KR102457104B1 - 연질 방탄복 - Google Patents

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KR102457104B1
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조지 씨. 투니스
벤자민 제이. 크레머
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하드와이어 엘엘씨
조지 씨. 투니스
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Abstract

발리스틱 재료로 형성되는 패널을 가공 연화함으로써 연질 아머 패널이 제공된다. 패널들은, 또한 인접한 플라이 그룹들 사이에 슬립 평면을 포함하며, 인접한 플라이 그룹들은 슬립 평면에서 연결되지 않거나 실질적으로 연결되지 않은 채로 유지된다.

Description

연질 방탄복 {SOFT BALLISTIC RESISTANT ARMOR}
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 발명의 명칭이 "Soft Body Armor"인 2014 년 10 월 31 일자로 출원된 미국 가출원 제 62/073,293 호의 35 §119(e) 하에 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 본원에 참고로 포함된다.
미연방정부의 지원에 대한 언급
연구 또는 개발
없음
배경 기술
기존 연질 보디 아머(soft body armor)(예컨대, 연질 방탄 조끼들(bullet resistant vests))은 기존 텍스타일 수단(textile means)과 접합(bonding) 및 스티칭(stitching)을 통해 결합된 고강도 섬유들 및 고강도 섬유들로 직조된 천들과 같은 연질 재료들의 조립체이다. 수지 매트릭스(resin matrix)에 섬유를 포함하는 복합 재료들은 이러한 복합 재료들이 경질이고 인체에 순응하지 않기 때문에 기존 연질 보디 아머에 사용하기가 어려웠다.
본 발명은 다양한 발사체 위협들(projectile threats)에 대한 내성이 있는 연질 또는 순응성 보디 아머에 관한 것으로, 여기서, 패널은 가공 연화에 의해 만들어지거나 그렇지 않으면 강성 패널이다. 연질 아머 패널은 복수 개의 플라이 그룹들(ply groups)의 가공 연화된 라미네이션(lamination)을 포함한다. 각각의 플라이 그룹은 하나 또는 그 초과의 층들을 포함하며, 각각의 층은 매트릭스 재료 내에 매립된 섬유들의 복합 재료를 포함한다. 슬립 평면(slip plane)은 인접한 플라이 그룹들의 적어도 일 세트 사이에 배치되어, 인접한 플라이 그룹들이 슬립 평면에서 연결되지 않거나 실질적으로 연결되지 않은 채로 유지된다. 연화된 발리스틱 패널은 상당한 발리스틱 특징들을 보유하고, 경량이며, 다양한 토르소 구성들에 쉽게 순응될 수 있다.
연질 방탄복(soft ballistic resistant armor)의 다른 양태들은 다음과 같다.
1. 연질 패널로서,
복수 개의 플라이들을 포함하는 가공 연화된 라미네이션 - 각각의 플라이 그룹은 하나 또는 그 초과의 층들을 포함하고, 각각의 층은 매트릭스 재료에 매립된 섬유들을 포함하는 복합 재료를 포함함 -; 및
인접한 플라이 그룹들의 적어도 일 세트 사이에 슬립 평면을 포함하며, 인접한 플라이 그룹들은 슬립 평면에서 연결되지 않거나 실질적으로 연결되지 않은 채로 유지되는, 연질 패널.
2. 항목 1의 연질 패널에 있어서, 슬립 평면은 인접한 플라이 그룹들 사이에 슬립 제제(slip agent)를 포함한다.
3. 항목 2의 연질 패널에 있어서, 슬립 제제는 인접한 플라이 그룹들 중 하나 또는 양자 모두의 표면 상에 접합되거나 매립된다.
4. 항목 2 또는 항목 3의 연질 패널에 있어서, 슬립 제제는 그래핀(graphene)을 포함한다.
5. 항목 4의 연질 패널에 있어서, 그래핀은 0.0001 내지 0.002 인치 범위의 두께를 갖는 층에 제공된다.
6. 항목 1 내지 항목 5의 연질 패널에 있어서, 슬립 평면은 그래핀 입자들, 그래핀계 잉크, 세라믹 입자들, 금속 입자들, 플라스틱 필름, 금속 필름, 종이 또는 이들의 조합을 포함한다.
7. 항목 1 내지 항목 6 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 슬립 평면은 실리콘 코팅된 종이 또는 실리콘 코팅된 필름을 포함한다.
8. 항목 1 내지 항목 7 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 슬립 평면은 고밀도 폴리에틸렌 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 필름을 포함한다.
9. 항목 1 내지 항목 8 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 슬립 평면은 라미네이션 내에 불연속부를 포함하고, 이 불연속부는 인접한 플라이 그룹들에 배치된 2 개의 수지들에 의해 형성되며, 2 개의 수지들은 서로 접합되지 않는다.
10. 항목 1 내지 항목 9 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 슬립 평면은 라미네이션 내에 불연속부를 포함하고, 이 불연속부는 인접한 플라이 그룹들 사이에 섬유들의 배향 각도의 변화에 의해 형성된다.
11. 항목 1 내지 항목 10 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 인접한 플라이 그룹들은 정상적인 사용 중에 슬립 평면에서 함께 유지되고 발리스틱 이벤트 동안 슬립 평면을 따라 서로에 대해 전단 이동한다.
12. 항목 1 내지 항목 11 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 슬립 평면은 정상적인 사용 중에 인접한 플라이 그룹들을 함께 유지하고 발리스틱 이벤트 동안 슬립 평면을 따라 서로에 대한 인접한 플라이 그룹들의 전단 이동을 허용하기 위해 접착제 재료 또는 체결 기구를 더 포함한다.
13. 항목 1 내지 항목 12 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션은 플라이 그룹들의 적어도 일부분 내에 복수 개의 결함들을 포함하고, 이 결함들은 플라이 그룹 내의 섬유들 사이에 미접합 결함들(disbond defects) 및 디라미네이션 결함들(delamination defects) 중 하나 또는 그 초과를 포함한다.
14. 항목 1 내지 항목 13 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 라미네이션의 배면(back face) 상에 배치되는 펠트 층(felt layer)을 더 포함한다.
15. 항목 1 내지 항목 13 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 펠트 층은 초고분자량 폴리에틸렌의 건조 섬유들을 포함한다.
16. 항목 1 내지 항목 15 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 제 1 플라이 그룹에 인접한 스트라이크면(strike face)으로서 배치된 펠트 층을 더 포함한다.
17. 항목 16의 연질 패널에 있어서, 펠트 층은 초고분자량 폴리에틸렌의 건조 섬유들을 포함한다.
18. 항목 1 내지 항목 17 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 복수 개의 플라이 그룹들 중 하나에 인접한 발포재의 층(layer of foam)을 더 포함한다.
19. 항목 18의 연질 패널에 있어서, 발포재는 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 스티렌 아크릴로 니트릴, 또는 폴리우레탄을 포함한다.
20. 항목 1 내지 항목 19 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 복수 개의 플라이 그룹 중 하나에 인접하게 배치되는 금속 포일 층을 더 포함한다.
21. 항목 20의 연질 패널에 있어서, 금속 포일은 알루미늄을 포함한다.
22. 항목 1 내지 항목 21 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 복수 개의 플라이 그룹들 중 하나에 인접한 필름의 층을 더 포함하며, 이 필름은 복합 재료의 용융 온도보다 낮은 프로세싱 온도를 갖는 재료를 포함한다.
23. 항목 22의 연질 패널에 있어서, 필름의 층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 우레탄, 열가소성 또는 열경화성 재료를 포함한다.
24. 항목 1 내지 항목 23 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 플라이 그룹들의 적어도 일부분 내의 각각의 층은 매트릭스 재료로 전함침된(pre-impregnated) 섬유들의 하나 또는 그 초과의 플라이들을 포함하는 프리프레그 재료를 포함한다.
25. 항목 1 내지 항목 24 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 플라이 그룹들의 적어도 일부분 내의 각각의 층은 매트릭스 재료로 전함침된(pre-impregnated) 섬유들의 2 개 또는 그 초과의 플라이들을 포함하는 프리프레그 재료를 포함한다.
26. 항목 1 내지 항목 25 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 플라이 그룹들에서, 층들 내의 섬유들은 일방향으로 정렬되고, 인접한 층들의 섬유 방향은 0 ° 이상 90 ° 이하의 범위의 각도로 크로스플라이된다(cross-plied).
27. 항목 1 내지 항목 26 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 각각의 플라이 그룹의 층들 내의 섬유들은 직각으로 크로스플라이된다.
28. 항목 1 내지 항목 27 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 제 1 플라이 그룹의 인접한 층들의 섬유들은 0°/90°의 구성으로 배향되고 제 2 플라이 그룹의 인접한 층들의 섬유들은 0°/90°의 구성으로 배향되는 한편, 제 2 플라이 그룹은 제 1 플라이 그룹에 대하여 30° 내지 60° 사이에 각도로 회전된다.
29. 항목 1 내지 항목 28 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 제 2 플라이 그룹의 크로스플라이식 섬유들은 제 1 플라이 그룹에 대하여 + 45°/-45°의 구성으로 배열된다.
30. 항목 1 내지 항목 29 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 제 2 플라이 그룹에 인접한 제 3 플라이 그룹의 크로스플라이식 섬유들은 0°/90° 구성으로 배향된다.
31. 항목 1 내지 항목 30 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 층들 중 적어도 하나의 층의 섬유들은 단일 방향으로 배향된다.
32. 항목 1 내지 항목 30 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 층들 중 적어도 하나의 층의 섬유들은 상이한 각도들로 배향된다.
33. 항목 1 내지 항목 32 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 복수 개의 플라이 그룹들은 적어도 제 1 플라이 그룹, 제 2 플라이 그룹, 및 제 3 플라이 그룹을 포함하며, 제 2 플라이 그룹은 제 1 플라이 그룹과 제 3 플라이 그룹 사이에 배치되고, 제 2 플라이 그룹은 제 1 플라이 그룹 및 제 3 플라이 그룹의 면밀도들보다 큰 면밀도를 갖는다.
34. 항목 1 내지 항목 33 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 플라이 그룹들 각각은 0.01 내지 1.0 lb/ft2 범위의 면밀도를 갖는다.
35. 항목 1 내지 항목 34 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 플라이 그룹 중 적어도 하나의 면밀도는 0.01 내지 0.25lb/ft2의 범위이다.
36. 항목 1 내지 항목 35 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션은 0.01 내지 0.5 인치 범위의 두께를 갖는다.
37. 항목 1 내지 항목 36 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션은 0.80 lb/ft2 미만의 면밀도를 갖는다.
38. 항목 1 내지 항목 37 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션은 0.75 lb/ft2 미만의 면밀도를 갖는다.
39. 항목 1 내지 항목 38 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 각각의 플라이 그룹의 층들의 각각은 직조 재료, 부직 재료, 단방향 재료, 니트 재료 또는 펠트 재료 중 하나를 포함한다.
40. 항목 1 내지 항목 39 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 각각의 플라이 그룹의 층들의 각각은 단방향 섬유들의 재료를 포함한다.
41. 항목 1 내지 항목 40 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 단방향 섬유들은 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들을 포함한다.
42. 항목 1 내지 항목 41 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 섬유들은 필라멘트, 토우 섬유들, 스테이플 섬유들, 얀 또는 테이프를 포함한다
43. 항목 1 내지 항목 42 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 섬유들은 2 개 또는 그 초과의 재료들을 포함하는 얀을 포함한다.
44. 항목 1 내지 항목 43 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션은 플라이 그룹들 사이에 건조 섬유들의 적어도 하나의 층을 추가로 포함한다.
45. 항목 44의 연질 패널에 있어서, 건조 섬유들은 직포 재료, 부직 재료, 펠트, 일방향 재료 또는 니트를 포함한다.
46. 항목 1 내지 항목 45 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 복합 재료는 우레탄 수지 매트릭스의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유를 포함한다.
47. 항목 1 내지 항목 45 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 복합 재료의 섬유들은 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들, 아라미드 섬유들, 유리 섬유들, 액정 중합체 섬유들 또는 폴리벤조옥사 졸 섬유들을 포함한다.
