KR20150123943A

KR20150123943A - 엔지니어링된 순응성 및 속도-감응성 충격 응답을 가진 경량 반-경질 복합체 방탄 시스템

Info

Publication number: KR20150123943A
Application number: KR1020157027886A
Authority: KR
Inventors: 헤이너 더블유 멜드너; 롤랜드 조셉 다운스
Original assignee: 디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이.
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-11-04
Also published as: CN105074378A; US20150082976A1; WO2014160492A1; EP2972060A1; IL241280A0; BR112015022447A2; BR112015022447A8; US20160033236A1; MX2015012413A; CA2906062A1

Abstract

여러 개의 집합된(nested) 부-라미네이트를 포함하는 복합체 방탄 시스템이 개시되며, 여기서 각각의 부-라미네이트는, 중합체 매트릭스 물질내에 함입된, 방탄 특성을 가진 엔지니어링 섬유로부터 제조된 모노필라멘트를 포함하는 일방향성 테이프의 부-층을 포함한다. 상기 부-라미네이트는, 제어된 순응성, 변형, 에너지 방출 및 속도 감응성 거동을 위해 엔지니어링된 강성화 중합체 또는 중합체 발포체와 같은 계면 물질에 의해 집합된다. 다른 발포체 및 부-라미네이트 층이 네스팅되어, 편평하고/하거나 만곡될 수 있는 방탄 판을 형성하고, 이는 단독으로 사용되거나 또는 방탄 장비 내로 혼입될 수 있다.

Description

엔지니어링된 순응성 및 속도-감응성 충격 응답을 가진 경량 반-경질 복합체 방탄 시스템{LIGHT-WEIGHT SEMI-RIGID COMPOSITE ANTI-BALLISTIC SYSTEMS WITH ENGINEERED COMPLIANCE AND RATE-SENSITIVE IMPACT RESPONSE}

본 발명은, 일반적으로 섬유-강화된 제품, 특히 부-라미네이트(sub-laminate)의 적층된 배열을 포함하는 개선된 복합체 방탄 시스템에 관한 것이다.

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은, 2013년 3월 13일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 61/780,803 호를 우선권으로 주장하며, 이의 전체 내용을 본원에 참고로 인용한다.

현재의 방탄성 개인 보호는 일반적으로 통상의 SAPI(Small Arms Protective Insert) 또는 통상적인 부드러운 베스트에 의해 달성된다. 경질 세라믹 SAPI 판은 효과적인 보호를 제공하지만, 이는 기동성에 제한이 있고 불편하여, 현장에서 군인들을 산만하게 하고 불필요한 급속한 피로를 유발한다.

추가적으로, SAPI 판은, 현장에서의 군인들의 활동 고유의 충격들로 인해 매우 심각하게 손상될 수 있으며, 그러한 손상은 감지하기가 어렵고 치유하기가 불가능하며 심각하거나 총체적인 방탄 열화를 야기할 수 있다. SAPI 판은 또한, 가까운 거리에서의 다중 충격에 대해 불량한 보호성을 갖는다.

따라서, 새로운 방탄 시스템이 요망된다. 특히, 필요한 침투방지성, 부하 퍼짐성, 충격 에너지 관리 및 쇼크 관리 기능을 제공하기 위해 탄도 충격 하에서 제어된 경질성을 나타내는 새로운 방탄성 개인 보호 시스템이 필요하다.

다양한 실시양태에서, 개선된 복합체 방탄 시스템이 개시된다. 더욱 특히, 본 발명은, 다양한 특성의 복합체 재료를 포함하는 복합체 방탄 시스템에 관한 것이다. 다양한 실시양태에서, 복합체 방탄 장비가 개시된다. 본 발명의 다양한 실시양태에서, 방탄 시스템은, 일방향성 모노필라멘트의 층으로 제조된 여러 개의 집합된(nested) 부-라미네이트를 포함한다.

본 발명의 다양한 실시양태에서, 방탄 시스템은, 방탄 특성을 가진 엔지니어링 섬유를 포함한다. 다양한 실시양태에서, 방탄 시스템은, 속도 감응성 거동과 함께, 제어된 순응성, 변형 및 에너지 방출을 위해 엔지니어링된 중합체 매트릭스 물질 및 계면 물질을 포함한다.

도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 하나 이상의 복합체 라미네이트 재료를 예시하는 다이아그램도이다.
도 2는 본 발명에 따른 도 1의 영역 "A"의 확대된 상세도이다.
도 3은 본 발명에 따른 % 성능 대 층 개수를 보여주는 데이타 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 그러한 하나 이상의 복합체 라미네이트 물질의 하나 이상의 패널의 가요성을 보여주는 다이아그램도이다.
도 5는 본 발명에 따른 그러한 하나 이상의 복합체 라미네이트 물질의 하나 이상의 패널의 충격 부하를 보여주는 다이아그램도이다.
도 6은 본 발명에 따른 그러한 하나 이상의 복합체 라미네이트 물질의 하나 이상의 패널의 비교용 두께를 보여주는 다이아그램도이다.
도 7은 본 발명에 따른 라미나 내(intra-laminar) 하이브리드화(hybridization)를 보여주는 다이아그램도이다.
도 8은 본 발명에 따른 혼합된 필라멘트를 보여주는 다이아그램도이다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시양태에 따른 부-라미네이트 및 내부층의 사용을 통한 충격 부하에서의 변화를 그래프 형태로서 도시한다.

하기 설명은 다양한 예시적 실시양태일 뿐이며, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위, 적용성 또는 구성을 제한하고자 하는 것이 아니다. 오히려, 하기 설명은, 최상의 모드를 비롯한 다양한 실시양태를 예시하기 위한 편리한 예시를 제공하고자 하는 것이다. 주지하고 있듯이, 본 발명의 원리에서 벗어남이 없이 이들 실시양태에서 기술된 요소의 기능 및 배열에 다양한 변화가 가해질 수도 있다.

