(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の衝撃減衰層を含み、
各衝撃減衰層が、（ｉ）層の厚み方向に勾配をつけて配列された様々な直径の複数のナノ粒子を含む勾配ナノ粒子層と；（ｉｉ）勾配ナノ粒子層に隣接して配置され、母材に分散した複数のカーボンナノチューブまたはグラフェンを含む炭素同素体層とを含む、衝撃波減衰材料。
【請求項２】
前記勾配ナノ粒子層が、少なくとも３つの異なる直径のナノ粒子を含む、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブまたはグラフェンが、官能化グラフェンシートまたは官能化カーボンナノチューブである、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項４】
ヘルメットに配置された、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項５】
アーマーユニットの一部に配置され、アーマーユニットは、さらなる構造要素と防護板を有する、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項６】
前記ヘルメット部材が、ポリエチレン、ガラス繊維、パラアラミド合成繊維複合体、ビニル樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン、アクリル樹脂、金属およびそれらの組み合わせより成る群から選ばれる、請求項４に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項７】
前記構造要素が、車両の天井、床または壁の少なくとも１つを含む、請求項５に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項８】
前記構造要素が防護服集合体を含む、請求項５に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項９】
セラミック板、前記セラミック板に隣接して配置された基板、前記基板に配置された複数の衝撃波減衰材料層を含む個人用防護服ユニットの一部に配置された、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項１０】
前記基板が、超高分子量ポリエチレン、パラアラミド合成繊維複合体、炭素繊維複合体、金属、セラミックおよびそれらの組み合わせからなる材料のリストから選択される材料を含む、請求項９に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項１１】
基板層をさらに含み、複数の衝撃波減衰層が基板層上に配置された、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項１２】
勾配が、最小径から最大径まで勾配をつけて配列された様々な直径の複数のナノ粒子を含む、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項１３】
コンピュータまたはハードウェアーケーシング上に配置された、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項１４】
外装コーティングまたはフィルムとして配置された、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項１５】
スポーツ用ヘルメット、すね当て、キャッチャー胸部パッド、肩パッド、野球用ミット、ゴルフクラブ、または野球用バット上に配置された、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【請求項１６】
個人用ボディアーマーユニット、ゴミ箱、ゴミ袋、人工衛星、ヘリコプタ、コンピュータ／ハードウェアのケーシング、ケーブル保護具、建物、建物の外観、橋、パイプ、パイプライン、自動車ドアパネル、バンパー、ダッシュボード、フロントガラス、窓、車台、屋根、飛行機、装甲車両、非装甲車両、無人飛行機、潜水艦、船、またはボート上に配置された、請求項１に記載の衝撃波減衰材料。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年１０月１８日に出願された米国特許仮出願第６１／３９４，０６６号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本出願はまた、２０１０年１１月９日に出願された米国特許仮出願第６１／４１１，４９４号の優先権も主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本出願はまた、２０１１年４月２１日に出願された米国特許仮出願第６１／４７７，６７４号の優先権も主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
１．発明の分野
本発明は保護剤に関し、より具体的には衝撃波の影響を軽減する材料に関する。
【０００３】
２．関連技術の説明