48. 항목 1 내지 항목 47 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 매트릭스 재료는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 포함한다.
49. 항목 48의 연질 패널에 있어서, 열경화성 수지는 우레탄 수지, 에폭시 수지, 또는 폴리에스테르 수지를 포함한다.
50. 항목 48의 연질 패널에 있어서, 열가소성 수지는 우레탄, 폴리프로필렌, 나일론, 저분자량 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 스티렌 부타디엔 블록 공중합체, 스티렌 이소프렌 블록 공중합체, 또는 이들의 조합을 포함한다.
51. 항목 1 내지 항목 50 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 매트릭스 재료는 열경화성 고무 또는 열가소성 고무를 포함한다.
52. 항목 1 내지 항목 51 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 복합 재료는 발리스틱 재료를 포함한다.
53. 항목 1 내지 항목 52 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 복합 재료는 수지 매트릭스에 매립된 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들을 포함하는 발리스틱 재료를 포함한다.
54. 항목 1 내지 항목 53 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 복합 재료는 수지 매트릭스에 매립된 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들을 포함한다.
55. 항목 1 내지 항목 54 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 발리스틱 이벤트들 동안 미끄러짐을 허용하면서 정상적인 사용 중에 가공 연화된 라미네이션을 함께 유지하도록 배치되는 체결 기구를 더 포함한다.
56. 항목 55의 연질 패널에 있어서, 체결 기구는 테이프, 리벳, 스크류, 스테이플, 스티칭, 접착제, 후크 앤 루프 패스너(hook and loop fastener), 또는 이들의 조합을 포함한다.
57. 항목 1 내지 항목 56 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 패널 상의 연성 테스트 하중은 볼 플런저 테스트(Ball Plunger test)에 의해 결정되는 바와 같이 75 lbs 미만이다.
58. 항목 1 내지 항목 57 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션을 둘러싸는 엔클로저를 더 포함한다.
59. 항목 58의 연질 패널에 있어서, 엔클로저는 라미네이션에 진공 고정된다.
60. 항목 1 내지 항목 59 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션은 윤곽식 구성(contoured configuration)을 갖는다.
61. 항목 60의 연질 패널에 있어서, 윤곽식 구성은 인체 토르소에 맞도록 윤곽을 포함한다.
62. 항목 59 또는 항목 60의 연질 패널에 있어서, 윤곽식 구성은 여성의 토르소 또는 남성의 토르소에 맞도록 윤곽을 포함한다.
63. 항목 1 내지 항목 62 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 연화 가공된 라미네이션은 복합 재료의 층들 사이에 적어도 하나의 플로킹(flocking) 층을 더 포함한다.
64. 항목 1 내지 항목 63 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 연화된 라미네이션은,
스트라이크면을 포함하는 제 1 플라이 그룹 - 제 1 플라이 그룹의 층들 각각은 131 내지 141 g/㎡의 면밀도를 갖는 프리프레그로 형성됨 -;
제 2 플라이 그룹 - 제 2 플라이 그룹의 층들 각각은 226 내지 240 g/㎡의 면밀도를 갖는 프리프레그로 형성됨;
제 3 플라이 그룹을 포함하며, 제 3 플라이 그룹의 층들 각각은 131 내지 141 g/㎡의 면밀도를 갖는 프리프레그로 형성된다.
65. 항목 64의 연질 패널에 있어서, 제 1 플라이 그룹은 2 내지 14 개의 층들을 포함하고, 제 2 플라이 그룹은 3 내지 12 개의 층들을 포함하고, 제 3 플라이 그룹은 2 내지 14 개의 층들을 포함한다.
66. 항목 64 또는 항목 65의 연질 패널에 있어서, 제 1 플라이 그룹은 8 개의 층들을 포함하고, 제 2 플라이 그룹은 5 개의 층들을 포함하고, 제 3 플라이 그룹은 8 개의 층들을 포함한다.
67. 항목 64 내지 항목 66 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 인접한 플라이 그룹들의 적어도 일 세트 사이에 슬립 평면은, 제 1 플라이 그룹과 제 2 플라이 그룹 사이에 그래핀 입자들 또는 그래핀계 잉크의 제 1 층, 그리고 제 2 플라이 그룹과 제 3 플라이 그룹 사이에 그래핀 입자들 또는 그래핀계 잉크의 제 2 층을 포함한다.
68. 항목 64 또는 항목 67의 연질 패널에 있어서, 각각의 플라이 그룹의 층들 내의 섬유들은 직각으로 크로스플라이된다.
69. 항목 64 내지 항목 68 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서,
제 1 플라이 그룹의 크로스플라이식 섬유들은 0°/90° 구성으로 배향되고;
제 2 플라이 그룹의 크로스플라이식 섬유들은 제 1 플라이 그룹에 대해 + 45°/-45° 구성으로 배향되며; 그리고
제 3 플라이 그룹의 크로스플라이식 섬유들은 0°/90° 구성으로 배향된다.
70. 항목 64 내지 항목 69 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 제 1 플라이 그룹과 제 2 플라이 그룹 사이에 배치되는 폴리에틸렌 발포재의 층을 더 포함한다.
71. 항목 64 내지 항목 70 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 제 1 플라이 그룹에 인접한 스트라이크면으로서 배치되는 건식 펠트 재료의 층을 더 포함한다.
72. 항목 64 내지 항목 71 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 제 3 플라이 그룹에 인접한 배킹 층(backing layer)으로서 배치되는 적어도 하나의 건식 펠트 층을 더 포함한다.
73. 항목 64 내지 항목 72 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 제 3 플라이 그룹에 인접한 배킹 층으로서 배치되는 건식 펠트의 2 개의 층들을 더 포함한다.
74. 항목 1 내지 항목 63 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 라미네이션은,
스트라이크면을 포함하거나 인접한 제 1 플라이 그룹 - 제 1 플라이 그룹의 층들은 직각으로 크로스플라이되고 0°/90° 구성으로 배향됨 - ;
제 2 플라이 그룹 - 제 2 플라이 그룹의 층들은 직각으로 크로스플라이되고 제 1 플라이 그룹에 대해 +45°/-45° 구성으로 배향됨 - ; 및
제 3 플라이 그룹을 포함하며, 제 3 플라이 그룹의 층들은 직각으로 크로스플라이되고 0 °/90 ° 구성으로 배향된다.
75. 항목 74의 연질 패널에 있어서, 건식 펠트 재료를 포함하는 배킹 층을 더 포함한다.
76. 항목 74 또는 항목 75의 연질 패널에 있어서, 인접한 플라이 그룹들의 적어도 일 세트 사이에 슬립 평면은, 제 1 플라이 그룹과 제 2 플라이 그룹 사이에 그래핀 입자들 또는 그래핀계 잉크의 제 1 층, 제 2 플라이 그룹과 제 3 플라이 그룹 사이에 그래핀 입자들 또는 그래핀계 잉크의 제 2 층, 또는 제 3 플라이 그룹과 배킹 층 사이에 그래핀 입자들 또는 그래핀계 잉크의 제 3 층을 포함한다.
77. 항목 1 내지 항목 76 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션은 최대 0.8 lb/ft2의 면밀도에서 2710 ft/sec의 속도로 이동하는 2 그레인 직원기둥 프래그먼트들(grain right circular cylinder fragments)에 대한 V50 테스트를 통과한다.
78. 항목 1 내지 항목 77 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션은 최대 0.8 lb/ft2의 면밀도에서 2400 ft/sec의 속도로 이동하는 4 그레인 직원기둥 프래그먼트들(grain right circular cylinder fragments)에 대한 V50 테스트를 통과한다.
79. 항목 1 내지 항목 78 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션은 최대 0.8 lb/ft2의 면밀도에서 2010 ft/sec의 속도로 이동하는 16 그레인 직원기둥 프래그먼트들(grain right circular cylinder fragments)에 대한 V50 테스트를 통과한다.
80. 항목 1 내지 항목 79 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 가공 연화된 라미네이션은 최대 0.8 lb/ft2의 면밀도에서 1850 ft/sec로 이동하는 17 그레인 프래그먼트 모의 발사체들에 대한 V50 테스트를 통과한다.
81. 항목 1 내지 항목 80 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 면밀도가 최대 0.8 lb/ft2인 가공 연화된 라미네이션은, 적어도 미법무부 방탄복 규정(National Institute of Justice threat level) IIA, 적어도 미법무부 방탄복 규정 II, 적어도 미법무부 방탄복 규정 IIIA, 또는 적어도 미법무부 방탄복 규정 III 에 대한 보호를 제공한다.
82. 항목 1 내지 항목 81 중 어느 하나의 연질 패널에 있어서, 패널은 연질 아머 패널을 포함한다
83. 항목 1 내지 항목 81의 연질 패널을 포함하는 연질 아머 패널.
84. 항목 1 내지 항목 81 중 어느 하나의 연질 패널을 포함하는 아머 패널 물품.
85. 항목 84의 아머 패널 물품에 있어서, 아머 패널 물품은 바디 아머 패널을 포함한다.
86. 항목 85의 바디 아머 패널에 있어서, 바디 아머 패널은 신체 조끼(body vest), 자켓, 헬멧, 스포츠 헬멧, 모자, 안면 보호구(face shield), 안면 마스크(face mask), 귀 패드(ear pad), 귀 덮개(ear covering), 마우스 가드(mouth guard), 목 보호대(throat protector), 턱끈(chin strap), 턱 패드(jaw pad), 눈 가리개(eye shield), 팔꿈치 패드(elbow pad), 바지, 다리 보호대(leg guard), 신 가드(shin guard), 발 보호대(foot guard), 무릎 패드(knee pad), 부츠, 신발, 펜싱 의류, 또는 조끼용 삽입물, 재킷 또는 백팩(back pack)을 포함한다.
87. 항목 84의 아머 패널 물품에 있어서, 아머 패널 물품은 비평면 윤곽을 갖는 강성의 아머의 층을 더 포함하며, 연질 패널은 강성 아머의 비평면 윤곽에 인접하고 윤곽에 순응하도록 형상이 정해진다.
88. 항목 87의 아머 패널 물품에 있어서, 강성 아머는 세라믹 층, 금속 층 또는 복합 발리스틱 재료 층을 포함한다.
89. 항목 84 및 87-88 중 어느 하나의 아머 패널 물품에 있어서, 아머 패널 물품은 차량 도어에 순응하도록 윤곽이 정해진다.
90. 항목 89의 아머 패널에 있어서, 차량 도어는 자동차 도어를 포함한다.
91. 항목 84 및 87-88 중 어느 하나의 아머 패널 물품에 있어서, 아머 패널 물품은 차량 도어 패널 또는 차량 플로어 보드 패널용 패널, 또는 엔진 나셀(engine nacelle)의 내부용 랩핑(wrapping)을 포함한다.
92. 항목 1(81)의 아머 패널을 포함하는 차량을 아머링하기 위한 패널.
93. 연질 패널을 형성하는 프로세스로서,
복수 개의 플라이 그룹들을 제공하는 단계 - 각각의 플라이 그룹은 매트릭스 재료에 매립된 섬유들을 포함하는 복합 재료의 복수 개의 층들을 포함 -; 인접한 플라이 그룹들의 적어도 일 세트 사이에 슬립 평면을 갖는 패널로 플라이 그룹을 함께 라미네이팅하는 단계 - 인접한 플라이 그룹들은 슬립 평면에 연결되지 않거나 실질적으로 연결되지 않은 채로 유지됨 -; 및
패널에 기계적 응력 또는 기계적 변형 또는 열 응력을 가함으로써 패널을 가공 연화시키는 단계를 포함하는, 연질 패널을 형성하는 프로세스.
94. 연질 패널을 형성하는 프로세스로서,
복수 개의 플라이 그룹들을 제공하는 단계 - 각각의 플라이 그룹은 매트릭스 재료에 매립된 섬유들을 포함하는 복합 재료의 복수 개의 층들을 포함 -; 인접한 플라이 그룹들의 적어도 일 세트 사이에 슬립 평면을 갖는 패널로 플라이 그룹을 함께 라미네이팅하는 단계 - 인접한 플라이 그룹들은 슬립 평면에 연결되지 않거나 실질적으로 연결되지 않은 채로 유지됨 -; 및
패널에 기계적 응력 또는 기계적 변형을 가함으로써 패널을 가공 연화시키는 단계를 포함하는, 연질 패널을 형성하는 프로세스.
95. 항목 93 또는 항목 94에 있어서, 기계적 응력 또는 기계적 변형은 굽힘(bending), 전단(shear), 충돌(impingement), 연신(stretching), 또는 압축(compression)에 의해 적용된다.
96. 항목 93 내지 항목 95 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 기계적 응력 또는 기계적 변형은 가공 연화 기계에 의해 적용된다.
97. 항목 93 내지 항목 96 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 기계적 응력 또는 기계적 변형은 가공 연화 기계로 패널을 공급함으로써 적용된다.
98. 항목 97의 프로세스에 있어서, 패널은 가공 연화 기계 내로 다수 회 공급된다.
99. 항목 97 또는 항목 98의 프로세스에 있어서, 패널은 2 회 내지 50 회 사이에서 가공 연화 기계로 공급된다.
100. 항목 97 내지 항목 99 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 패널은 3 회 내지 20 회 사이에서 가공 연화 기계로 공급된다.
101. 항목 97 내지 항목 100 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 패널은 순방향 및 역방향으로 가공 연화 기계 내로 공급된다.
102. 항목 97 내지 항목 101 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 패널은 다중 배향들로 가공 연화 기계 내로 공급된다.
103. 항목 97 내지 항목 102 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 패널은 패널의 에지에 대하여 0°, 30°, 45°, 60° 또는 90° 중 하나 또는 그 초과의 배향으로 가공 연화 기계에 공급된다.