하기 표 1은 본 발명의 다양한 부분에 사용될 수 있는 용어 목록 및 그의 정의를 제공한다.

[표 1] 용어의 간단한 목록 및 정의

본원에서 이하에서 더욱 상세히 기술하고 있듯이, 본 발명에 따른 경량 반-경질 복합체 방탄 시스템은 여러 개의 집합된 부-라미네이트를 포함한다. 부-라미네이트는, 제어된 순응성, 변형, 에너지 방출 및 속도 감응성 거동을 위해 엔지니어링된 중합체 매트릭스 물질 및 계면 물질 내에 함입된 방탄 특성을 가진 엔지니어링 섬유로 제조된 일방향성 모노필라멘트의 층으로부터 제조될 수 있다.

다양한 실시양태에서, 가요성은, 서로에 대해 독립적으로 움직일 수 있고 발포체(foam), 점탄성, 정전기력, 반데르발스 힘, 블록킹 또는 고속 강성화 물질로 연결되거나 또는 전혀 연결되지 않은 많은 부-라미네이트들로 방호재(armor)를 분할함으로써 수득된다.

본 발명의 다양한 실시양태에서, 이들 층은 여러 방향으로 배향되어, 충격 부하가 분배되고 변형이 제어되고 충격 에너지가 소산되어, 탄도 충격 하에서 충분한 제어된 경질도를 가진 형태로 방탄 보호성을 제공하여, 침투 방지, 부하 퍼짐, 충격 에너지 관리 및 쇼크 관리의 필요한 기능을 제공한다. 그러한 층 배향은 추가로, 착용시 충분한 가요성 및 순응성을 제공하여, 기동성 및 움직임 범위의 손실을 최소화하고 착용자의 편안함이 개선될 수 있게 한다. 이 개선은, 전투 효율을 향상시키고 경질 SAPI 판이 겪게 되는 감소된 기동성 및 움직임 범위의 제한으로 인한 사용자의 피로를 최소화한다.

본 발명에 따른 시스템은, 또한 세라믹 또는 금속 성분을 이용하는 시스템 내로 통합될 수 있지만, 상기 시스템의 순수한 복합체 실시양태는 세라믹 SAPI 판에서 관찰되는 것처럼 충격 손상에 민감하지 않으며 대부분의 보통의 사용중의 우연한 충격에 민감하지 않다. 상기 시스템은 또한 가까운 거리에서의 여러 회의 충돌에 대해 탁월한 보호성을 나타낸다. 상기 시스템은 상당한 비율의 수분을 흡수하지 않으므로, 생성 방탄 시스템은 중량이 늘거나 가수분해로 인한 수분-담지형(logged)으로 되지 않는다. 상기 시스템은 또한, 굴곡 피로, UV 복사선 및 보통 겪게되는 대부분의 시약 또는 화학물질에 대한 노출로 인한 열화로부터 보호된다.

다양한 실시양태에서, 본 발명에 따른 시스템은 하나 이상의 복합체 방탄 시스템을 포함한다. 그러한 하나 이상의 복합체 방탄 시스템은, 하나 이상의 다층 다-방향성 부-층 구성을 사용함으로써 개선된 순응성, 연신성 및 가요성을 가져 더 큰 기동성 및 더 적은 움직임 제한 범위를 제공할 수 있다.

그러한 하나 이상의 가요성 탄도 패널은, 부-라미네이트의 층으로 제조될 수 있다. 상기 패널 시스템의 부-라미네이트는, 방탄 특성, 1 x10⁶ psi 초과의 모듈러스 및 100,000 psi 초과의 피로 강도를 가진 엔지니어링 섬유의 일방향성 모노필라멘트의 층으로 제조될 수 있다.

그러한 하나 이상의 다층 다중 방향성 부-라미네이트는, 얇은(예를 들면, 통상의 모노필라멘트의 경우 6개 미만의 모노필라멘트 직경, 초박 또는 나노-모노필라멘트, 로프, 야안, 섬유의 경우 0.005" 미만) 일방향성 테이프("유니테이프") 층을 사용하거나, 또는 달리, 필라멘트의 라미나-내 또는 라미나-간 하이브리드화를 이용할 수 있다. 일방향성 테이프는, 수지로 코팅된 얇게 펼쳐진 평행 모노필라멘트를 가진 섬유-강화된 층이다. 다양한 실시양태에서, 평행 섬유를 가진 각각의 유니테이프 층은 지정된(dedicated) 방향으로 고유하게 방향-배향되고 그러한 선택된 방향에서 신장을 제한하고 강도를 제공한다. 다양한 실시양태에서, 2-방향 유니테이프 구성은 0°배향으로 배치된 제1 유니테이프 층 및 90°배향으로 배치된 제2 유니테이프 층을 특징으로 할 수 있다. 동일한 방식으로, 다양한 1-방향 구성, 2-방향 조합, 3-방향 조합, 4-방향 조합 및 다른 유니테이프 조합이 적용되어 원하는 방향성- 또는 비방향성-강화된 라미네이트를 생성할 수 있다.

다양한 실시양태에서, 필라멘트는, 1 msi 초과의 영 모듈러스 및 100 KSI 초과의 극한 인장 강도를 가진 다양한 엔지니어링 섬유를 포함할 수 있다. 그러한 엔지니어링 섬유는, 비제한적으로, UHMWPE(상품명 다이니마(Dyneema) 및 스펙트라(Spectra)로 입수가능함), 아라미드(Aramid)(상품명 케블라(Kevlar) 및 트와론(Twaron)으로 입수가능함), PBO 섬유(상품명 자일론(Zylon)으로 입수가능함), 액정 중합체 벡트란(Vectran)(상품명), 유리 섬유, 예컨대 E 및 S 유리, M5 섬유, 탄소, 및 파라-아라미드(상품명 테크노라(Technora)로 입수가능함)을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 모노필라멘트는 압출된다.