衝撃波または発射物として、外部刺激の衝撃、例えば爆風を扱うための材料設計に、例えば、織物、セラミック材料および複合材料系が含まれる。Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）、Ｚｙｌｏｎ（登録商標）、Ａｒｍｏｓ（登録商標）、Ｓｐｅｃｔｒａ（登録商標）は、高強度繊維から作られた市販の織物である。その他材料としては弾道鋼（ballistic steel）があり、これは繊維状に織られた硬化高張力鋼から構成される。さらに、炭化ホウ素を例えばボディアーマー（body armor）を製造する際の材料として使用することができる。
【０００４】
セラミック材料、特にセラミック金属複合体は、軽量ボディアーマーに有用であることが分かっている。
【０００５】
既存の系は、衝撃波の発生源と保護されるものの間に高質量材料を与えることにより衝撃波を減衰させようとする。高質量材料は、衝撃波エネルギーの一部を吸収し、それによって衝撃波の振幅が減少する。しかしながら、波の振幅が減少することがあるが、それは特定量しか減少せず、まだ相当なダメージを及ぼす可能性がある。
【０００６】
したがって、衝撃波を破壊し、それによってその影響を少なくする材料が必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
先行技術の欠点は、一側面において、基板層を含む衝撃波減衰材料（shock wave attenuating material）である本発明によって克服される。複数の衝撃減衰層が基板層上に配置される。複数の衝撃減衰層の各層は、最小径から最大径まで勾配をつけて配列された互いに異なる直径の複数のナノ粒子を含む勾配ナノ粒子層（gradient nanoparticle layer）と、勾配ナノ粒子層に隣接して配置された黒鉛層を含む。黒鉛層は、母材に懸濁した複数の炭素同素体部材を含む。
【０００８】
別の側面では、本発明は、使用者によって着用されるように構成されたヘルメット部材を含むヘルメットである。複数の衝撃減衰層がヘルメット部材に適用される。各衝撃減衰層は、最小径から最大径まで勾配をつけて配列された互いに異なる直径の複数のナノ粒子を含む勾配ナノ粒子層と；勾配ナノ粒子層に隣接して配置された黒鉛層を含み、黒鉛層は母材に懸濁した複数の炭素同素体部材を含む。
【０００９】
別の側面では、本発明は、構造要素、アーマープレート（armor plate）および複数の衝撃減衰層を含むアーマーユニット（armor unit）である。複数の衝撃減衰層は、構造要素とアーマープレートの少なくとも１つと所定の関係で配置される。各衝撃減衰層は、最小径から最大径まで勾配をつけて配列された互いに異なる直径の複数のナノ粒子を含む勾配ナノ粒子層と；勾配ナノ粒子層に隣接して配置された黒鉛層を含み、黒鉛層は母材に懸濁した複数の炭素同素体部材を含む。
【００１０】
さらに別の側面では、本発明は、セラミックプレート、高質量部材およびナノ粒子衝撃波減衰材料層を含む個人用ボディアーマーユニットである。高質量部材はセラミックプレートに隣接して配置される。ナノ粒子衝撃波減衰材料層は高質量部材上に配置される。
【００１１】
ナノ粒子衝撃波減衰材料層は、高質量部材とセラミックプレートの間に配置することができる。同様に、ナノ粒子衝撃波減衰材料層は、高質量部材あるいはセラミックプレート、または双方の外側に配置することができる。これらの構成のいかなる組み合わせも本発明の範囲以内であることが理解される。
【００１２】
本発明のこれらおよび他の側面は、以下の図面と共に好ましい態様の以下の説明から明らかになるだろう。当業者に明白であるように、本発明の多くの変形および変更が、開示の新規概念の精神および範囲から逸脱することなくされてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】衝撃波減衰材料の一態様の概略を示す図。
【図２Ａ】勾配ナノ粒子層の一態様の概略を示す図。
【図２Ｂ】黒鉛層の一態様の概略を示す図。
【図３】衝撃波減衰を実証する、図１に示される態様の概略を示す図。
【図４】ヘルメットの一態様の概略を示す図。
【図５】アーマーユニットの一態様の概略を示す図。
【図６】ボディアーマーユニットの一態様の概略を示す図。
【図７】ボディアーマーユニットの一態様の概略を示す図。
【図８】ボディアーマーユニットの一態様の概略を示す図。
【発明の詳細な説明】
【００１４】
本発明の好ましい態様をここで詳細に記載する。図面に関して、図全体を通して同じ番号は同じ部分を示す。後に続く開示で別段の指定がない限り、図面は必ずしも一定の縮尺で描かれているとは限らない。本明細書中および特許請求の範囲全体を通して使用される、以下の用語は、文脈から明らかに別のものを述べている場合を除いて、本明細書中で明示的に関連付けられる意味をとる。「１つの（a）」、「１つの（an）」および「その（the）」の意味はその対象物の複数形も含み、「中に（in）」の意味は「中に（in）」および「上に（on）」を含む。
【００１５】
米国特許出願第１２／６７２，８６５号は、勾配ナノ粒子複合材料、および勾配ナノ粒子複合材料を作成する方法を開示し、参照により本明細書に組み込まれる。
【００１６】
図１に示すように、衝撃波減衰材料１００の一態様は、基板層１０４と、基板層上に配置された複数の衝撃減衰層１１０を含む。複数の衝撃減衰層１１０はそれぞれ、勾配ナノ粒子層１１４と、勾配ナノ粒子層１１４に隣接して配置された黒鉛層１１８を含む。典型的な態様において、衝撃波減衰材料１００は、少なくとも１０層の黒鉛層１１８と交互に配置された少なくとも１０層の勾配ナノ粒子層１１４を含む（単純化のため、図１では３層しか示していない）。