104. 항목 93 내지 항목 103 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 기계적 응력 또는 기계적 변형은 인터메싱 포머들(intermeshing formers) 사이에서 패널을 공급함으로써 적용된다.
105. 항목 104의 프로세스에 있어서, 인터메싱 포머들은 롤러들을 포함한다.
106. 항목 104의 프로세스에 있어서, 인터메싱 포머들은 별 형상(star shaped)이다.
107. 항목 104 내지 항목 106 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 인터메싱 포머들은 복수 개의 포인트들을 갖는 별 형상이다.
108. 항목 104 및 항목 106 내지 항목 107 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 인터메싱 포머들은 2 내지 24 개의 포인트들을 갖는다.
109. 항목 93 내지 항목 108 중 어느 하나의 프로세스에 있어서,
기계적 응력 또는 변형을 적용하는 단계 이전에 또는 단계 중에 패널을 가열하는 단계를 더 포함한다.
110. 항목 93 내지 항목 109 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 패널은 120 내지 250 ℉의 온도로 가열된다.
111. 항목 93 내지 항목 110 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 주변 온도보다 낮은 온도로 패널을 냉각시키는 단계를 더 포함한다.
112. 항목 93 내지 항목 111 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 슬립 평면을 형성하기 위해 인접한 플라이 그룹들 사이에 릴리스 플라이(release ply)를 삽입하는 단계를 더 포함한다.
113. 항목 112의 프로세스에 있어서, 릴리즈 플라이는 그래핀 층을 포함한다.
114. 항목 113의 프로세스에 있어서, 그래핀은 0.0001 인치 내지 0.002 인치 범위의 두께를 갖는다.
115. 항목 112 내지 항목 114 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 릴리즈 플라이는 실리콘 코팅된 종이의 층을 포함한다.
116. 항목 93 내지 항목 114 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계 이전에, 인접한 플라이 그룹들 사이에서 하나의 표면 또는 양자 모두의 표면 상에 그래핀 입자들 또는 그래핀계 잉크로 더 코팅되는 실리콘 코팅 시트를 삽입하여 슬립 평면을 형성하는 단계를 더 포함한다.
117. 항목 116의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계 후에, 실리콘 코팅된 시트를 제거하는 단계, 인접한 플라이 그룹들 상에 그래핀 입자들 또는 그래핀계 잉크를 남겨 두는 단계를 더 포함한다.
118. 항목 116 또는 항목 117의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계 후에, 실리콘 코팅된 시트를 제거하는 단계, 인접한 플라이 그룹들에 그래핀 입자들 또는 그래핀계 잉크를 남겨두는 단계를 더 포함한다.
119. 항목 93 내지 항목 118 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 가공 연화 단계 후에, 패널을 진공 백에 배치하는 단계, 플라이 그룹들을 원하는 윤곽 구성으로 형상을 정하는 단계, 및 진공 백 내에 진공을 적용하는 단계를 더 포함한다.
120. 항목 93 내지 항목 119 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계 전에, 각각의 플라이 그룹의 층들 내의 섬유들이 직각으로 크로스플라이되는 조립체에 플라이 그룹들을 배열하는 단계를 더 포함하며, 제 1 플라이 그룹의 크로스플라이식 섬유들은 0°/90° 구성으로 배향되고 인접한 제 2 플라이 그룹의 크로스플라이식 섬유들은 제 1 플라이 그룹에 대해 30 ° 내지 60° 사이에 각도로 배향된다.
121. 항목 93 내지 항목 120 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 복수 개의 플라이 그룹들의 배면(back face) 상에 건식 펠트 층을 배치하는 단계를 더 포함한다.
122. 항목 93 내지 항목 121 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계는 10 내지 10,000psi 범위의 압력에서 플라이 그룹들을 라미네이팅하는 단계를 더 포함한다.
123. 항목 93 내지 항목 122 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계는 2000 내지 4000psi 범위의 압력에서 플라이 그룹들을 라미네이팅하는 단계를 더 포함한다.
124. 항목 93 내지 항목 123 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계는 70 내지 500 ℉ 범위의 온도에서 플라이 그룹들을 라미네이팅하는 단계를 더 포함한다.
125. 항목 93 내지 항목 124 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계는 200 내지 300 ℉ 범위의 온도에서 플라이 그룹들을 라미네이팅하는 단계를 더 포함한다.
126. 항목 93 내지 항목 125 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계는 10 분 내지 10 시간 범위의 시간 기간동안 플라이 그룹들을 라미네이팅하는 단계를 더 포함한다.
127. 항목 93 내지 항목 126 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계는 30 분 내지 10 시간 범위의 시간 기간동안 플라이 그룹들을 라미네이팅하는 단계를 더 포함한다.
128. 항목 93 내지 항목 127 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 라미네이팅 단계 후에, 패널의 플라이 그룹들 중 하나의 플라이 그룹을 역전(reversing) 또는 플립핑하는(flipping) 단계를 더 포함한다.
129. 항목 93 내지 항목 128 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 패널을 인간 토르소의 형태로 형상을 정하는 단계를 더 포함한다.
130. 항목 93 내지 항목 129 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 가공 연화 후에 밀봉된 커버에 패널을 에워싸는 단계를 더 포함한다.
131. 항목 93 내지 항목 130 중 어느 하나의 프로세스에 있어서, 밀봉된 커버로부터 진공에 의해 공기를 배출시키는 단계를 더 포함한다.
132. 패널을 가공 연화시키기 위한 장치에 있어서,
하우징, 하우징의 입구 개구로부터 하우징의 출구 개구까지 하우징을 통해 연장하는 공급 경로;
하우징 내에서 공급 경로 상으로 회전하도록 장착되는 포머들의 상부 로우(upper row of formers) ; 및
하우징 내에서 공급 경로 아래로 회전하도록 장착되는 포머들의 하부 로우를 포함하는, 패널을 가공 연화시키기 위한 장치.
133. 항목 132의 장치에 있어서, 포머들의 상부 로우의 포머들은 포머들의 하부 로우의 포머들과 인터메싱한다.
134. 항목 132 또는 항목 133의 장치에 있어서, 포머들은 롤러들을 포함한다.
135. 항목 132 또는 항목 133의 장치에 있어서, 포머들은 별 모양이고 복수 개의 포인트들 및 밸리들을 갖는다.
136. 항목 135의 장치에 있어서, 포머들은 2 내지 24 포인트들을 갖는다.
137. 항목 132 내지 항목 136 중 어느 하나의 장치에 있어서, 상부 포머들은 상부 회전 가능한 샤프트 상에 장착되고 하부 포머들은 하부 회전 가능한 샤프트 상에 장착된다.
138. 항목 132 내지 항목 137 중 어느 하나의 장치에 있어서, 상부 회전 가능한 샤프트 및 하부 회전가능한 샤프트는 순방향 및 역방향으로 회전 가능하다.
본 발명은 첨부 도면들과 함께 이해되는 이하의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 연질 아머 패널의 실시예의 개략적 평면도이며;
도 2는 도 1의 라인들 II-II을 따르는 횡단면도이며;
도 3은 연질 아머 패널을 제조하기 위한 라미네이션 전 층들의 조립체의 개략적 전개도이며;
도 4는 연질 아머 패널에 대한 라미네이션의 개략적 전개도이며;
도 5는 가공 연화된 연질 아머 패널의 사진이며, 범피 텍스처를 예시하며;
도 6은 범피 텍스처를 가진 패널을 평평하게 펴기 위한 일련의 롤러들의 개략적 예시이며;
도 7a는 자신의 에지들을 따라 테이프가 붙여진 연질 아머 패널의 개략적 예시이며;
도 7b는 에지들 근처에서 리벳들을 가진 연질 아머 패널의 개략적 예시이며;
도 8은 진공 백 내의 연질 아머 패널의 개략적 예시이며;
도 9는 일부 연화 기구들의 개략적 예시이며;
도 10은 패널 배향 명명법의 개략적 예시이며;
도 11은 기계 배향에 대한 패널 배향의 개략적 예시이며;
도 12a 내지 도 12d는 연화 기계 내에 패널들을 공급하기 위한 다양한 배향들의 개략적 예시들이며;
도 13a는 대향하는 롤러 연화 기계를 사용하는 공급 프로세스의 실시예의 정면도이며;
도 13b는 도 13a의 공급 프로세스의 등각투상도이며;
도 14는 도 13a 및 도 13b의 프로세스에서 변형 구역들의 개략적 예시이며;
도 15는 인터메싱 별 모양 포머 연화 기계를 사용하는 공급 프로세스의 실시예의 개략적 등각투상도이며;
도 16은 도 15의 연화 기계의 개략적 횡단면 정면도이며;
도 17a는 인터메싱 별 모양 포머 연화 기계에서 2개의 대향하는 별들의 개략적 측면도이며;
도 17b는 도 17a의 2개의 대향하는 별들의 개략적 등각투상도이며;
도 18은 인터메싱 별 모양 포머 연화 기계에서 패널을 프로세싱한 후 접촉 패턴의 개략적 예시이며;
도 19는 연화된 패널을 형성할 때 사용하기 위한 인터메싱 별 모양 형성 기계의 실시예의 정면도이며;
도 20은 도 19의 형성 기계의 후면도이며;
도 21은 도 19의 형성 기계의 인터메싱 구역의 상세도이며;
도 22은 유연성 처짐 테스트의 개략적 예시이며;
도 23은 17-그레인 FSP 테스팅 이후 15"x 15" 슛팩의 정면 및 후면을 예시하며;
도 24는 JP-8 컨디셔닝 및 9 mm FMJ 테스팅 이후 15"x 15" 슛팩의 정면 및 후면을 예시하며;
도 25는 .357-Mag 테스팅 이후 NIJ-C-1 최소 패널의 정면 및 후면을 예시하며;
도 26은 JP-8 컨디셔닝 및 .357-Mag 테스팅 이후 NIJ-C-1 최소 패널의 정면 및 후면을 예시하며;
도 27는 .357-Sig 테스팅 이후 NIJ-C-1 최소 패널의 정면 및 후면을 예시하며;
도 28은 JP-8 컨디셔닝 및 .357-Sig 테스팅 이후 NIJ-C-1 최소 패널의 정면 및 후면을 예시하며;
도 29는 V50 테스트 이후 펠트 배킹 층을 가진 테스트 패널의 후면을 예시하며;
도 30a, 도 30b 및 도 30c는 펠트 배킹 층을 가진 테스트 패널의 펠트 섬유들에서 발견된 프래그먼트들을 예시하며;
도 31은 정면상에 이펙터 프라이 없는 테스트 패널에 대한 3개의 샷들을 예시하며; 그리고
도 32는 정면상에서 이펙터 플라이를 가진 테스트 패널에 대한 3개의 샷들을 예시한다.
아머 패널, 이를테면 연질 아머 패널은 제공되고, 상기 아머 패널은, 상기 패널이 예컨대 인체에 순응할 수 있기에 충분한 순응을 도입하도록 가공 연화된 강성 복합 재료로 형성된다. 패널의 가공 연화는 재료에 결함들을 도입시킨다. 부가적으로, 패널은 라미네이션 내에 슬립 평면들의 포함에 의해 인접한 플라이 그룹들에 연결되지 않거나 실질적으로 연결되지 않은 플라이 그룹들의 라미네이션으로 형성된다. 테스팅(아래에 추가로 설명됨)은, 더 우수한 발리스틱 성능이 종래의 연질 아머에 비해 달성될 수 있다는 것을 도시하였다.
도 1-도 2를 참조하여, 연질 아머 패널의 일 실시예는 복수의 플라이 그룹들(20)을 포함하는 라미네이션으로 형성된다. 배킹 층 또는 층들(40) 및/또는 정면 층 또는 층들(50)은 원한다면 포함될 수 있다. 다른 내부 층들(도 1 및 도 2에 도시되지 않음)은 원한다면 포함될 수 있다. 각각의 플라이 그룹(20)은 매트릭스 재료에 매립된 섬유들의 복합 재료의 복수의 층들(22)을 포함한다. 각각의 층에서 섬유들은 아래에 추가로 설명되는 다양한 배향들을 가질 수 있다. 패널(10)을 형성하기 위하여, 플라이 그룹들의 스택, 및 선택적으로 다른 층들은 각각의 플라이 그룹 내에서 층들을 통합하기 위하여 열 및 압력 하에서 함께 라미네이팅된다. 아래에 추가로 설명되는 슬립 평면들(30)은 적어도 2개 간에 그리고 일부 실시예들에서 패널 내의 모든 인접한 플라이 그룹들 간에 형성된다. 슬립 평면들은 인접한 플라이 그룹들로 하여금 라미네이션 후 서로 연결되지 않거나 실질적으로 연결되지 않은 채로 있게 하고 그리고 슬라이딩이 발리스틱 이벤트 시 플라이 그룹들의 인접한 표면들 간에 더 쉽게 발생하게 하고, 이는 최대 후면 측 편향을 감소시키는 것을 돕는다. 라미네이팅된 패널은 후속하여 가공 연화되고, 이는 각각의 통합된 플라이 그룹에 복수의 결함들을 도입시키고 라미네이션이 더 순응하게 한다. 패널 전반에 걸쳐 임의의 위치에서 발생할 수 있는 결함들은 플라이 그룹 내의 섬유들 또는 층들 간 또는 라미네이팅된 플라이 그룹들 간에 하나 또는 그 초과의 해체 결함들 및 디라미네이션 결함들을 포함한다. 가공 연화되거나 순응하는 아머 패널은, 의복 이를테면 방탄 조끼에 사용될 때 인간 토르소에 더 쉽게 순응할 수 있고 착용하기에 더 편안하다.
플라이 그룹들(20) 및 라미네이션을 위해 배열된 다른 층들의 예시적인 패널 어셈블리(12)는 도 3에 개략적으로 예시된다. 도시된 패널 어셈블리는 3개의 플라이 그룹들(20)을 가지지만, 임의의 원하는 수의 플라이 그룹들은 애플리케이션에 따라 사용될 수 있다. 유사하게, 각각의 플라이 그룹은 애플리케이션에 따라 임의의 적절한 수의 층들(22)을 가질 수 있다. 보호 필름(60)은 오일, 휘발유, 및 다른 오염물들로부터 보호를 제공하기 위하여 각각의 플라이 그룹의 양쪽 표면들 위에 배치될 수 있다. 필름은 예컨대 복합 재료의 섬유들의 용융 온도 미만의 프로세싱 온도를 사용하여 예컨대 폴리올레핀, 바람직하게 고밀도 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌, 우레탄, 또는 다른 열가소성 또는 열경화성으로 만들어질 수 있다. 필름은 라미네이션 동안 인접한 플라이 그룹에 본딩된다. 패널 어셈블리의 외부 표면들은 또한 라미네이션 동안 인접한 표면에 전달되는 보호 필름(60)으로 커버될 수 있다.