다양한 실시양태에서, 상기 패널 시스템의 부-라미네이트는 둘 이상의 일방향성 테이프를 포함하며, 이들 각각은 압출된 모노필라멘트를 내부에 갖고, 이들 모노필라멘트 모두는 상기 테이프 내에 소정의 방향으로 위치되고, 그러한 모노필라멘트는 약 60 미크론 미만의 직경을 가지며, 모노필라멘트의 접합 강화 그룹 내의 개별 모노필라멘트들 간의 간격은, 인접 및/또는 적층된 모노필라멘트 들간에, 모노필라멘트 주요 직경의 약 300 배 이하의 범위의 갭 간격 이내이다.

다양한 실시양태에서, 부-라미네이트는 추가로 다른 라미나 오버레이 세트를 포함한다. 다양한 실시양태에서, 부-라미네이트는, 그러한 둘 이상의 일방향성 모노필라멘트 중 첫번째 것이 그러한 둘 이상의 일방향성 모노필라멘트 중 두번째 것과 다른 소정의 방향으로 위치된 모노필라멘트를 포함하는 것이다.

다양한 실시양태에서, 부-라미네이트는, 그러한 둘 이상의 일방향성 테이프의 상이한 소정 방향의 조합을 포함하며, 이들 방향은, 계획된 방향성 경질도/가요성을 가진 부-라미네이트 특성을 달성하기 위해 소비자에 의해 선택된다. 그러한 소비자-계획된 배열은, 3-차원 형상의 가요성 복합체 부분을 포함하는 부-라미네이트를 제공할 수 있다. 또한, 부-라미네이트는 주변 접합부를 따라 결합된 여러 개의 라미네이트 분절을 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 부-라미네이트는, 주변 결합부를 따라 결합된 하나 이상의 라미네이트 분절과 하나 이상의 비-라미네이트 분절을 포함한다. 추가로, 부-라미네이트는 영역 결합부를 따라 결합된 여러 개의 라미네이트 분절을 포함할 수 있다.

다양한 실시양태에서, 부-라미네이트는, 영역 결합부를 따라 결합된 하나 이상의 라미네이트 분절과 하나 이상의 비-라미네이트 분절을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 부-라미네이트는 영역 결합부를 따라 결합된 하나 이상의 라미네이트 분절과 하나 이상의 유니테이프 분절을 포함한다. 다양한 다른 실시양태에서, 부-라미네이트는 영역 결합부를 따라 결합된 하나 이상의 라미네이트 분절과 하나 이상의 모노필라멘트 분절을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 부-라미네이트는 하나 이상의 경질 부재를 포함할 수 있다.

다양한 실시양태에서, 엔지니어링 섬유는 추가로 나노-필라멘트, 나노-로프, 나노-야안, 나노-토우(tow), 나노-분말 및/또는 나노-필름을 포함할 수 있으며, 이들은 유니테이프 층 내로 혼입되고/되거나, 유니테이프와 회합되고/되거나, 유니테이프의 외측 표면에 적용될 수 있다. 그러한 하나 이상의 나노-물질은 나노-스프레이, 전자 빔 침착, 스퍼터링, 증착, 대기압 플라즈마 침착, 침투(infusion)에 의해, 또는 중합체 코팅의 부분으로서 개별적인 모노필라멘트의 외측 표면에 적용될 수 있다. 그러한 코팅은, 열 활성화 또는 달리 두-부분 자기-경화에 의한 가교결합 시스템을 포함할 수 있고, 또는 달리 E-빔과 같은 복사선 경화, RF 경화, UV 경화 또는 달리 열 경화될 수 있다. 섬유의 표면, 나노-컴포넌트의 표면 및/또는 중합체 수지는 모두, 모노필라멘트 표면, 나노-컴포넌트, 단섬유 성분 또는 수지 간에 강한 화학적 결합을 생성시키는 화학적으로 반응성인 작용기를 구비하여, 접착성을 개선하고 에너지 소산을 향상시킬 수 있다.

개개의 유니테이프 층(ply)은 1.5 내지 80 g/m²의 면적 밀도를 가질 수 있다. 다양한 실시양태에서, 유니테이프는 아라미드, UHMWPE, 유리 등과 같은 하나의 단일 섬유 군을 함유하거나 또는 달리 조합된 부류 또는 스타일(예를 들면, 동일 섬유 부류이지만 상이한 스펙)을 함유하거나 또는 달리 상기의 임의의 조합을, 예를 들면 소정의 패턴 또는 구조로 함유한다. 다른 섬유 유형은, 유니테이프의 폭 또는 두께에 걸쳐 산재된 교대되는 세트의 각 물질이거나, 또는 균일한 상호혼합되거나(intermixed) 혼합된(comingled) 구조로 분포될 수 있다. 이들 유니테이프는 적층되어, 부-라미네이트의 각 층 내에 임의의 물질 조합을 생성할 수도 있다. 예는, 부-라미네이트내 각각의 유니테이프에 단지 하나의 등급의 모노필라멘트로 제조된 부-라미네이트를 갖는 것이거나, 또는 각 유니테이프가 하나의 유형의 모노필라멘트로부터 제조되는, 부-라미네이트 내의 하나 이상의 상이한 유니테이프를 사용한 것이다. 또 하나의 예는, 각 층에 혼입된 다중 섬유 유형의 하이브리드 유니테이프로 제조된 유니테이프를 갖지만 하이브리드의 동일한 스펙으로부터 제조된 모든 유니테이프를 갖부-라미네이트 내에 는 것이다. 또 다른 하나의 예는, 유니테이프 내에 여러 섬유 혼합물을 가진 유니테이프 및 부-라미네이트를 구성하는데 사용되는 유니테이프의 다중 유형으로부터 부-라미네이트가 제조되는 가장 일반적인 경우이다.

