 수 있는 바와 같이, 결과적으로 천공에 대한 저항이 작다.
비교예 2에 따라, 세라믹 본체의 성분 재료의 성분 입자는 본 발명에 따른 크기보다 크고, 결과적으로 열등한 탄도 성능을 초래한다. 비교예 3에 따른 세라믹 판을 두껍게 하는 것은 이러한 결함을 보상하지 못한다.
비교예 4는, 종래 기술에 따른 모자이크 구조물이, 본 발명에 따른 큰 크기의 판에 비해서, 매우 낮은 레벨의 탄도 성능을 나타낸다는 것을 더 보여준다.
물론, 본 발명은 예로서 제공된, 설명되고 제시된 실시예로 제한되지 않는다. 특히, 다양한 설명된 실시예의 조합이 또한 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명은 규소 탄화물을 기초로 하는 소결된 제품의 형상 또는 치수에 의해서 제한되지 않는다.
Figure 112019013374912-pct00002
Figure 112019013374912-pct00003
Figure 112019013374912-pct00004

Claims (15)

  1. 후방 에너지-소산 코팅 또는 세라믹 본체의 성분 재료의 경도보다 낮은 경도를 갖는 재료로 이루어진 후방 에너지-소산 코팅을 내부 면 상에 구비하는 경질 재료로 이루어진 세라믹 본체를 포함하는 방탄 장갑 판이며,
    - 상기 세라믹 본체는, 단일체이고, 150 cm2 초과의 면적, 12 mm 초과의 두께 및 3.5 g/cm3 미만의 벌크 밀도를 갖고,
    - 세라믹 본체의 성분 재료는 15 GPa 초과의 비커스(Vickers) 경도를 갖는 세라믹 재료의 입자 및 상기 입자를 결합시키는 매트릭스를 포함하고, 상기 매트릭스는 세라믹 본체의 상기 성분 재료의 5 내지 40 중량%를 나타내고,
    - 세라믹 재료의 상기 입자의 최대 등가 직경은 800 마이크로미터 이하이고,
    - 세라믹 본체의 상기 성분 재료는 5% 초과 및 14% 미만의 개방 다공성을 갖고,
    - 상기 본체의 두께의 mm 당으로 표현되는 상기 재료 내의 금속 규소 함량은 0.5 중량% 미만이고,
    결합 매트릭스는 규소 질화물(Si3N4), 규소 산질화물(Si2ON2), 또는 양쪽 모두로 본질적으로 이루어진,
    장갑 판.
  2. 제1항에 있어서,
    세라믹 재료의 성분 입자는 SiC 또는 알파 형태의 SiC로 본질적으로 이루어진,
    장갑 판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    금속 규소는, 그 두께 방향으로 상기 본체의 외부 연부로부터 코어까지 농도 구배를 따라 세라믹 본체의 상기 성분 재료 내에 존재하는,
    장갑 판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    60 초과 및 200 미만의 kg/m2로 측정된 질량-대-면적 비율을 갖는,
    장갑 판.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    세라믹 본체의 성분 재료 내의 희토류 원소의 총 합계는 0.05 중량% 미만인,
    장갑 판.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    세라믹 본체의 상기 성분 재료 내의 입자의 최대 등가 직경은 10 마이크로미터 내지 500 마이크로미터인,
    장갑 판.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    세라믹 본체의 성분 재료는, 희토류 원소의 그룹으로부터의 원소, 이트륨, 란탄, 및 악티니드의 그룹으로부터의 원소를 포함하지 않는,
    장갑 판.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    세라믹 재료의 성분 입자의 평균 등가 직경은 5 마이크로미터 초과 및 300 마이크로미터 미만인,
    장갑 판.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    세라믹 본체의 성분 재료 내의 금속 규소 함량은 10 중량% 미만인,
    장갑 판.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    세라믹 본체의 성분 재료 내의 질소 함량은 4 중량% 초과인,
    장갑 판.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    결합 매트릭스는 규소 질화물(Si3N4)로 본질적으로 이루어진,
    장갑 판.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    후방 코팅의 성분 재료는 폴리에텐(PE), 초고분자량 폴리에텐(UHMPE), 유리 또는 탄소 섬유, 아라미드, 금속, 알루미늄, 티타늄, 알루미늄 및 티타늄의 합금, 및 강으로부터 선택되는,
    장갑 판.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    세라믹 본체-후방 코팅 조립체는 한정 재료로 이루어진 봉입체에 의해서 둘러싸이는,
    장갑 판.
  14. 제13항에 있어서,
    봉입체의 성분 재료는 폴리에텐(PE), 초고분자량 폴리에텐(UHMPE), 유리 또는 탄소 섬유, 아라미드, 금속, 알루미늄 및 강으로부터 선택되는,
    장갑 판.
  15. 판 형태이고, 150 cm2 초과의 면적과, 12 mm 초과의 두께와, 3.5 g/cm3 미만의 벌크 밀도를 갖는 단일체 세라믹 본체이며,
    - 15 GPa 초과의 비커스 경도를 갖는 세라믹 재료, 또는 금속 탄화물 또는 붕화물, 또는 규소 또는 붕소 탄화물 또는 이러한 2개의 탄화물의 혼합물의 입자와 - 상기 입자의 최대 등가 직경이 500 마이크로미터 이하임 -,
    - 상기 입자를 결합시키는 매트릭스를 포함하는 재료로 이루어지고,
    상기 매트릭스는 규소 질화물(Si3N4), 규소 산질화물(Si2ON2), 또는 양쪽 모두로 본질적으로 이루어지고,
    상기 매트릭스는 세라믹 본체의 성분 재료의 5 내지 40 중량%이고,
    상기 세라믹 재료는, 5% 초과 및 14% 미만의 개방 다공성과, 0.5 중량% 미만의 본체 두께의 mm 당으로 표현되는 상기 재료 내의 금속 규소 함량을 갖는,
    단일체 세라믹 본체.
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