패널 어셈블리에서, 적어도 2개의 그리고 일부 실시예들에서는, 모든 인접한 플라이 그룹들이, 라미네이션 동안, 의도된 슬립 평면(30)에 의해 분리된다. 플라이 그룹들 간의 슬립 평면들은, 발리스틱 이벤트, 즉 총기(firearm)에 의해 발화된 총알과 같은 발사체에 의한 충격 동안 패널이 잘 수행될 수 있도록 충분한 슬리피지를 허용하는 (아래에 추가로 설명되는) 다양한 기구들에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 슬립 평면은 또한, 정상 사용 동안(발리스틱 이벤트 동안은 아님), 이를테면 패널이 물품, 예컨대 사람이 착용한 방탄조끼에 포함될 때, 함께 그리고 원하는 형상으로 패널을 유지하도록 도울 수 있다. 즉, 인접한 플라이 그룹들 간의 부착 또는 슬립의 정도는 슬립 평면 및 슬립 평면을 제조하는 기구를 형성하는 재료(들)의 선정에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 본원에서 사용되는 것처럼, 플라이 그룹들은, 정상 사용을 위한 특정 형상으로 플라이 그룹들을 서로 유지하도록 도우면서, 플라이 그룹들로 하여금 발리스틱 이벤트 동안 서로에 대해 전단 이동하도록 슬립 평면(들)이 허용할 때, "실질적으로 비연결"된다.
일부 실시예들에서, 슬립 평면은 라미네이션 동안 릴리즈 플라이의 포함에 의해 생성된다. 릴리즈 플라이는 들러붙지 않는 재료의 기재(32), 이를테면 릴리즈 제제, 이를테면 실리콘 또는 다른 낮은 표면 에너지 재료로 코팅된 페이퍼를 포함할 수 있다. 들러붙지 않는 기재는 인접한 표면들에 대한 용융되거나 또는 본딩되지 않고 라미네이션 기계 내에서의 가열 및 압력을 견딜 수 있어, 이 들러붙지 않는 기재가 추후에 제거될 수 있다. 들러붙지 않는 기재는 추가로, 라미네이션 동안, 인접한 보호 필름(60)을 플라이 그룹 표면들 상에 전달하는 (도 3 및 도 4에 점(dot)들로 개략적으로 예시된) 슬립 제제(34)로 양면들 상에 코팅된다. 일 실시예에서, 슬립 제제는 그래핀을 포함한다. 일부 실시예들에서, 릴리즈 플라이 상의 그래핀은 0.0001 inch 내지 0.002 inch 범위의 두께를 갖는 층으로서 적용되는 그래핀 입자들 또는 드라이 그래핀계 잉크로서 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 그래핀 층은 인접한 플라이 그룹 중량의 1 wt.% 또는 이 미만을 포함한다. 하나의 적절한 그래핀계 잉크로는 Vorbeck Materials Corporation로부터 상업적으로 입수가능한 VOR-INK
Figure 112017063005691-pct00001
가 있다. 그래핀계 잉크는 액체로 이용 가능하며, 이는 전체 시트를 코팅하기 위해 오목하지 않은 실린더를 사용하는 윤전그라비어 인쇄와 같은 인쇄 프로세스에 의해 릴리즈 플라이의 시트, 이를테면 실리콘-코팅 페이퍼 상에 코팅되고 드라이처리될 수 있다. 다른 인쇄 프로세스, 이를테면 철판 인쇄(flexographic printing), 리소그래피, 오프셋 인쇄, 스크린 인쇄 또는 디지털 인쇄가 사용될 수 있다. 잉크는 추가의 컴포넌트들, 이를테면 중합체 바인더들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 더 적은 양의 바인더가 더 나은 윤활성을 제공하기 때문에, 더 적은 양의 바인더를 갖는 잉크가 사용될 수 있고, 더 적은 양의 바인더를 갖는 잉크는 또한 릴리즈 플라이로부터의 잉크 박리 특성을 개선시킬 수 있으며, 이는 플라이 그룹 표면에 그래핀을 전달하고 슬립 평면 생성을 도울 수 있다.
그래핀과 같은 슬립 제제(34)를 갖는 릴리즈 플라이(32)가 또한 패널의 스트라이크면 상에 로케이팅될 수 있다. 이 경우에, 갑자기 형성되는 그래핀-함침된 표면은 본원에서 설명된 바와 같은 연질 아머 패널의 더 적은 관통을 초래한다.
다양한 재료들은 그들의 마찰 계수에 따라 그리고 인접한 플라이 그룹에 본딩하여 슬립 제제로 기능할 수 있다. 예들은 그래핀 입자들, 금속성 입자들, 세라믹 입자들, 페이퍼, 플라스틱 필름들(이를테면 고밀도 폴리에틸렌 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트), 또는 금속성 포일들(이를테면 알루미늄 포일)을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 사용할 슬립 제제의 양 및 타입은 보호가 요구되는 위협 레벨, 및 완전한 연질 아머 패널의 두께 및 기하학적 형상에 따라 변할 수 있다. 예컨대, 방탄 조끼는 특소형부터 특대형까지 다양한 사이즈들로 만들어질 수 있고, 그리고 각각의 사이즈의 기하학적 형상 또는 모양은 다르다. 더 작은 사이즈들은 더욱 직사각형인 모양을 갖는 경향이 있고, 그리고 더 큰 사이즈들은 암홀들 및 넥라인에 대한 더 큰 컷어웨이 영역을 갖는 경향이 있다. 더 큰 사이즈들은 동일한 위협 레벨을 충족시키기 위해서 더 작은 사이즈들보다 더 많은 양의 슬립 제제를 이용할 수 있다. 슬립 제제의 양은, 예컨대, 이를테면 아래에서 추가로 설명되는 백 사이드 디플렉션 테스트 및 V50 테스트를 통해 특정 위협 레벨에 대해 테스트함으로써 경험적으로 쉽게 결정될 수 있다.
슬립 평면들이 다양한 방식들로 라미네이션에 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 릴리즈 필름, 이를테면 실리콘-코팅 페이퍼 또는 실리콘 코팅 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름이 플라이 그룹들 사이에 통합될 수 있다. 후속적인 연화가 필름 층 위치들에서 패널을 디라미네이팅하는 경향이 있어서, 다중-패널 어셈블리가 생성된다. 다른 예에서, 수지들이 서로 바인딩되지 않는 비-호환적 수지 시스템들이 특정 플라이 위치들에서 엔지니어링된 불연속성들을 생성하기 위해 도입될 수 있다. 추가 예에서, 인접한 플라이들에 있는 섬유들과 상이한 각도들로 배향된 섬유들을 포함하는 단일 플라이 또는 일부 플라이들이 플라이 그룹들 사이 또는 플라이 그룹들 내를 비롯해서 패널에 통합될 수 있다. 예컨대, 플라이 그룹은 0°/90°로 배향되는 섬유들의 인접한 층들뿐만 아니라 +45°/-45°로 배향된 섬유들의 인접한 층들을 포함할 수 있다. 그러한 섬유 배향은 종종 기술 분야에서 크로스플라이식 UD(단방향)로 지칭된다.
충분한 슬리피지로 하여금 발리스틱 이벤트 동안에 잘 수행되게 허용하는 동시에 정상 사용 동안에 패널을 함께 홀딩하면서 그것의 모양을 유지하는 것을 돕기 위해서, 슬립 평면들이 다양한 기구들에 의해서 수정될 수 있다. 예컨대, 연질 스프레이 또는 접촉 접착제는, 1) 점탄성 성질의 슬립핑에 대해 어느 정도의 저항성이지만 여전히 조화를 허용, 2) 플라이-그룹들 사이의 매끄러움, 및 3) 함께 라미네이션을 홀딩하는 경향이 있는 연결 특징들을 포함하는 다양한 특징들을 슬립 평면에 추가할 수 있다. 접착제가 가공 연화 이전에 또는 이후에 적용될 수 있다. 3M Super 77TM 스프레이 접착제와 같은 연질 스프레이 접착제가 적절한 접착제이다. 다른 예에서, 패스닝 기구, 이를테면 후크 및 루프 패스너(예컨대, VELCRO® 패스너)가 패치들의 플라이-그룹들 사이에 또는 연속적으로 로케이팅될 수 있고, 그리고 유사한 속성들을 제공할 수 있다.
이러한 기술들의 조합들이 단일 슬립 평면 또는 다수의 슬립 평면들을 생성하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 각 슬립 평면은, 라미네이션 전체에 걸쳐서 상이한 레벨들의 슬리피지 또는 부착을 제공하기 위해 상이한 기술 또는 기술들을 사용하여 생성될 수 있다.
패널 조립체는 라미네이션을 위해 라미네이션 기계에 배치된다. 요구되는 경우, 다수의 패널 조립체들이 동시에 스태킹되고 라미네이팅될 수 있다. 예컨대 실리콘 코팅 페이퍼의 릴리즈 플라이(32)가 또한, 라미네이션 기계로의, 또는 존재하는 경우, 다른 패널 조립체로의 부착을 방지하기 위해, 조립체의 외측 표면들 모두에 배치된다. 라미네이션은, 사용되는 재료들 및 패널 조립체의 두께 및 기하학적 형상에 따라, 10 분 내지 10 시간 범위의 지속기간 동안 10 내지 10,000 psi 범위의 압력에서 70 내지 500 ℉ 범위의 온도에서 발생할 수 있다. 일부 실시예들에서, 라미네이션은 2000 내지 4000 psi 범위의 압력에서 발생할 수 있다. 일부 실시예들에서, 온도는 200 내지 300 ℉의 범위일 수 있다. 바람직하게는, 상부 온도는, 플라이 그룹의 섬유들의 용융 온도 미만으로, 또는 비-용융 섬유들의 경우에는, 예컨대, 최고 속도의 프로세싱 및/또는 바람직한 매트릭스 특징들을 달성하도록 수지 매트릭스를 프로세싱하는 데에 유리한 온도로 선택된다. 일부 실시예들에서, 라미네이션은 30 분 내지 10 시간 범위의 지속기간 동안 발생할 수 있다. 라미네이션 동작 동안, 플라이 그룹(20) 내의 층들(22)은 통합되고 서로 부착되는 한편, 릴리즈 플라이(32)에 의해 분리되는 인접한 플라이 그룹들 사이에서는 부착이 거의 발생하지 않거나 또는 아예 발생하지 않는다. 결과적인 라미네이션은 강성 패널이다. 예컨대, 하기 설명되는 바와 같은 처짐(droop) 테스트에서, 처짐 각도는 실질적으로 0°이다.
다수의 패널 조립체들이 단일 라미네이션 동작으로 라미네이팅되는 경우, 이들은, 예컨대, 릴리즈 플라이를 따라 수작업으로 분리된다. 각각의 결과적인 라미네이팅된 패널은 원하는 형상, 예컨대 도 1에 예시된 바와 같이 방탄 조끼에 적합한 형상으로 커팅될 수 있다. 플라이 그룹들은 들러붙지 않는 기재들(32)(예컨대, 실리콘 코팅 페이퍼)을 제거하기 위해 슬립 평면들에서 분리될 수 있어서, 플라이 그룹들(20)의 표면들 상의 필름(60)에 부착되는 슬립 제제(34)(예컨대, 그래핀)를 남길 수 있다. 도 4를 참조한다. 각 플라이 그룹 내의 층들은 수작업으로 분리 가능하지 않다. 그 다음에, 플라이 그룹들은 리스태킹되고(restacked), 패널은 플라이 그룹들 내로 결함들을 도입시키고 패널의 준수를 증가시키기 위해 (하기에서 더 설명되는) 가공 연화를 위해 가공 연화 기계 내로 도입된다.
가공 연화 이후, 패널(10)은, 예컨대, 일련의 작은 직경(예컨대, 5/8 인치) 롤러들(70) 사이에서 패널을 통과시킴으로써, 플래트닝될 수 있는 범피 텍스처(도 5)를 가질 수 있다. 예컨대, 도 6을 참조한다. 또한 가공 연화 이후, 인접한 플라이 그룹들로부터 슬립 평면에 의해 분리되는 하나 또는 그 초과의 플라이 그룹들의 섬유 배향은, 하나 또는 그 초과의 플라이 그룹들을 회전 또는 플리핑시킴으로써 변경될 수 있다. 이는, 일부 실시예들에서, 불연속성들을 무작위화하고 패널에 추가적인 불연속성들을 제공하는 것을 도울 수 있다.
임의의 추가적인 층들, 이를테면 배킹 층(50) 및/또는 스트라이크면 층(40)이 패널에 부가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 펠트 층들은 향상된 프래그먼트 보호를 위한 캐쳐 층으로서 동작하도록 배킹 층으로서 부가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 펠트 층들은 예컨대, 총알로부터 재킷을 스트리핑함으로써 착신 발사체를 변형하는 프로세스를 시작하기 위해 전방 이펙터 플라이 또는 스트라이크면 층으로서 부가될 수 있다.
스택은 임의의 적절한 방식으로, 이를테면, 에지들을 따른 테이프로, 선택된 위치들에서 리벳들, 스티칭 또는 후크 앤 루프 패스너들로, 또는 연질 접착제로 함께 체결되어, 발리스틱 이벤트 동안 슬립 평면들을 따른 슬립을 여전히 허용하면서, 플라이 그룹들 및 다른 층들을 마감된 물품으로서 함께 유지할 수 있다. 중합체 기반 압력 감지 접착제, 이를테면 오하이오의 The Gorilla Glue Company로부터 입수가능한 Gorilla 테이프가 에지 테이프로서 적절하다. 예컨대, 도 7a는 에지들이 테이프(72)로 함께 유지되는 바디 아머에 대한 조끼(vest) 패널에 형성되는 연화된 패널(10)의 실시예를 예시한다. 다른 예에서, 도 7b는 예컨대, 숄더들 및 넥라인을 따라 그리고 하부 코너들 주위에서, 패널의 에지들 근처의 위치들의 패널의 두께에 걸쳐 리벳들(73)이 삽입된 실시예를 예시한다. 패스너들은 원하는 대로 임의의 다른 위치들에 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 점착 스티치들이 패널을 함께 유지하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 스택은 보호용 커버링 내에 배치되고 밀봉된다. 보호용 커버링은 임의의 적절한 재료, 이를테면 30 내지 200 데니어 범위의 밀봉-코팅된 립-스톱 나일론일 수 있다. 다른 실시예들에서, 보호용 밀봉된 커버링은 사용 또는 요구되지 않는다.
일부 실시예들에서, 가공 연화 이후, 순응하는 패널은 예컨대 남성 또는 여성 토르소에 부합하도록 원하는 윤곽으로 형상화될 수 있다. 일 실시예에서, 플라이 그룹들의 어셈블리를 포함하는 가공 연화된 패널(10)은 진공 백(76) 내에 배치될 수 있고, 진공 없이 원하는 윤곽으로 형상화될 수 있다. 플라이 그룹들은 비교적 낮은 벤딩 강성으로 서로에 대해 슬라이딩하여, 바디 윤곽들에 대한 부합을 허용할 수 있다. 윤곽식 형상을 유지하면서, 진공 백은 배기되어, 플라이 그룹들의 어셈블리를 함께 클램핑하고 이들을 하나처럼 동작하게 한다. 진공 하에서 클램핑되면, 패널은 윤곽 형상을 유지하는 경향이 있다. 견고함의 정도는 진공의 양에 의해 증가 또는 감소될 수 있다. 발사체에 의한 충돌 시에 진공 밀봉은 파괴될 것이지만, 패널의 발리스틱 성능은 동일하게 유지될 것이다.
형상화된 패널은 또한 원하는 윤곽을 유지하기 위해, 예컨대, 테이프, 점착 스티칭, 리벳들, 접착제 등과 함께 점착될 수 있다. 포인트 본딩은, 플라이들이 발리스틱 이벤트 동안에 서로에 대해 전단에서 이동하도록 여전히 허용하면서, 윤곽을 유지하기에 충분할 수 있다.
더 구체적으로, 예컨대, 함께 구부러지지만, 서로에 대해 슬라이딩하도록 허용되는 3 개의 독립적인 플라이 그룹들의 조립체의 벤딩 강성은 다음에 주어진 독립적인 벤딩 강성의 합이다.
Figure 112017052212307-pct00002
여기서 h0는 하나의 플라이-그룹의 두께이고(특정 경우에 동일한 것으로 가정됨), E는 플라이 그룹의 유효 모듈러스이다. 그러나, 플라이 그룹들이 정상 사용 동안에(즉, 발리스틱 이벤트 동안이 아님) 다른 것에 대해 하나의 플라이 그룹의 슬라이딩을 억제하기에 충분한 힘으로 함께 본딩되거나 그렇지 않다면 유지되면, 벤딩 강성은 다음과 같이 주어진다.
Figure 112017052212307-pct00003
이것은 슬라이딩 조립체의 벤딩 강성의 9 배이다. 보강 효과는 1) 이방성 층들로 구성된 플라이 그룹들, 2) 플라이 그룹들이 동일하지 않은 경우, 및 3) 플라이 그룹들의 수가 2보다 더 크거나 그와 동일한 경우에 또한 발생할 것이다.
일부 실시예들에서, 견고함의 정도는 사람이 밸브로 진공 파우치에 밀봉된 방탄 조끼를 착용함으로써 변경될 수 있다. 밸브는 더 느슨한 적합성(fit)을 위해 공기를 넣도록 개방될 수 있다. 펌프, 이를테면 수동 또는 전동 펌프는 견고한 적합성을 위해 펌프로 공기를 빼내기 위해 밸브에 부착될 수 있다.