부-라미네이트 내의 개별적인 유니테이프는 다양한 섬유 면적 밀도로 제조될 수 있다. 이 종류의 하이브리드 부-라미네이트는, 섬유 유형 중 하나가 일부 조건 하에서 탁월한 보호성을 제공하지만 또 다른 세트의 조건 하에서는 적합한 보호성을 제공할 수 없는 경우에, 개선된 탄도 성능을 제공할 수 있다. 우수한 예는 UHMWPE 모노필라멘트의 사용일 수 있으며, 이는, 대부분의 조건이지만 기재 중합체의 온도 한계를 넘는 입사 투사체에 의한 일부 충격에 대해서는 보호하는 능력 면에서 제한되는 경우에 탁월한 방탄 보호성을 제공한다. 아라미드 또는 PBO 하이브리드는, 아라미드 또는 PBO 모노필라멘트의 고온 능력 덕분에, UHMWPE 기재 라미네이트가 입사 투사체에 대해 보호하는 능력을 개선할 수 있다. 유사하지 않은 특성의 모노필라멘트를 사용하는 것 또한 탄도 충격 성능을 개선할 수 있는데, 이는, 유사하지 않은 모노필라멘트의 상호 작용은 유사하지 않은 모노필라멘트 간의 변형 비상용성으로 인해 상당한 에너지 흡수, 쇼크 소산 및 제어된 변형을 발생할 수 있기 때문이다.

다양한 실시양태에서, 부-라미네이트 내의 층의 최소 수는 반(semi)-실험적 방법에 의해 결정할 수 있으며, 이는 최적 "라미네이션 효과"를 수득함으로써 시트의 특정 탄도 성능을 단일체 판 경우에 가장 필적할 수 있는 수준까지 만드는데 필요한 최적 층의 수를 발견한다. 특정 수의 유니테이프 층에서, 탄도 성능 수준의 개선 (도 3에 도시된 바와 같음) 및 층의 수는, 원하는 굴곡 정도를 제공하는 부-라미네이트의 두께를 사용하여 결정된다.

각각의 일방향성 층은 임의의 면내 각도로 배향될 수 있다. 가장 간단한 것은 2-방향 크로스-층(0°/90°) 구조이며, 이는 제조하기 쉽지만 흔히 최상의 탄도 보호성 또는 최상의 글로벌 패널 변형 저항성도 제공하지 못하고, "후방 벽(back wall) 변형"에 대한 최상의 저항성도 제공하지 못한다. "후방 벽 변형"은, 라미네이트가 착용자의 신체쪽으로 후방으로 밀려나가 손상 또는 무능력화를 야기할 수 있는, 충격 면적 바로 아래의 면적이다. 과도한 변형은 또한, 근접하게 이격된 다중-충돌 충격에 대한 탄도 보호성을 열화시킨다. 이러한 이유로, 여러 개의 선택된 각도를 갖는 것이 바람직하다. 3개는 일부 개선을 제공하지만 0°/45°/90°/-45° 배향으로 이격된 네 개의 각도는 더욱 우수한 성능을 제공한다. 일부 추가적인 개선은, 또 하나의 세트의 층(ply) 각도, 예를 들면 22.5°씩의 증분(예를 들면, 0°/22.5°/45°/67°/90°/-67°/-45°/-22.5°/0°)으로 또는 +/- 30° 또는 +/-60°을 가함으로써 수득될 수 있다. 부-라미네이트는, 원하는 탄도 성능 및 가요성을 달성하기 위해 원하는 수의 유니테이프 층을 구성하는 적층된 이들 층 그룹의 반복 세트로 이루어질 수 있다.

다양한 실시양태에서, 수지 함량은 유니테이프의 총 면적 중량의 1% 내지 30% 범위일 수 있으며, 더 낮은 수지 함량은 일반적으로 더 우수한 탄도 성능을 제공한다. 높고 낮은 수지 함량의 유니테이프가 다양한 적층 순서 및 레이업 패턴으로 조합될 수 있다.

얇은 층의 중합체 필름, 부직물 및 다층 나노-섬유 또는 필름이 하나 이상의 유니테이프 계면에 위치되어 탄도 성능을 개선하거나 변경할 수 있다.

수지 물질은, 다양한 분자량 또는 조성의 에폭시 기재, 시아네이트 에스터 기재 또는 폴리에스터 기재 수지를 다양한 경화제와 조합하여 포함하여 원하는 매트릭스 특성을 제공할 수 있다. 매트릭스 물질은 또한 열가소성 폴리우레탄, 달리 블럭 코폴리에스터, 달리 2 부분 폴리우레탄(방향족 또는 지방족 이소시아네이트 경화 메카니즘을 가짐), 달리 세라믹, 달리 E-빔 침착 중합체, 달리 실리콘 등일 수 있다. 수지는 핫 멜트, 달리 수성 용액, 달리 유기 또는 무기 용매를 가진 용액, 달리 물 또는 용매 분산액, 달리 분말, 달리 방적-결합된 필름, 달리 압출된 시트, 달리 주조된 시트일 수 있다. 주조되거나 압출된 시트는 단독중합체, 달리 다층 공-압출물이거나, 달리 필름, 종이 또는 천 상으로 공-주조될 수 있고, 필름은 지지되지 않은 것일 수 있다.

다양한 실시양태에서, 하나 이상의 다층 다방향성 부-라미네이트는 인발된 모노필라멘트의 유니테이프를 포함하여, 예를 들면 다방향성의 적층된 네트워크를 가진 라미네이트를 제공할 수 있다.

횡방향 변형의 효과를 무시하는 탄도성 판 또는 시트의 굽힘 강성도(bending stiffness)는 상기 판 또는 시트의 구역(section) 모듈러스에 비례하며, 하기 식에 따라 산출될 수 있다:

구역 모듈러스 = Z = BD²/6

상기 식에서, B는 판 또는 시트의 폭이고, D는 판 또는 시트의 두께이다.