위에 언급된 바와 같이, 각각의 플라이 그룹은 복수의 층들로 형성되고, 각각의 층은 매트릭스 재료에 매립된 섬유들의 복합 재료로 형성된다. 각각의 층 내의 섬유들은, 예컨대, 직조, 비-직조, 펠트식, 단방향성, 크로스-플라이 또는 니트 또는 이들 타입들의 조합들일 수 있다. 각각의 플라이 그룹 내의 층들의 수는 1 내지 10 개의 층들 또는 그 초과의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 플라이 그룹은 1 개의 층, 2 개의 층들, 3 개의 층들, 4 개의 층들, 5 개의 층들, 6 개의 층들, 7 개의 층들, 8 개의 층들, 9 개의 층들, 10 개의 층들 또는 그 초과의 층들을 가질 수 있다. 하나의 패널 내에서, 상이한 플라이 그룹은 상이한 수들의 층들을 가질 수 있다. 다른 타입들의 층들, 이를테면 펠트 층들, 발포재 층들 또는 필름 층들은 패널에, 예컨대, 플라이 그룹들 간에 또는 라미네이션의 정면 또는 배면 상에 포함될 수 있다.
일 실시예에서, 플라이 그룹의 계층들은 우레탄 수지 매트릭스에 매립된 UHMWPE(ultra-high molecular weight polyethylene)의 섬유들을 포함한다. 적절한 UHMWPE 재료는, 교번적인 배향들, 예를 들어, 2-계층화된 또는 4-계층화된 프리프레그에 대해 0 °/90 ° 또는 0 °/90 °/0 °/90 °로 스태킹되거나 크로스플라이식의 단방향 섬유들의 몇 개의 플라이들로부터 이루어진 프리프레그로서 상업적으로 입수 가능하다. 각각의 계층 내의 섬유들은 또한 0 °와 90 °의 임의의 다른 각도로 크로스플라이될 수 있다. 프리프레그의 하나의 시트는 플라이 그룹에서 계층을 형성할 수 있다.
초-고분자량 폴리에틸렌 섬유는 당 분야에 알려진 임의의 기술에 의해 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 용융 또는 겔 스피닝 프로세스가 사용될 수 있다. DYNEEMA®란 이름으로 DSM Corporation이 판매하는 Gel spun UHMWPE 섬유들이 하나의 적절한 실시예이다. 용융 스피닝 프로세스가 사용되는 경우, 제조에 사용되는 폴리에틸렌 시작 재료는 일부 실시예들에서, 20,000 내지 600,000 g/mol, 보다 바람직하게는 60,000 내지 200,000 g/mol의 중량 평균 분자량을 갖는다. 용융 스피닝 프로세스의 예는 EP 1,350,868에 개시된다. 겔 스피닝 프로세스가 사용되는 경우, UHMWPE는 일부 실시예들에서, 적어도 3 dl/g, 바람직하게는 적어도 4 dl/g, 보다 바람직하게는 적어도 5 dl/g의 고유 점도(IV)로 사용된다. 일부 실시예들에서, IV는 기껏해야 40 dl/g, 바람직하게는 기껏해야 25 dl/g 이하, 보다 바람직하게는 기껏해야 15 dl/g이다. IV는 상이한 농도들에서 측정된 점도를 제로 농도로 외삽함으로써 135 ℃의 데칼린에서 ASTM D1601에 따라 결정될 수 있다(용해 시간은 16 시간이고, 산화 방지제로서 2g/l 용액의 양의 DBPC를 이용함). 바람직하게는, UHMWPE는 100 C 원자 당 1 곁사슬 미만, 보다 바람직하게는 300 C 원자 당 1 곁사슬 미만을 갖는다. 겔 스피닝 프로세스들의 예들은 예컨대, EP 0205960 A, EP 0213208 A1, US 4,413,110, GB 2042414 A, GB-A-2051667, EP 0200547, EP 0472114 B1, WO 2001/73173 A1, 및 EP 1,699,954에서 설명된다.
수지 매트릭스에서 UHMWPE 섬유들 중 하나의 적절한 상업적으로 입수 가능한 프리프레그 재료는 DSM Corporation로부터의 브랜드 이름 DYNEEMA®, 예컨대, DYNEEMA® HB-2, HB-26, HB-50, HB-56, HB-210, HB-212, 또는 BT-10 하에서 이용 가능하다. 플라이 그룹들은 임의의 다른 적절한 섬유, 제한 없이, 예를 들어, 아라미드 섬유들, 유리 섬유들, 액정 중합체(LCP) 섬유들 및 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유들로 제조될 수 있다. 섬유들의 결합들이 또한 사용될 수 있다. 다양한 수지들은 매트릭스 재료, 제한 없이, 이를테면, 열경화성 수지 또는 고무 또는 열가소성 수지 또는 고무에 대해 사용될 수 있다. 열경화성 수지들 및 고무들은 우레탄, 에폭시 및 폴리에스테르 열경화성 수지들을 (제한없이) 포함할 수 있다. 열가소성 수지들 및 고무들은 폴리프로필렌, 나일론, 저 분자량 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 또는 스티렌 부타디엔 블록 공중합체 또는 스티렌 이소프렌 블록 공중합체(예컨대, Kraton Performance Polymers, Inc.로부터 입수 가능함)를 포함하는 폴리올레핀들을 (제한없이) 포함할 수 있다. 이러한 재료들의 조합들이 또한 사용될 수 있다.
플라이 그룹 내의 또는 계층 내의 섬유들은 필라멘트, 토우, 스테이플, 또는 테이프와 같은 임의의 형태를 취할 수 있다. 섬유들은 연속하는 꼬인 형태의 연속 또는 불연속 섬유들의 어셈블리인 얀들의 형태일 수 있다. 얀들은 연속 및 불연속 섬유들의 조합들로부터 형성될 수 있다. 얀들은 다수의 섬유 타입들, 이를테면 혼성 섬유들로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 아라미드 섬유들 및 UHMWPE 섬유들의 조합들이 사용될 수 있다. 예컨대, 섬유들이 시스/코어, 나란히 또는 다른 구성으로 2개의 상이한 재료들로 형성되는 바이컴포넌트 섬유들이 사용될 수 있다.
플라이 그룹들은, 섬유들이 인접한 플라이 그룹들 또는 스택 내의 임의의 다른 플라이 그룹과 관련하여 상이한 각도들로 배열되는 상태로 스태킹될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 플라이 그룹의 단방향 크로스플라이식 섬유들은 0°/90° 구성으로 배향되고, 인접한 제 2 플라이 그룹 내 크로스플라이식 섬유들은 제 1 플라이 그룹에 대하여 30°내지 60°의 각도로 배향된다. 일부 실시예들에서, 제 2 플라이 그룹 내 크로스플라이식 섬유들은 제 1 플라이 그룹에 대해 +45°, -45°구성으로 배열된다. 추가적인 실시예들에서, 제 2 플라이 그룹에 인접한 제 3 플라이 그룹 내 크로스플라이식 섬유들은 0°/90°구성으로 배향된다. 일부 실시예들에서, 층들의 적어도 하나 내의 플라이들 모두의 섬유들이 동일한 방향으로 배향된다. 다른 실시예들에서, 층들 중 적어도 하나 내의 인접한 플라이들의 섬유들은 상이한 각도들로 배향된다.
패널은, 예컨대, 직조된, 부직, 펠트식, 단방향, 또는 니트식 섬유 층들일 수 있는, 하나 또는 그 초과의 건조(즉, 5 중량% 미만의 수지를 갖는 또는 바람직하게는 수지가 없는) 섬유 층들을 포함할 수 있다. 건조 패브릭들은 일반적으로, 강성을 추가하는 수지가 없기 때문에, 프리프레그들 보다 더 연질이다. 예를 들어, UHMWPE 또는 아라미드의 건식 직조된 패브릭들은 패널 내의 프리프레그의 플라이 그룹들(예컨대, 우레탄 매트릭스의 UHMWPE 섬유들) 사이에서 산재될 수 있다. 다른 예로서, UHMWPE 또는 아라미드의 건조 펠트들은 패널 내의 프리프레그의 플라이 그룹들 사이에서 산재될 수 있다. 건조 패브릭들은 얀들 또는 임의의 다른 섬유 형태로 형성될 수 있다. 건조 펠트의 일 실시예는 약 0.038 lb/ft2의 면밀도를 갖는다.
패널은 동일한 재료 또는 상이한 재료들의 플라이 그룹들 또는 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상이한 기계적 특징들을 갖는 재료들은 최종 제품에서 더 넓은 범위의 기계적 특징들을 제공하도록 결합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 패널은 적어도 세 개의 그룹들을 포함할 수 있으며, 중간 플라이 그룹은 외부 또는 주위의 플라이 그룹들의 면밀도들을 초과하는 면밀도를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 플라이 그룹의 면밀도는 0.05 lb/ft2 내지 1.0 lb/ft2의 범위일 수 있다. 일부 실시예들, 특히, 바디 아머로서 사용하도록 의도되는 실시예들에서, 라미네이션, 가공 연화, 및 임의의 추가적인 층들의 추가 이후의 패널은 0.01 내지 0.5 인치 범위의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 두께는 0.01 내지 0.3 인치의 범위일 수 있다. 그러나, 애플리케이션에 따라, 더 크거나 또는 더 작은 면밀도들 및/또는 두께들이 제공될 수 있다.
위에서 주목된 바와 같이, 라미네이션 이후에, 결함들을 각각의 플라이 그룹에 도입하기 위해 패널은 가공 연화된다. 본원에서 사용되는 가공 연화 또는 연화는, 의도되는 결과가 물품의 증가되는 준수, 즉, 감소되는 강성인, 물품에 대한 기계적 응력 또는 변형의 애플리케이션 또는 열 응력의 애플리케이션 또는 이들의 조합을 지칭한다. 연화 프로세스에서 통상적으로 사용될 수 있는 세 개의 응력 또는 변형 기구들은, 도 9에서 개략적으로 도시된 벤딩, 전단, 및 충돌이다. 연신(인장) 및 압축 기구들이 또한 사용될 수 있다. 사용되는 기구에 따라, 연화를 달성하기 위해 다양한 타입들의 장비가 제공될 수 있다. 열 또는 냉각의 사용에 의해 열 응력이 적용될 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 플라이 그룹들의 라미네이팅된 스택을 포함하는 강성 패널은 연화 기계에 공급되며, 이 연화 기계는 하나 또는 그 초과의 기계적 응력 또는 변형 기구들을 패널에 적용한다(아래에서 추가로 설명됨). 도 10은 연화 프로세스 및 연화 기계와 관련하여 사용하기 위한 패널 배향 명명법을 도시하며: 패널 0° 방향은 제조시 대개 정의되는 하나의 에지를 따르며, 패널 90° 방향은 패널 0° 방향에 대해 수직이다. 패널은 이 패널과 연관된 이들 배향들을 갖기 위해 정사각형 또는 직사각형일 필요가 없다. 또한, 0° 내지 360°의 임의의 각도로 있을 수 있는 임의적인 배향이 있다. 이들 배향들은, 섬유 배향 및 스태킹 시퀀스에 대한 기준 패널 방향들, 뿐만 아니라 연화 기계로의 공급 방향에 사용된다.
도 11은 패널이 기계에서 변형되는 방법을 참조하기 위해 사용되는 기계 방향들을 도시한다. "X" 축은 기계의 공급 방향으로 있으며, "Y" 축은 일반적으로 "X"에 대해 수직인 기계의 폭에 걸쳐 있다. 기계의 구성에 따라, 패널 연화 변형은 X 축, Y 축, 또는 둘 모두를 따라 이루어질 수 있다. 패널은 공급 방향으로 기계를 통해 한 번 또는 다수 번 이동할 수 있거나, 또는 패널은 처음에 공급 방향으로, 그리고 이후, 예컨대 기계를 역전 방향으로 실행함으로써, 공급 방향에 반대로, 전후로 이동할 수 있다. 패널은, 연화 효과를 증가시키기 위하여, 그러한 전후 시퀀스로 다수 번 이동할 수 있다.
설명된 단일 기계 패스와 더불어, 상이한 패널 배향 각도로 다수의 패스들이 가능하여서, 연화 프로세스를 추가시키고 균일한 연화를 촉진시킨다. 도 12a-12d는, 예들로서, 연화 기계로의 4개의 공급 배향 각도들 -45°, 45°, 0°, 90°를 도시한다. 0°와 360° 간의 임의의 각도가 가능하다.
일 실시예에서, 연화 기계를 통한 다수의 패스들이 수행될 수 있고, 다양한 패널 각도들이 그 기계로 공급된다. 예컨대, 총 8개의 패스들에 대해, 다수의 패스들은 다음의 각도들 45°, -45°, 0°, 90°, 30°, -30°, 60°, -60°를 통해 시퀀싱될 수 있다. 이 시퀀스는 또한, 1, 2, 3, 또는 그 초과 회 반복될 수 있어서, 기계를 통한 8, 16, 24 또는 그 초과 개수의 총 패스들을 산출한다. 먼저 모서리를 공급하는 것이 기계가 "바이트"하고 패널을 디바이스로 풀링하는 것을 돕기 때문에, 45° 배향이 먼저 공급될 수 있고, 패널이 시작하기에 더 연질이고 더 용이하기 때문에 후속적인 패스들은 임의의 각도로 공급하는 것이 더 쉽다.
연화 기계의 일 실시예는 대향 롤러 타입을 가지고, 여기서 연화 프로세스는 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이 두 세트들의 대향 롤러들을 통해 패널을 통과하는 것이고, 롤러들은 "Y" 방향으로 오프셋되어서 패널을 주름진 형상으로 변형시킨다. 뒤쪽 스프링으로 인하여, 패널은 주름진 형상을 보유하는 기계를 빠져 나오지 않을 수 있지만, 패널의 연화 속성들은 보유된다.
도 14는 대향 롤러 기계에서의 변형 구역들을 개략적으로 도시한다. 각각 롤러 아래의 패널에서 1차 벤딩이 발생하여 두께를 통해 계속되는 반면, 1차 전단은 롤러들 간에 발생한다. 이 둘 모두는 기계의 폭에 걸쳐 주로 "Y" 방향으로 변형되지만, 패널이 롤러에 들어가서 평면으로부터 주름진 형태로 전환될 때 일부 "X" 기여가 존재한다.
인터메싱 별 타입 기계는 대향 롤러 타입 상에서의 변형이고, 여기서, 롤러들은 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 별 형상의 포머들(본원에서 별들, 연화 별들, 또는 별 포머들이라 또한 칭해짐)로 대체된다. 전단과 벤딩 변형은 "Y" 방향을 따라 별들이 인터메싱되게 함으로써 "Y" 방향을 따라 촉진된다. 도 16은 기계의 단면 전방뷰를 도시하며, "Y" 방향을 따른 교번적인 업/다운 별 포인트들을 나타낸다. "Y" 방향을 따른 교번적인 업/다운 포인트/골 구역들은 패널이 "Y" 방향을 따라 파동형 경로를 따르도록 강제한다. 별들의 포인트들은 또한 포인트 위치들에서 충돌 변형을 촉진한다. 도 17a 및 도 17b에 도시된 바와 같이 "포인트들" 및 "골들"이 라인 업되도록 대향 별을 인터메싱하게 함으로써 전단 및 벤딩 변형들이 "X" 방향을 따라 촉진된다. 도시된 바와 같은 별들의 회전은 "X" 방향을 따라 프로세스를 통해 패널을 이동시킨다. 별들의 포인트들은 또한 포인트 접촉 위치들에서 충돌 변형을 촉진시킨다. 임의의 적절한 수의 포인트들이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 내지 24개의 포인트들이 제공된다.
별들의 회전은 기어들 또는 다른 기구에 의해 위상-고정될 수 있어, 포인트들과 밸리들이 항상 정렬된다. 인접한 별들(즉, "Y" 방향을 따라 서로 옆에 있는 별들)의 위상 조정은 이러한 별들이 이들 각각의 장착 샤프트들을 따라 "나선형" 패턴을 형성하게 할 수 있으며, 이것은 대향하는 모든 별들이 회전할 때 이들이 밸리들에 대한 포인트들과 여전히 위상이 여전히 고정되어 있는 동안 발생한다는 점에 주목한다. "Y" 방향을 따라 다른 별 위상 패턴들이 가능한데; 도 15는 예컨대, 별들이 이들 각각의 축들을 따라 15°의 위상 각(포인트 간격의 절반, 즉 360°/12개의 별들/2)으로 나선형을 이루는 구성을 예시한다. 이 특정 구성에 대한 시각적 보조로서, 도 18의 패턴으로 도시된 바와 같이, 별들이 위에서부터 아래로 패널에 접촉하는 포인트들을 고려한다.
제작된 인터메싱 별 타입 연화 기계(110)의 일 실시예가 도 19 - 도 21에 예시된다. 이 기계는 하우징(112), 상부 회전 가능한 샤프트(116) 상에 회전을 위해 장착된 별 모양 포머들(114)의 상부 열, 및 하부 회전 가능한 샤프트(122)를 중심으로 회전을 위해 장착된 별 모양 포머들(118)의 하부 열을 포함한다. 샤프트들은 하우징의 단부 벽들의 적절한 베어링 상에 지지된다. 샤프트들의 협력적 회전을 행하도록 모터(124) 및 적절한 기어링(126)이 제공될 수 있다. 모터 및 기어링은 위에서 주지된 바와 같이, 2개의 대향 방향들로 포머들을 회전시키도록 작동 가능할 수 있다. 예컨대, 전기식, 공압식 또는 수동으로, 이를테면 수동식 크랭크로 모터에 전원이 공급될 수 있다. 하우징의 전방 벽에 있는 입구 개구(128)가 인터메싱 포머들 사이의 인터메싱 영역에 패널을 삽입하기 위해 제공된다. 마찬가지로, 하우징의 후방 벽에 있는 출구 개구(132)가 포머들 사이를 통과한 후 패널을 제거하기 위해 제공된다. 도 21은 각각의 열의 별 모양 포머들 사이의 인터메싱 영역 내의 패널(136)의 도면을 제공한다.
일부 실시예들에서, 패널은 연화 기구(들)를 가능하게 하기 위해 가공 연화 기계 내에 공급되기 이전에 또는 공급되는 동안에 가열될 수 있다. 예컨대, 패널은 연화 기계 내로의 도입 이전에 120 내지 250 ℉로 예열 오븐에서 가열될 수 있다. 다른 예에서, 패널이 라미네이션 장비로부터 여전히 뜨거운 동안에, 패널이 패널을 가열하였던 라미네이션 장비로부터 연화 기계 내로 전달될 수 있다. 추가적인 예에서, 연화 기계는, 예컨대, 포머들 사이의 구역에서 가열될 수 있거나, 또는 포머들이 가열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 패널은 상이한 또는 고유 해체 결함들을 달성하기 위해 냉각될 수 있다. 냉각은, 예컨대, 액체 질소 또는 다른 극저온 매체에서의 침지를 통해 달성될 수 있다.
전술한 프로세스 설명들은 가공 연화가 어떻게 달성될 수 있는지에 대한 예들이고, 그러한 태스크를 달성하기 위한 모든 가능한 방법들을 나타내도록 의도된 것이 아니다. 예컨대, 별 포머들은 임의의 수의 포인트들을 가질 수 있다. 별들의 포인트들은 둥글 수 있거나, 또는 그렇지 않으면, 원하는 충돌을 생성하도록 성형될 수 있다. 포머들은 타원형과 같은 다른 구성들을 가질 수 있다. 포머들은 편심 회전을 위해 탑재될 수 있다.
단일 라미네이션으로서 함께 다수의 플라이 그룹들을 연화시킴으로써, 제조 시간이 감소될 수 있고, 플라이 그룹들이 두께를 최소화하도록 인덱싱될 수 있다(즉, 주름 대 주름 핏). 예컨대, 한번에 함께 연화된 플라이 그룹들의 그룹은 개별적으로 플라이 그룹들을 연화시킨 후에 스태킹된 플라이 그룹들의 두께의 절반일 수 있다. 플라이 그룹들의 서브세트들 또는 단일 플라이 그룹들이 원하는 경우에 별개로 가공 연화될 수 있고, 후속하여 함께 스태킹될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
연화 프로세스는 패널이 원하는 준수의 정도에 도달할 때까지 수행된다. 준수는 다양한 방식들로 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 준수는 패브릭 처짐 시험을 사용하여 측정된다. 도 22를 참조하면, 패널의 1/3과 같은 패널의 일부가 수평 표면에 클램핑되고, 패널의 나머지는 수평 표면의 에지를 지나서 연장된다. 패널의 나머지 부분의 수평선으로부터의 처짐의 각도가 측정된다. 일부 실시예들에서, 패널이 적어도 20°의 처짐 각도에 도달할 때까지 패널이 연화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 처짐 각도는 적어도 30°, 적어도 40°, 적어도 50°, 적어도 60°, 또는 적어도 70°이다. 패브릭들의 강성을 위한 다른 시험 방법은 일부 실시예들에 대해 사용되는 ASTM D1388 ― 14이다.
다른 시험 방법이 ASTM E4-13 및 ASTM E4-08의 요건들을 충족하는 압축 인장 장치를 사용하여 연질 아머 발리스틱 패널들의 가요성을 결정하기 위해 사용될 수 있다. ASTM D3787-07(2011)에 따르는 1-인치 직경 볼 플런저가 원형 공동(0.5 인치 에지 반경을 갖는 5-인치 직경) 내로 분당 10 인치의 일정한 레이트로 2 인치에 대해 15-인치 x 15-인치 시험 패널로 가압되고, 디플렉션이 측정된다. 강성은 2 인치의 디플렉션에서 패널에 가해지는 힘에 의해 결정된다. 패널의 양 측들은 이러한 방식으로 다수 회, 이를테면 각각의 측에 대해 10 회 시험될 수 있다. 이러한 시험 방법을 사용하여 가요성을 결정하기 위한 설명은 PED-IOP-008에서의 미군의 군인 보호 시스템 프로그램에서 발견될 수 있다.
일부 실시예들에서, 패널은, 볼 플런저 시험(PED-IOP-008)에 의해 결정된 바와 같이, 유연도 시험 로드가 75 lbs 미만인 포인트까지 연화된다. 시험 결과는 동일한 위치에서의 시험 후 20개의 로드 측정들 중 마지막 3개의 평균이며, 시험 물품을 플리핑함으로써 각각의 측정 후에 변형 방향이 교번된다.
플로킹 프로세스는 짧은 섬유들을 패널에 도입하는 데 사용될 수 있다. 플로킹 섬유는 패널 어셈블리 프로세스 동안 선택된 프리프레그 층들 간의 층간 처리로서 사용될 수 있다. 플로킹 섬유에 대해 선택된 포지션들은, 모든 각각의 층 인터페이스를 포함한 플라이 그룹의 하나 또는 그 초과의 층 인터페이스들에 있을 수 있다. 섬유 타입, 섬유 길이, 및 플로킹 밀도(평방 미터 당 그램으로 측정됨)에 따라, 플로킹 섬유들은: 1) 층간 강화 구역, 따라서 디라미네이션에 대한 저항, 2) 층간 약한 구역, 디라미네이션을 촉진하지만, 인터페이스를 가로지르고 층들을 함께 유지하는 플로킹 섬유들을 초래함, 또는 3) 층들의 완전한 디커플링을 촉진하는 층간 약한 구역(릴리즈 플라이의 액션과 유사함)을 제공할 수 있다.
플로킹 섬유 프로세스는, UHMWPE 프리프레그 층들 간에서 프리프레그에 이미 있는 수지를 사용하여 플로킹 섬유에 본딩하기에 유용하다. 플로킹 섬유는 또한, 선택된 층 인터페이스들에서 접착제 층과 조합되어 사용될 수 있다.
플로킹 프로세스는 일반적으로, 짧은 섬유들(이를테면, 폴리에스테르, 나일론 등)을 표면으로 이동시키는데, 여기서 표면은 일반적으로, 섬유들을 표면에 본딩하기 위해, 위에서 설명된 패널들에서와 같이, 접착제 또는 수지와 같은 재료로 커버되어 있다. 플로킹 섬유들은 일반적으로 길이가 0.5 mm 내지 10 mm의 범위이지만, 더 짧은 그리고 더 긴 길이들도 가능하다. 일 플로킹 프로세스에서, 섬유들은 음극성으로 대전되고, 기재가 접지되어서, 섬유들이 접지된 기재로 이동하는 경향이 있을 수 있다. 이는 종종 "정전식" 플로킹으로 지칭된다. 부가하여, 음극성으로 대전된 섬유들이 서로 밀어내는 경향이 있어서, 대부분의 섬유들이 표면에 거의 수직하는 각도로 표면에 도달하고, 섬유들이 서로 거의 평행하게 된다. 다른 플로킹 프로세스들, 이를테면, 진동 프로세스들 및 스프레잉 프로세스들이 사용될 수 있다. 플로킹 섬유들은 프리프레그에서 사용된 섬유 재료들 중 임의의 섬유 재료로 형성될 수 있다. 플로킹 섬유는 인접한 층들의 섬유들과 동일하거나 상이할 수 있다.
본원에서 설명된 다양한 프로세스들에 따라 형성된 연질 아머 패널들은 다양한 물품들 및 목적들을 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 연질 패널은 바디 아머, 이를테면, 바디 조끼들, 재킷들, 헬멧들, 스포츠 헬멧들, 모자들, 페이스 쉴드들, 페이스 마스크들, 귀 패드들 또는 커버링들, 입 가드들, 목 보호대들, 턱끈들, 턱 패드들, 눈 쉴드들, 팔꿈치 패드들, 팬츠, 다리 보호대들, 정강이 보호대들, 무릎 패드들, 발 가드들, 부츠, 신발, 펜싱 의류, 및 다른 의류 물품들을 위해 사용될 수 있다. 다른 애플리케이션들은 예컨대, 조끼들, 재킷들, 및 백팩들의 인서트들로서의 사용을 포함한다.
다른 실시예들에서, 연질 아머 패널은 비-평면 윤곽을 갖는 아머형 물품을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 차량의 아머 시스템은, 발사된 발리스틱 발사체들에 대한 차량, 특히 차량 도어에서의 보호를 제공하기 위해 연질 아머 패널을 통합할 수 있다. 이러한 차량의 아머 시스템은 발리스틱 발사체들이 차량을 관통하는 것을 방지하기 위해 차량을 개조하는 데 사용될 수 있다. 아머 시스템은 윤곽식의 또는 비-평면 외부 표면을 갖는 외부의 차량의 표면, 특히 도어의 적어도 일부를 커버하도록 사이즈가 정해진 패널을 포함한다. 패널은 일반적으로 차량의 표면의 비-평면 윤곽을 따르도록 구성된 비-평면 윤곽을 갖는다. 패널은 보호층 및 외부 표면 또는 장식 층을 포함하는 재료들의 계층화된 어레인지먼트를 포함한다. 보호층은 본원에서 설명된 바와 같은 연질 패널이거나 이를 포함할 수 있으며, 연질 패널은 차량 도어의 임의의 윤곽을 따르도록 용이하게 형상화될 수 있다. 원하는 경우, 강성 발리스틱 층이 또한 제공될 수 있어서, 연질 아머 패널은 강성 층 뒤의 캐쳐 층으로서의 역할을 할 수 있다. 보호층의 외부 측 상에 배열된 장식 층은 패널의 외부 표면 상에 가시적인 색, 그래픽물 또는 둘 모두를 포함할 수 있어서, 아머 시스템이 차량의 나머지와 조화를 이룰 수 있다. 장식 층은 자동차 등급 비닐 재료일 수 있다. 패널을 차량의 표면에 부착하기 위해 제거가능 장착 시스템이 사용될 수 있다. 예컨대, 패널은 스크류들, 리벳들 등을 이용하여 차량 도어에 부착될 수 있다. 이러한 차량의 아머 시스템은 차량 외부 상에 신속하게 설치될 수 있으며, 차량의 분해를 요구하지 않는다.
다른 실시예들에서, 연질 아머 패널은 윤곽식 또는 한정된 공간에 아머링을 제공하는데 사용될 수 있다. 이러한 한정된 공간들은, 예컨대, 차량 아래의 폭발 디바이스들에 대한 보호를 제공하기 위한 구역을 차량 내 바닥판들 아래에 포함할 수 있다. 다른 한정된 공간은 엔진 나셀 내의 구역이다. 연질 아머 패널은, 발리스틱 발사체들로부터의 외부 위협들에 대한 그리고 회전하는 터빈 블레이드들의 불량(failure)으로부터의 프래그먼트들에 대한 또는 나셀을 다른 방식으로 관통할 수 있는 엔진 내 다른 컴포넌트들에 대한 보호를 제공하기 위해 이러한 구역에 들어맞도록 쉽게 구성될 수 있다.
임의의 이러한 실시예들에서, 연질 아머 패널은 단독으로 또는 강성 아머 패널들과 조합하여 사용될 수 있다.
슬립 평면들을 갖는 연화된 패널들의 발리스틱 성능을 시험하기 위해 발리스틱 테스팅이 수행되었다. NIJ 3a 시험 프로토콜은, 2가지 주요한 시험들 1) V50 요건으로 지칭되는 관통 저항, 및 2) BSD(Back Side Deflection) 요건으로 지칭되는 최대 허용가능 변형 시험을 통과하는 바디 아머용 시험 패널들을 요구한다. 패널들은 이 프로토콜을 충족시키기 위해 이 두 시험들을 통과해야만 한다.
V50 시험은, 에지들에서 시험 패널을 지지하고, 특정 발사체에 대해 그 시험 패널에 대한 V50 속도가 획득될 때까지, 다양한 속도들에 있는 그 특정 발사체에 다수의 샷들을 가한다. V50 속도는, 모든 발사체들이 일정 속도로 이동하고 있는 경우에, 약 50%의 발사체들이 패널을 관통할 것이며 50%는 그렇지 않을 것이라는 이론적 통계치이다. 각각의 특정 관통 불량은, 발사체가 패널을 관통하여 목격자 플레이트(witness plate), 보통 특정 거리에서 패널 뒤에 매달린 얇은 알루미늄 시트를 손상시킬 때 언급된다. V50 속도는 요구되는 위협들 각각에 대한 특정 최소치를 충족시키도록 요구된다.
BSD(Back Side Deflection) 시험은, 클레이 기초(clay foundation) 뒤에서 패널을 지지하고, 그들 각각의 속도들로 문제가 되는 각각의 위협에 대해 다수의 샷들(예컨대, 시험 패턴)을 패널에 가한다. 클레이 내부로의 패널의 관통 깊이는 각각의 샷 이후에 측정되고, 클레이는 리폼되어 자신의 원래 평평한 상태로 복귀된다. 일반적으로, BSD는 다수의 샷 프로토콜에 기반하여 통계치(예컨대, 평균 + 1 표준 편차)를 초과할 수 없다.
추가로, SPS(Soldier Protection System) 프로토콜("군인 보호 시스템 및 토르소 보호 시스템에 대한 필요사항의 기술 진술"로 지칭됨)은, 45 매그넘, 및 357 SIG 라운드들과 같이 표준 위협들에 추가적으로 다양한 프래그먼트들에 대한 V50 저항을 요구하는데, 이는 프래그먼트들이 블래스트(blast) 이벤트들의 중요한 컴포넌트이기 때문이다. 이러한 프래그먼트 시험들은 종종 모든 다른 시험들을 통과하는 패널의 약점이다. 표준 발리스틱 테스팅 프래그먼트들은 RCC(right circular cylinder)들 및 FSP(fragment simulating projectile)들을 포함한다. 표준 RCC 크기들은, 2 그레인, 4 그레인, 16 그레인, 및 64 그레인을 포함하고, 표준 FSP 크기들은 17 그레인(22 캘리버)을 포함한다.
실시예 1
테스팅은, 연화된 패널들의 발리스틱 성능이 연화되지 않은 강성 패널들의 발리스틱 성능 미만으로 현저하게 감소되지 않았음을 나타냈다. 연화된 패널들은, 전통적인 연질 바디 아머와 비교하여 현저하게 더 높은 발리스틱 성능을 나타냈다.
6개의 패널들은, NIJ 표준-0101.06 발리스틱 프로토콜(https://www. ncjrs.gov/pdffiles1/nij/223054.pdf)하에서 테스팅하기 위해 DYNEEMA® HB-212(UHMWPE 섬유들을 기반으로 한, 단방향 크로스플라이식 재료)로 제조되었다. 3개의 패널들은 강성 패널들로서 테스팅되었고, 3개의 패널들은 본 발명에 따라 가공 연화되었다. 패널들은, 각 면(side)이 15인치인 스퀘어이고, 그 무게는 각각 약 1.28 파운드였으며, 단위 면적당 무게는 평방 피트 당 0.82 파운드였다. 패널들은 약 0.25인치의 두께를 가졌다.
패널들은, 각각 대략 30회 패스들로, 도 12a-12d에 도시된 바와 같은 다양한 각도들로(0°, 45°, -45°, 및 90°), 도 15에 도시된 기계를 통과시킴으로써 연화되었다. 유연도는, 연화된 패널들이, 요구되는 사람 가슴 형태에 쉽게 부합되는 정도였다. 부가적으로, 유연도를 더 정확하게 정량화하기 위해, 도 22에 도시된 바와 같이 처짐 시험이 사용되었으며, 여기서, 패널의 1/3은 테이블에 클램핑되었고 처짐 각도가 측정되었다. 패널들은, 패널들이 60°의 임계 처짐 각도에 도달할 때까지 연화되었다.
데이터는 이하의 표 1 및 2에 도시된다.
각각의 경우에서 샘플#1은 V50 시험이었고, 프로토콜을 충족시키기에 충분하게 발사체들의 50%는 멈추고 50%는 멈추지 않는 발사체 속도가 결정된다. 강성 패널과 연화된 패널 양자 모두가 이러한 시험을 통과했다.
각각의 경우에서 샘플#2 및 샘플#3은 V0 시험의 반복들이었고, 관통이 용인되지 않으며, 디플렉션 또한, 프로토콜에서 요구되는 것보다 낮아야 한다. 모든 패널들이 이러한 시험을 통과했다.
DYNEEMA® HB-212의 강성 패널
샘플 번호 길이
x 폭
(인치)		 무게 (lbs) 위협 타겟
경사도		 샷 번호 결과 변형 (mm)
1 15x15 1.28 .44 매그넘 V50 0° N/A 1803 N/A
2 15x15 1.28 .44 매그넘 V0 0° 1 통과 28
0° 2 통과 39
0° 3 통과 40
30° 4 통과 32
45° 5 통과 24
0° 6 통과 38
3 15x15 1.28 .44 매그넘 V0 0° 1 통과 24
0° 2 통과 36
0° 3 통과 45
30° 4 통과 33
45° 5 통과 31
0° 6 통과 33
평균 33.6
표준
편차		 6.4
DYNEEMA® HB-212의 연화된 패널
샘플 NO. 길이x폭
(인치)		 중량
(lbs)		 위협 타겟
경사도		 샷 NO. 결과 변형
(mm)
1 15x15 1.28 .44 mag V50 0° N/A 1593 N/A
2