단지 비교를 위해, 폭은 1로 표준화되어, 필적가능한 판 및 시트의 가요성에 판 또는 시트 두께가 미치는 영향을 결정할 수 있다. 1인치가 복합체 시트의 보통의 두께이며, 이는 대략 5 ib/ft²을 제공하기 때문이다. 1" 판 구역의 경우, 모듈러스 = Z = BD²/6 = (1) (1)/6 = 1/6이다. 0.020"에서 시작하여 0.10"까지 0.020"씩 증가시켜 감으로써, 더 얇은 물질로 이동함으로써 가요성에 미치는 영향을 산출할 수 있다. Z = (1) (1/50)²/6 = 1/(6)(2500). 따라서, Z는 판의 두께의 제곱에 비례하기 때문에, 0.020" 판은 1" 판의 굽힘 강성도의 1/2500을 갖는다. t=0.030 이면, Z=1/1111이다. t=0.040 이면, Z=(1/25)²이다.

0.020" 시트의 1" 적층체의 경우, 총 가요성은 구역 모듈러스의 합과 같다: Zeff = ∑ 2i (Z x 50) 1/2500 * (50) = 1/50; 및 I=1 내지 33.3; Zeff = ∑ 2i = 1/33.3. 이 패턴에서 알 수 있듯이, 총 두께가 동등한 부-라미네이트들로 이루어진 패널의 가요성은, 모든 부-라미네이트 두께가 이 관계식을 사용하여 동일한 비율이라면, 총 목적 패널 두께는, 필요한 가요성 증가를 제공하는 수의 부-라미네이트로 나뉘어질 수 있다. 부-라미네이트 시트에 대해 0.020"의 두께가 선택된다면, 유효 강성도는, 50개의 0.020" 부-라미네이트의 적층체의 굽힘 강성도가 단일체형 1" 탄도 판보다 50배 적으므로, 1/50 배 적다.

적절히 엔지니어링된다면, 부-라미네이트로 제조된 패널은, 솔리드 경질 판보다 탄도 성능면에서 최소의 감소 내지는 탄도 보호 면에서 실제적으로 높은 범위의 성능을 가지면서도 여전히 가요성일 수 있다. 부-라미네이트는 최대 가요성을 가진 개별 시트로서 사용되거나, 또는 순응성 발포체에 매립된 순응성 속도-감응성 팽창 물질의 얇은 층과 함께 가볍게 접합될 수도 있다.

부-라미네이트를 그러한 방식으로 함께 접합하는 것은 패널의 가요성을 감소시키지만, 특히, 탄도 판의 경우와 같이 패널이 큰 변형을 겪을 필요가 없다면, 여전히 순응성 패널을 허용할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 탄도 판은, 필요한 수준의 기동성 및 편안함을 제공하는데 알맞게 충분한 "기여(give)"를 패널에 부여하여야 한다. 이것은, 탄도 패널 시스템의 총 두께, 부-라미네이트 내의 모노필라멘트의 특성, 및 라미네이트 간의 계면에서 엔지니어링된 순응성 정도에 좌우되는 개체(subjective) 변수이다.

상기 부-라미네이트 시스템은 덜 엔지니어링된 굴곡 특성을 갖지만, 가요성의 대부분은, 부-라미네이트 패널들을 단일 패널로 접합하는, 상기 계면에서의 점탄성 팽창성 발포체 물질의 낮은 전단 및 영 모듈러스에 기인한다. 팽창성 물질은 매우 속도-감응성이며, 고도의 순응성 탄성중합체 물질에서 고도의 경질 고체 물질로의 전이를 겪는다. 충격 하에서, 감응성 팽창성 층의 속도는 연질 순응성 물질에서 경질 내부층으로 전환되어, 부-라미네이트를 함께 엮어, 고체 패널로 작용하게 하며, 이것은 패널의 충격 강성도가 고체 탄도 패널의 것에 근접하게 증가함을 의미한다.

충격 하에서의 패널의 경질도는 충격 부하를 퍼지게 하고 충격 중에 패널의 구조적 일체성을 유지한다. 이것은 점탄성 효과이므로, 내부층이 연질에서 경질로 변환될 때의 속도를 조절하여 충격을 관리하고 충격시의 힘을 보다 장기간에 걸쳐 퍼지게 할 수 있다. 보다 장기간에 걸쳐 충격 부하를 퍼지게 하는 것은 충격 부하의 크기를 감소시키며, 부하 속도를 조정하여 개별 부-라미네이트에 최적의 부하 전달을 제공하여 각각의 개별적인 탄도 부-라미네이트로부터 최고의 보호 수준을 제공할 수 있다.

이제 도 1을 참조하면, 방탄성 패널(100)의 한 실시양태가 단면으로 도시되어 있다. 상기 패널은 속도-감응성의 고속 강성화 중합체 및 중합체 발포체의 순응성 점탄성 내부선형 층을 복합체 부-라미나의 층들 사이에 포함한다. "A"로 지칭된 상기 패널(100)의 구역을 도 2에서 확대하여, 가요성 복합체 부-라미네이트 및 강성화 중합체 또는 중합체 발포체의 교대되는 층을 포함하는 실시양태를 보다 명확히 도시한다.

도 4는, 가요성 부-라미네이트의 적층으로 인한 통상의 사용 시의 패널(100)의 가요성을 다이아그램식으로 도시한다.

도 5는 충격 힘(예를 들면, 도시된 삼각형 투사체로부터)에 대한 패널(100)의 저항성을 예시한다. 충격 부하 하에서, 속도-감응성 인터레이스는 패널(100)을 경질화 또는 "동결"하여, 부-라미네이트 구조를 갖지 않는 한 조각 패널의 등가물로 만든다.