 15x15



 1.28




 .44 mag V0




 0° 1 통과 39
0° 2 통과 39
0° 3 통과 38
30° 4 통과 32
45° 5 통과 30
0° 6 통과 39
3




 15x15



 1.28




 .44 mag V0




 0° 1 통과 38
0° 2 통과 45
0° 3 통과 46
30° 4 통과 31
45° 5 통과 30
0° 6 통과 41

평균 37.3
표준 편차 5.5
가공 연화된 패널들의 현미경 시험은, 섬유들 간에 그리고 층들 간에 작은 미접합 및 디라미네이션 결함들이 유발되고, 섬유들 그 자체에서는 유발되지 않음을 나타낸다. 놀랍게도, 연화된 패널의 발리스틱 성능은 강성 패널에 비해 악화되지 않음이 관측되었다.
예 2
일부 샘플 패널들은, 총 19개의 UHMWPE의 플라이들 및 다른 라미네이트들(이를테면 UHMWPE 펠트)의 2개의 플라이들을 포함하는 여러 패킷들의 재료의 구성으로 제조되었다. 이들 샘플들에서, 패널들은, 0.766 psf의 면밀도, 및 PED-IOP-008에서 특정되는 바와 같은 볼 플런저 테스트에 의해 결정된 70.85 lbf의 평균 가요성을 갖는다. 각각의 패널은, 제조되고 그리고 4시간 동안 제트 연료 JP-8로 컨디셔닝된 이후 테스트되었다. 아래의 표 3은 이들 패널들의 발리스틱 V50 및 V0 테스팅의 요약을 제공한다.
위협 테스트 타입 패널 사이즈 요건 결과
17-grain FSP V50 15"x15"
슛 팩		 V50 = 1850 fps 통과
V50 = 1856 FPS
9 mm FMJ (4시간동안) JP-8에서 컨디셔닝된 V50 15"x15"
슛 팩		 V50 = 1525 fps 통과
V50 - 1838 fps
.357-Mag V0 NIJ-C-1
최소형		 V0 = 1430 ± 30 fps, 44 mm 최대 변형 통과
관통 없음, 최대 변형 = 40.837 mm
.357-Mag (4시간동안) JP-8에서 컨디셔닝된 V0 NIJ-C-1
최소형		 V0 = 1430 ± 30 fps, 44 mm 최대 변형 통과
관통 없음, 최대 변형 = 35.986 mm
.357-Sig V0 NIJ-C-1
최소형		 V0 = 1470 ± 30 fps, 44 mm 최대 변형 통과
관통 없음, 최대 변형 = 32.933 mm
.357-Sig (4시간동안) JP-8에서 컨디셔닝된 V0 NIJ-C-1
최소형		 V0 = 1470 ± 30 fps. 44 mm 최대 변형 통과
관통 없음, 최대 변형 = 38 mm
도 23 내지 도 28은 표 3에서 설명되는 테스팅을 받은 패널들의 각각의 전방 및 후방의 사진들을 도시한다.
예 3
각각의 플라이 그룹 사이의 슬립 평면들을 갖는 수 개의 플라이 그룹들의 테스트 패널들은 제작되었고 프래그먼트 저항 테스팅을 받았다. UHMWPE 펠트 층을 포함하는 제 4 플라이 그룹을 가지거나 가지지 않는 플라이 그룹들의 다음 배열이 라이네이팅되고 가공 연화되었다:
플라이 그룹 재료 플라이들의 수 면밀도
(스퀘어 ft 당 파운드(psf))
1 HB212 Dyneema®
8 대략 0.231 psf)
2 HB50 Dyneema®
5 대략 0.247 psf
3 HB212 Dyneema®
8 대략 0.231 psf
4 Dyneema® 펠트
 2 대략 0.076 psf
V50 테스트 결과들은 다음과 같다:
프래그먼트 V50 요건: 펠트 층 없는 V50
(0.789 psf)		 펠트 층을 갖는 V50
(0.865 psf)
2 그레인 RCC 2710 2674 2886
4 그레인 RCC 2400 2422 2667
16 그레인 RCC 2050 2031 2243
17 그레인 FCP 1850 1873 2025
이러한 결과들은, 후방 페이스 상의 펠트 층의 추가가 패널이 모든 프래그먼트 크기들에서 V50 프래그먼트 테스팅을 통과하는 것을 가능하게 하는 것을 예시한다.
패널은 후면 편향(BSD) 테스팅을 또한 받았다. 도 29는 테스트 패널의 펠트 층이 포획되었고 프래그먼트들을 정지시켰던 예들을 예시한다. 도 30a, 도 30b 및 도 30c는 테스트 패널의 펠트 층에 끼는(caught) 프래그먼트를 추가적으로 예시한다. (도 30a 내지 도 30c의 테스트 패널들은 테스트 패널의 후방 측 위로 커버링하는 나일론 직물을 포함한다)
예 4
다른 테스트 패널은 라미네이션 및 가공 연화에 의해 준비되었고 후면 편향(BSD) 테스팅을 받았다. 테스트 패널은, 패널의 전방 또는 스트라이크면 상에 드라이 펠트 플라이 그룹, 또는 이펙터 플라이를 포함하는 플라이 그룹들의 다음의 배열을 가졌다. 다른 테스트 패널은 제 1 펠트 플라이 그룹을 생략하였다.
플라이 그룹 재료 플라이들의 수 섬유 배향 면밀도
(스퀘어 ft 당 파운드(psf))
1 Dyneema® 펠트

 2 대략 0.076 psf
2 HB212 Dyneema®
8 0°/90° 대략 0.231 psf)
3 PE 발포재 1
4 HB50 Dyneema®
5 ±45° 대략 0.247 psf
5 HB50 Dyneema®
5 0°/90° 대략 0.247 psf
주변 플라이 그룹들 2 및 5의 0°/90° 섬유 배향에 대한 플라이 그룹 4의 ±45° 섬유 배향은 BSD 결과들에서 산란을 감소시켰으며, 개선된 성능을 초래한다.
추가적으로, 도 31 및 32는 건식 펠트 플라이 그룹, 이펙터 플라이 둘 모두를 갖고(도 32) 그 둘 모두가 없는(도 31) 3회의 패널 샷의 스트라이크면을 도시한다. 플라이 그룹 2의 표면층 아래의 어두운 영역에 의해 입증된 총알 변형은 스트라이크면 상에서 펠트 플라이 그룹을 이용한 샷들에 대한 것보다 훨씬 더 크다. 펠트 플라이 그룹은 총알을 중지시키는 것을 효율적으로 개선시켰다.
실시예 5
3개의 플라이 그룹들을 포함하는 다음의 층들은 어셈블리되었고 라미네이팅되었다:
1. 실리콘 코팅 페이퍼의 릴리즈-플라이;
2. HDPE 필름, 0.31 mil(0.00031인치의 두께), 0.0017psf;
3. 0°/90° 배향의 HB212 DYNEEMA®의 8개의 층들;
4. HDPE 필름, 0.31 mil의 두께, 0.0017psf;
5. 슬립 제제로서 그래핀 잉크(플라이 그룹의 ＜1 wt.%)를 갖는 측면들 둘 모두 상에 또한 코팅된 실리콘 코팅 페이퍼의 릴리즈-플라이;
6. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf;
7. ±45° 배향의 HB50 DYNEEMA®의 5개의 층들;
8. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf;
9. 슬립 제제로서 그래핀 잉크(플라이 그룹의 ＜1 wt.%)를 갖는 측면들 둘 모두 상에 또한 코팅된 실리콘 코팅 페이퍼의 릴리즈-플라이;
10. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf;
11. 0°/90° 구성의 HB212 DYNEEMA®의 8개의 층들;
12. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf; 및
13. 실리콘 코팅 페이퍼의 릴리즈-플라이.
라미네이션 이후, 층들 1, 5, 9, 및 13의 릴리즈 플라이들의 실리콘 코팅 페이퍼가 제거되었다. 결과적인 패널은 가공 연화되었다. 펠트의 배킹 층은 층 12에 인접하게 첨가되었다. 이러한 어셈블리로부터 제조된 방탄 조끼는 프래그먼트 보호를 포함하는 통상적인 군사 분야들에 적절하다.
예 6
4개의 플라이 그룹들을 포함하는 이하의 층들은, (백 사이드(층1)에서 시작하여 순방향으로 이동하여) 어셈블링되고 라미네이팅되었다.
1. 실리콘 코팅 페이퍼의 릴리즈-플라이;
2. HDPE 필름, 0.31 mil (0.00031 인치 두께), 0.0017psf;
3. 0°/90° 배향에서 HB212 DYNEEMA®의 3개 층들;
4. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf;
5. 실리콘 코팅 페이퍼의 릴리즈-플라이는 또한, 슬립 제제로서 그래핀 잉크(1 wt.% 미만의 플라이 그룹)로 양 사이드에 코팅된다.
6. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf;
7. 0°/90° 배향에서 HB212 DYNEEMA®의 6개 층들;
8. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf;
9. 실리콘 코팅 페이퍼의 릴리즈-플라이는 또한, 슬립 제제로서 그래핀 잉크(1 wt.% 미만의 플라이 그룹)로 양 사이드에 코팅된다.
10. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf;
11. ±45° 배향에서 HB50 DYNEEMA®의 7개 층들;
12. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf;
13. 실리콘 코팅 페이퍼의 릴리즈-플라이는 또한, 슬립 제제로서 그래핀 잉크(1 wt.% 미만의 플라이 그룹)로 양 사이드에 코팅된다.
14. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf;
15. 0°/90° 구성에서 HB212 DYNEEMA®의 7개 층들;
16. HDPE 필름, 0.31 mil, 0.0017psf; 및
17. 실리콘 코팅 페이퍼의 릴리즈-플라이.
라미네이션 후, 층 1, 5, 9, 13 및 17의 실리콘 코팅 릴리즈 플라이들이 제거되었다. 결과적인 패널은, 도 19 내지 도 21을 참조하여 설명된 가공 연화 머신을 10회 통과함으로써 가공 연화되었다. 이러한 어셈블리로부터 제조된 방탄 조끼(층 15 및 16에서 스트라이크면을 가짐)는 전형적인 법 집행 적용에 적합하다.
본원에서 개시된 실시예들의 다양한 특징들이 다양한 방식들로 결합될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예를 들어, 일 실시예와 함께 설명된 특징이, 심지어 다른 실시예와 함께 명시적으로 설명되지 않았더라도, 그 실시예에 포함될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되었다. 본 발명이, 도시되고 설명된 실시예들, 정확한 재료들, 동작 또는 구조의 정확한 세부사항들에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 하는데, 이는 명백한 수정들 및 등가물들이 당업자에게 자명할 것이기 때문이다. 본 발명의 상세한 설명을 읽고 이해할 때, 개시된 실시예들에 대한 수정들 및 변경들이 당업자에게 용이하게 안출될 것으로 여겨진다. 이러한 모든 수정들 및 변경들이 본 발명의 범위 내에 있는 한, 이들을 포함하는 것이 의도된다.

Claims (125)

  1. 복수 개의 플라이 그룹들을 포함하는 가공 연화된 라미네이션 - 각각의 플라이 그룹은 하나 또는 그 초과의 층들을 포함하고, 각각의 층은 매트릭스 재료에 매립된 섬유들을 포함하는 복합 재료를 포함함 -; 및
    인접한 플라이 그룹들의 적어도 일 세트 사이에 슬립 평면을 포함하며,
    인접한 플라이 그룹들은 슬립 평면에서 연결되지 않은 채로 유지되고,
    상기 가공 연화된 라미네이션은 상기 플라이 그룹들의 상기 층들의 X 및 Y 방향에 의해 정의되는 평면 내에서 전단 변형들을 포함하는,
    연질 패널.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬립 평면은 상기 인접한 플라이 그룹들 사이에 슬립 제제(slip agent)를 포함하는,
    연질 패널.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 슬립 제제는 상기 인접한 플라이 그룹들 중 하나 또는 양자 모두의 표면 상에 접합되거나 매립되는,
    연질 패널.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬립 평면은 그래핀 입자들, 그래핀계 잉크, 세라믹 입자들, 금속 입자들, 플라스틱 필름, 금속 필름, 종이 또는 이들의 조합을 포함하는,
    연질 패널.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬립 평면은 실리콘 코팅된 종이 또는 실리콘 코팅된 필름을 포함하는,
    연질 패널.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬립 평면은, 폴리프로필렌을 포함하는 폴리올레핀, 고밀도 폴리에틸렌 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 필름을 포함하는,
    연질 패널.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬립 평면은 라미네이션 내에 불연속부를 형성하고, 상기 불연속부는 인접한 플라이 그룹들에 배치된 2 개의 수지들에 의해 형성되며, 상기 2 개의 수지들은 서로 접합되지 않는,
    연질 패널.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬립 평면은 정상적인 사용 중에 상기 인접한 플라이 그룹들을 함께 유지하고 발리스틱 이벤트 동안 상기 슬립 평면을 따라 서로에 대한 인접한 플라이 그룹들의 전단 이동을 허용하기 위해 접착제 재료 또는 체결 기구를 더 포함하는,
    연질 패널.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공 연화된 라미네이션은 상기 플라이 그룹들의 적어도 일부분 내에 복수 개의 결함들을 포함하고, 상기 결함들은 상기 플라이 그룹 내의 섬유들 사이에 미접합 결함들(disbond defects) 및 디라미네이션 결함들(delamination defects) 중 하나 또는 그 초과를 포함하는,
    연질 패널.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 라미네이션의 배면(back face) 상에 배치되는 펠트 층(felt layer), 및/또는 제 1 플라이 그룹에 인접한 스트라이크면(strike face)으로서 배치된 펠트 층을 더 포함하는,
    연질 패널.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 플라이 그룹들 중 하나에 인접한 발포재(foam)의 층을 더 포함하는,
    연질 패널.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라이 그룹들의 적어도 일부분 내의 각각의 층은 매트릭스 재료로 전함침된(pre-impregnated) 섬유들의 하나 또는 그 초과의 플라이들을 포함하는 프리프레그 재료(prepreg material)를 포함하는,
    연질 패널.
  13. 제 1 항에 있어서,
    플라이 그룹에서, 상기 층들 내의 섬유들은 일방향으로 정렬되고, 인접한 층들의 섬유 방향은 0 ° 초과 90 ° 이하의 범위의 각도로 크로스플라이되는(cross-plied),
    연질 패널.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 플라이 그룹의 층들의 적어도 일부는 직조 재료, 부직 재료, 단방향 재료, 니트 재료 또는 펠트 재료 중 하나를 포함하는,
    연질 패널.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 각각의 플라이 그룹의 층들의 각각은 단방향 섬유들의 재료를 포함하는,
    연질 패널.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 단방향 섬유들은 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들을 포함하는,
    연질 패널.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공 연화된 라미네이션은 플라이 그룹들 사이에 건조 섬유들(dry fibers)의 적어도 하나의 층을 더 포함하는,
    연질 패널.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 재료는 우레탄 수지 매트릭스에 초고분자량 폴리에틸렌 섬유를 포함하는,
    연질 패널.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 재료의 섬유들은 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들, 아라미드 섬유들, 유리 섬유들, 액정 중합체 섬유들 또는 폴리벤조옥사졸 섬유들을 포함하는,
    연질 패널.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 패널 상의 연성 테스트 하중은 볼 플런저 테스트(Ball Plunger test)에 의해 결정되는 바와 같이 75 lbs 미만인,
    연질 패널.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 라미네이션은,
    스트라이크면을 포함하거나 스트라이크면에 인접한 제 1 플라이 그룹 - 상기 제 1 플라이 그룹의 층들은 직각으로 크로스플라이되고 기준 에지에 대하여 0°/90° 구성으로 배향됨 - ;
    제 2 플라이 그룹 - 상기 제 2 플라이 그룹의 층들은 직각으로 크로스플라이되고 상기 제 1 플라이 그룹에 대해 +45°/-45° 구성으로 배향됨 - ; 및
    제 3 플라이 그룹을 포함하며, 상기 제 3 플라이 그룹의 층들은 직각으로 크로스플라이되고 상기 기준 에지에 대하여 0 °/90 ° 구성으로 배향되는,
    연질 패널.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공 연화된 라미네이션은,
    최대 0.8 lb/ft2의 면밀도에서 2710 ft/sec의 속도로 이동하는 2 그레인 직원기둥 프래그먼트들(grain right circular cylinder fragments)에 대한 V50 테스트;
    최대 0.8 lb/ft2의 면밀도에서 2400 ft/sec의 속도로 이동하는 4 그레인 직원기둥 프래그먼트들에 대한 V50 테스트;
    최대 0.8 lb/ft2의 면밀도에서 2010 ft/sec으로 이동하는 16 그레인 직원기둥 프래그먼트들에 대한 V50 테스트; 및
    최대 0.8 lb/ft2의 면밀도에서 1850 ft/sec로 이동하는 17 그레인 프래그먼트 모의 발사체들에 대한 V50 테스트;
    중 하나 이상을 통과하는,
    연질 패널.
  23. 제 1 항의 연질 패널을 포함하는 아머 패널 물품.
  24. 연질 패널을 형성하는 프로세스로서,
    복수 개의 플라이 그룹들을 제공하는 단계 - 각각의 플라이 그룹은 매트릭스 재료에 매립된 섬유들을 포함하는 복합 재료의 복수 개의 층들을 포함 -;
    인접한 플라이 그룹들의 적어도 일 세트 사이에 슬립 평면을 갖는 패널이 되도록 플라이 그룹을 함께 라미네이팅하는 단계 - 인접한 플라이 그룹들은 슬립 평면에서 연결되지 않은 채로 유지됨 -; 및
    상기 플라이 그룹들의 상기 층들의 X 및 Y 방향에 의해 정의되는 평면 내에서 전단 변형들을 형성하기 위해, 상기 패널에 기계적 응력(mechanical stress) 또는 기계적 변형(mechanical strain)을 가함으로써 상기 패널을 가공 연화시키는 단계를 포함하는,
    연질 패널을 형성하는 프로세스.
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