부-라미네이트 패널에 대한 설계 가요성의 하나 이상의 영역은 점탄성 팽창 내부층의 두께를 선택하는 능력이다. 가장 효과적인 상업적 시스템은 경량 발포체 형태이며, 이는 최소의 중량 증가로 비교적 두꺼운 층의 혼입을 허용한다. 상기 패널의 가요성은 더 두꺼운 순응성 층의 경우에 향상되며, 이는 기동성 및 편안함 관점에서 유도될 수 있다. 더 두꺼운 순응성 층을 사용하는 것은 또한 글로벌 패널 시스템의 두께를 증가시킨다. 이 두께 증가 자체는, 가요성이 실제적으로 향상되기 때문에, 일반적으로는 기동성을 제한하거나 움직임을 제한하지 않는다. 이 증가된 두께는, 충격 하에서 과도적인 경질 상태 중에 글로벌 패널 시스템의 유효 구역 모듈러스를 상당히 증가시키며, 이는 경질 패널의 "유효 강성도"를 상당히 증가시킬 수 있다.

이제 도 6을 참조하면, 하나의 1" 두께 단일체 패널은, 사이에 점탄성 층을 가진 4개의 부-라미네이트로 나뉘며, 부-라미네이트로 구성된 새로운 패널의 총 두께는 1.5"가 된다. 이 경우, 상기 1" 단일체 판 및 1.5" 두께의 부-라미네이트 판의 구역 모듈러스(SM)은 하기 식과 같이 결정된다:

구역 모듈러스 = (1)²/6 (단일체의 경우)

구역 모듈러스 = (1.5)²/6 (부-라미네이트 판의 경우)

SM | _mono = 1/6

SM | _sub = 2.25/6

도 6에 요약되고 상기와 같이 산출된 예시는, 충격 하에서 경질 부-라미네이트의 유효 강성도는 단일체 판에 비해 강성도 및 변형 저항성이 2.25배임을 보여준다. 따라서, 두께가 단지 50% 증가할 때 2.25배의 강성도 및 변형 저항성이 달성가능하다.

"경질화된" 유연 층은 충격 하에서 코어 물질로서 작용하여 패널 시스템의 구조적 특성을 전반적으로 개선할 수 있다. 점탄성 층은 또한, 충격 사건이 패널 시스템을 통해 진행될 때 개별적인 부-라미네이트로의 부하 전달이 약간 진행되도록 엔지니어링될 수 있으며, 이는 부하 퍼짐 및 에너지 관리를 개선하고 향상된 항-침투성에 기여할 수 있다.

추가적으로, 본 발명에 따라 엔지니어링된 점탄성 팽창 층은, 과도한 중량 및/또는 부피의 증가 없이도, 개선된 방탄 특성, 및 더 우수한 기동성 및 개선된 움직임 범위를 위한 개선된 가요성을 제공한다. 충격 부하 하에서의 이 경질화 또는 "동결" 거동은 하기를 포함하는 이점 중 하나 또는 조합을 제공할 수 있다: (1) 충격 부하를 분포시켜, 이들을 조립체 내로 퍼지게 하여, 최대 피크 부하 및 관련 손상을 감소시키고, (2) 면외 방향에서의 패널의 변형을 제한하여, 패널이 착용자의 신체를 향해 안쪽으로 얼마나 변형되는지의 척도인 "후방 벽 변형"을 감소시키고, (3) 더 우수한 에너지 흡수 및 쇼크 소산을 위해 충격을 견디는데 사용된 패널의 면적을 증가시키고, (4) 패널과 충돌하여 패널내로 들어가는 투사체에 대한 패널 시스템의 진행(progressive) 응답을 최적화함으로써 투사체 침투에 대한 저항성을 개선한다.

다양한 실시양태에서, 부-라미나는 섬유 유형의 하이브리드화를 포함할 수 있다. 예를 들면, 하이브리드화는 라미나-간(예를 들면 상이한 탄도 섬유 유형, 층 병렬)일 수 있다. 도 7에 예시한 바와 같이, 섬유 유형의 하이브리드화는 라미나-내 하이브리드화(예를 들면, 단일 층 내의 하나 이상의 상이한 섬유 유형, 소정의 패턴 또는 디자인에 따라 적층됨)일 수 있다. 도 8에 예시된 바와 같이, 섬유 유형의 하이브리드화는 섬유의 혼합(예를 들면, 둘 이상의 섬유 유형이 일반적으로 모노필라멘트 수준에서 균일하게 혼합됨)을 포함할 수 있다.

상기 시스템은 달리, 상이한 섬유 유형(예를 들면, 상품명 다이니마(Dyneema) 및 케블라(Kevlar))을 통한 하이브리드화를 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 상기 시스템은 상이한 스타일, 달리 상이한 제품 형태, 달리 동일 또는 유사한 섬유 또는 모노필라멘트의 상이한 기계적 특성을 통한 하이브리드화(즉, 다이니마 SK 76과 다이니마 SK90과의 하이브리드화, 또는 자일론(Zylon) HM과 보다 낮은 모듈러스의 자일론의 하이브리드화)를 포함할 수 있다. 이 접근은, 하나의 섬유 유형에서의 상당한 개선이 또하나의 중요한 특성에서의 감소에 의해 상쇄되는 경우에 유용할 수 있다.

예를 들면, 일부의 다이니마(상품명) 섬유는 매우 미세한 필라멘트로 연신되며 이는 면내 응답을 개선하지만 일부 다른 제한점을 가져 섬유의 방탄 성능의 완전 구현을 방해한다. 더 큰 직경의 UHMWPE 섬유는 더 낮은 물성을 갖지만 이의 더 두꺼운 필라멘트를 약간 상이한 미세구조와 조합하는 것은, 어느 하나가 독립적으로 가능한 것보다 더 큰 전체 방탄 성능 및 보호능을 제공할 수 있다. 상기 시스템은, 예를 들면 매트릭스에 대한 모노필라멘트의 통합 및 응답을 최적화하기 위한 섬유 표면 처리, 표면 작용성화, 표면 코팅, 표면 그라프팅 및/또는 하나 이상의 유형 또는 층의 침착에 의한, 모노필라멘트의 방탄 성능의 개선 또는 최적화를 특징으로 할 수 있다.

다양한 실시양태에서, 상기 시스템은 추가로, 엔지니어링된 섬유를 포함하여, 예를 들면 매트릭스에 대한 모노필라멘트의 통합 및 응답을 최적화하도록 섬유 표면 처리, 표면 작용성화, 표면 코팅, 표면 그라프팅 및/또는 하나 이상의 유형 또는 층의 침착에 의해 매트릭스 계면 특성을 개선할 수 있다.

다양한 실시양태에서, 상기 시스템은 추가로, 다양한 속도 감응성 중합체 및/또는 다양한 섬유 및 중합체의 부직 복합체의 혼입을 포함하여, 예를 들면 매트릭스에 대한 전략적인 인터-라미나 및 인트라-라미나 위치 및 인트라-라미나 계면에서, 속도 감응성 시스템을 생성할 수 있다.

다양한 실시양태에서, 상기 시스템은 추가로, 모노필라멘트에 엔지니어링된 마이크로 플로(flaw)을 포함하여, 예를 들면 필라멘트의 최적화된 국지화된 대량의 동시 마이크로분열을 촉진하고, 예를 들면 UHMWPE 및 M5 섬유와 같은 일부 방탄성 모노필라멘트에 의한 후-불량 완화와 함께, 높은 내부 히스테레시스와 관련된 에너지 소산과 조합된 "높은 일에너지 대 초기 분열 특성"과 관련된 고유의 고 변형 에너지 방출 속도 역치(threshold)의 이점을 갖는다.

다양한 실시양태에서, 부-라미네이트는 단일 방탄성 모노필라멘트로 제조될 수 있고, 또는 다중 섬유가 합쳐져 많은 유형의 모노필라멘트의 하이브리드를 생성할 수도 있다.

하이브리드화는, 부-라미네이트가 개별적으로 하나의 모노필라멘트 유형으로부터 제조되지만 상이한 유형의 모노필라멘트로 구성된 몇 개의 부-라미네이트가 원하는 구조로 사용될 수 있는 글로벌 패널 수준에서 일어날 수 있다. 다양한 형태 및/또는 조합의 섬유 부류를 특징으로 하는 부-라미네이트 또는 하이브리드화 전략과 함께 하나 이상의 비-하이브리드 부-라미네이트(즉, UHMWPE, 아라미드, PBO, 유리)가 소정 구조로 사용될 수 있다.

패널 내의 부-라미네이트 모두는 원한다면 단일 부류의 섬유, 예를 들면 UHMWPE, 아라미드, PBO, 유리 등으로 제조될 수도 있다. 이 방식으로 제조된 패널은 편평하거나 만곡되어 착용자에게 잘 맞을 수 있다. 패널이 만곡되는 경우, 부-라미네이트는, 적층시 함께 적절히 네스팅되어 전체적인 라미네이트 판 시스템을 형성하도록 형성될 수 있다.

다양한 실시양태에서, 만곡된 구역은 가압 성형, 오토클레이브 성형, 및/또는 라미네이트 성형될 수 있다. 추가적으로, 만곡된 구역은 한 세트의 부-라미네이트로 제작되거나 개별적으로 제작된 다음 조립될 수 있다.

다양한 실시양태에서, 적합한 상황 하에서, 사용 환경, 미래 기술, 비용 등과 같은 문제를 고려할 때, 복합체 시스템의 다른 용도, 예를 들면 가요성이 바람직하지 않은 동일 물질 시스템으로부터 제조된 경질 판, 폭발 방호 장비, 회전 기계의 폭발 고장 방지 장비, 제트 엔진 및 다른 기체 터빈 엔진 압축기 블레이드 고장 방지 장비포, 스포츠용 우수한 보호 장비, 충돌 보호 방비, 석조 강화재, 벽돌 및 콘크리트 구조물 및 빌딩의 폭발 또는 지진에 의한 손상 및 이차적인 붕괴 또는 불량에 대한 보호, 차량, 비행체 방호, 통상의 방탄성 부드러운 조끼에 대한 가요성 "천" 대체재로서의 용도 등이 거론될 수 있다.

가요성 부-라미네이트는, 현재의 가요성 조끼 및 바디 방호용 조끼 직물에 대한 대체재로서 매우 높은 성능의 옵션을 형성할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 복합체 부-라미네이트는, 통상의 천 기술에 비해 탁월한 방탄 특성 및 부하 퍼짐성을 갖고, 수분을 흡수하지 않으며 액체 포화되지 않는다는 추가의 이점을 가지며, 섬유 모노필라멘트는 완전 밀봉되고 보호되어 마모, 채핑(chaffing), 굴곡 피로, 및 땀, 유체, 화학물질 및 UV 또는 가시 복사선으로 인한 환경적 열화로부터 보호된다.

조끼 용도에서 비용 및 생산 처리량 제한치와 가능한 한 일치되는, 가장 얇은 총 라미네이트 두께 및 예를 들면, 많은 각도 방향으로 배향된 최대 수의 가장 얇은 유니테이프로 가장 높은 방탄 보호 정도를 제공하는 부-라미네이트 두께를 선택하는 것이 일반적으로 유리하다. 또한, 전단 점증성(thickening) 매트릭스 및 라미네이트간 층의 사용을 이용하여 충격 특성을 개선할 수 있다.

두께 약 1 내지 10000 미크론의 얇은 순응성 속도-감응성 층 또는 층들을 부-라미네이트로 혼입할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 이 층은 약 1 내지 100 미크론의 두께일 수 있다. 다양한 다른 실시양태에서, 이 층은 약 1 내지 10 미크론의 두께일 수 있다. 이 층 또는 층들은, 충격 힘을 흡수하고 댐핑하고 감소시키고 충격으로부터 에너지를 방출시키면서도 또한 부-라미네이트에 가요성을 부가하기 위해, 높은 손실 인자(loss factor)를 가진 점탄성 물질일 수 있다. 내부층을 전략적으로 위치시키는 것은, 앞서 언급하고 도 9에 그래프로 예시한 바와 같이 충격 임펄스를 조정함으로써 부하 퍼짐 및 에너지 관리를 상당히 향상할 수 있다.

본 발명에 따른 방탄성 복합체는, 예를 들면 엔진의 압축기 블레이드를 나셀 방호(nacelle armoring)할 때 반(semi)-가요성 물질을 갖는 것이 바람직할 수 있으므로, 많은 비행체 용도에 유용하다. 보호구(armor)의 가요성은 나셀의 과-강성화를 방지하며, 이는 엔진 지지체 구조물의 조기 피로를 촉진시킬 수 있지만 고장난 압축기 블레이드의 충격 중에 구조적 일체성을 유지하면서도 동시에 블레이드 분절(fragment)을 함유하기에 충분한 경질도를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 방탄성 복합체는 또한, 통합된 겔 스타일 경화 접착제 층을 사용하여 또는 강인화된(toughened) 접착제 상에 분사되거나 브러슁된 층을 통해 또는 두 가지 모두의 유형의 접착제의 조합에 의해, 하나 이상의 부-라미네이트 시트를 구조물의 벽 또는 천정에 적층함으로써, 석조 벽돌, 콘크리트 구조물 및 빌딩을 폭발 또는 지진에 의한 손상 및 이차적인 붕괴 또는 불량으로부터 보호하기 위한 이상적인 해결책이다.

본 발명에 따른 방탄성 복합체는, 장식적 건축 효과를 위해 또는 위장, IR 제어 또는 다른 저 관찰성 피니쉬 및 텍스쳐를 부가하기 위해, 투명, 불투명, 반투명으로 착색, 인쇄 또는 텍스쳐화될 수 있다. 부가적으로, 상기 물질은, 제2 특징부로서, 절연 또는 에너지 효율을 위한, 태양광 반사성 또는 UV 차단성과 같은 환경 제어 기능을 갖는 내후성 외부 표면 층을 포함할 수 있다.

당업자들에게는 본 개시내용의 진의 또는 범주에서 벗어나지 않고도 본 개시내용에 다양한 변경 및 변화가 가해질 수 있음이 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 청구범위의 범위 및 그의 균등물 내에 드는 한, 본 개시내용의 변경 및 변화를 포함하는 것으로 의도된다.

마찬가지로, 소자 및/또는 방법의 구조 및 기능에 대한 상세 내용과 함께, 다양한 대안을 포함하는, 수많은 특성 및 이점이 전술된 설명에 개시되어 있다. 그 개시내용은 단지 예시적인 것일 뿐 배타적인 것으로 의도되지 않는다. 당업자들은, 개시내용의 원리 내의 조합을 비롯하여, 특히 구조, 물질, 요소, 성분, 형태, 크기 및 부분의 배열 면에서, 첨부된 청구범위가 나타내는 용어의 넓고 일반적인 의미가 나타내는 전체 범위에서, 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 주지하고 있을 것이다. 이들 다양한 변경이 첨부된 청구범위의 진의 및 범주에서 벗어나지 않는 한도에서, 이들은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

(a) 부-라미네이트(sub-laminate) 층, 및
(b) 임의적으로, 상기 층들 간에 분포된 고속 강성화(high-rate stiffening) 중합체 또는 중합체 발포체(foam)
를 포함하는 방탄성(anti-ballistic) 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 부-라미네이트 층이 하나 이상의 일방향성 테이프 부-층(sub-layer)을 포함하고, 이떼 상기 테이프 부-층 각각이, 수지로 코팅된 평행 모노필라멘트를 포함하는, 복합체.
제 2 항에 있어서,
상기 모노필라멘트가 약 60 미크론 미만의 직경을 갖고,
모노필라멘트의 결합 강화 그룹 내의 개별적인 모노필라멘트 간의 간격이, 인접 및/또는 적층된 모노필라멘트 들간에, 모노필라멘트 주요 직경의 약 300 배 이하의 범위의 갭 간격 이내인, 복합체.
제 2 항에 있어서,
상기 모노필라멘트가 1 x 10⁶ psi 초과의 모듈러스 및 1 x 10⁵ psi 초과의 파괴 강도를 갖는, 복합체.
제 2 항에 있어서,
상기 테이프 부-층이 총 2개 층을 가져 층(ply) 군(group)을 형성하고, 상기 2개의 부-층 각각 내의 평행 모노필라멘트가 부-층들 간에 0°/90°의 상대적인 배향을 갖는, 복합체.
제 2 항에 있어서,
상기 테이프 부-층이 총 4개 층을 가져 층 군을 형성하고, 상기 4개의 부-층 각각 내의 평행 모노필라멘트가 부-층들 간에 0°/+45°/+90°/-45°의 상대적인 배향을 갖는, 복합체.
제 2 항에 있어서,
상기 테이프 부-층이 총 9개 층을 가져 층 군을 형성하고, 상기 9개 부-층 각각 내의 평행 모노필라멘트가 부-층들 간에 0°/22.5°/45°/67°/90°/-67°/-45°/-22.5°/0°의 상대적인 배향을 갖는, 복합체.
제 2 항에 있어서,
상기 테이프 부-층이 임의의 가변적인 총 개수를 가져 층 군을 형성하고, 상기 개수의 부-층 내의 평행 모노필라멘트가 부-층들 간에 임의의 개수의 상대적인 배향을 갖는, 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 고속 강성화 중합체 또는 중합체 발포체가 점탄성 팽창성(dilatory) 발포체 물질인, 복합체.
하나 이상의 제 1 항에 따른 방탄성 복합체를 포함하는 방탄성 장비(device).
제 10 항에 있어서,
판(plate) 시스템으로 집합된(nested) 여러 개의 복합체를 포함하는, 장비.