【００１７】
図２Ａに示すように、各ナノ粒子層１１４は、最小径から最大径まで勾配をつけて配列された互いに異なる直径（少なくとも２つの異なる直径）の複数のナノ粒子１２０を含む。勾配の具体的な向き（最小から最大対最大から最小）は、材料が使用されている特定の用途によって決まる。
【００１８】
図２Ｂに示すように、黒鉛層１１８は、母材１２４に懸濁した複数の炭素同素体部材１２８を含む。炭素同素体部材１２８は、グラフェンシート、カーボンナノチューブ、フラーレン、官能化グラフェンシート、官能化カーボンナノチューブおよび官能化フラーレンを含むことができる。
【００１９】
任意の透明性の要求に応じて基板の性質を変えてもよい。２つの可能性のある基板はポリカーボネートおよび炭素繊維の複合体／積層体である。実際、厚い（依然としてまだ透明な）ポリマー／グラフェン複合体層を基板として直接利用してもよい。勾配構造体は、例えば米国特許公報第２０１１−０２１２３２０号（参照により本明細書に組み込まれる）に示されるものや同じ原理から組み立てられた他のもののいずれかであってもよい。勾配構造体の一態様の総厚は５〜１０μｍ程度であり、それが必要とされる回数だけ繰り返すことができる。
【００２０】
フラーレン層は、単層と同じほどの薄い厚さで、勾配構造体上にトルエン溶液からコーティングすることによって直接蒸着してもよい。同様に、ナノチューブおよびグラフェンまたはグラフェン酸化物シートは有機溶媒、例えばクロロホルムの懸濁液からコーティングしてもよい。しかしながら、これら２つの同素体もポリマー複合体として（優先的に）蒸着されてもよい。ポリマー複合体を使用することでコーティング全体に構造的完全性をさらに与え、さらに重要なことには、部分的に反射した衝撃波を生成する付加的な衝撃領域を与え、衝撃部位から保護部位への衝撃エネルギーの全体的な通過をさらに低減する。炭素同素体部材１２８はグラフェン酸化物として官能化することができる。同様に、ナノチューブおよびフラーレンはカルボン酸、アミンで官能化することができ、ヒドロキシル基を導入することもカルボキシル基を導入することもできる。
【００２１】
図３に示すように、黒鉛層１１８は、そこに衝突する衝撃波の少なくとも一部を反射するのに十分な厚さである。黒鉛層１１８の厚さは、設計者が防護することを望む衝撃波の種類によって決まる。衝撃波３０２が材料１００に衝突すると、第１の勾配ナノ粒子層１１４は衝撃波３０４を減衰させるようになり、第１の黒鉛層１１８は衝撃波３０６の一部を反射し、それによって、任意の残余の衝撃波エネルギーの相殺的干渉を生成する。連続波３０８および３１２は同様に反射して反射波３１０および３１４を生成し、それはさらに残余の衝撃エネルギーを干渉する。
【００２２】
炭素または炭素複合体層は、１つのナノ構造体の終わりと次の構造体の始まりとを示す。入射衝撃波の著しい減少が１０μｍ未満の勾配ナノ粒子を通過した後に生じる。炭素および／または炭素複合体を有するそのような構造体のスタックまたは層が所々に存在し、層またはスタックの境界を定める。各炭素界面での効果は、入射衝撃波の減衰を引き起こす後進波を形成し、前進衝撃波を著しく減少させることであり、前進衝撃波は、構造体の次の層を通過する。５０層の勾配ナノ粒子構造体（各々は３０層のナノ粒子層から構成される）と複合体層が交互に配置されたスタックによって、１ｍｍの厚さのコーティングが得られ、入射衝撃波が著しく減衰する。これらの５０層の勾配または複合体層それぞれの厚さは典型的なヒトの髪の５分の１である。
【００２３】
図４に示すように、衝撃波減衰材料１１０はヘルメット４００またはヘルメットライナーの一部となることができる。一態様では、ヘルメット４００は、使用者が着用するように構成されたヘルメット部材４０２を含み、例えば、軍事用途で使用される戦闘用ヘルメット（ＥＣＨ：Enhanced Combat Helmet）がある。ヘルメット部材４０２は、パラアラミド合成繊維複合材料、例えば、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）から作ることができる。他の態様では、ヘルメットはスポーツで使用されるタイプであってもよい。例えば、衝撃波減衰材料１１０は、野球用ヘルメット、フットボール用ヘルメット、ホッケー用ヘルメット、サイクリング用ヘルメットなどで使用することができる。ヘルメット４００は、外側シェル（例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレンなど）、衝撃波減衰材料１１０層および内側シェルを含むことができる。ヘルメット４００はさらに、外側シェル、および高質量材料層と交互に配置された複数層の衝撃波減衰材料１１０を含むことができる。高質量材料として、例えば、高密度プラスチック、複合材料、ガラス繊維、パラアラミド合成繊維複合材料、ビニル、アクリロニトリルブタジエンスチレン、アクリル、金属、またはヘルメットで一般的に使用されるその他の材料が挙げられる。衝撃吸収フォームライナーもヘルメットに加えてもよい。
【００２４】
図５に示すように、衝撃波減衰材料１１０はアーマーユニット５００の一部であることができ、それは構造要素５０２、例えばベヒクルパネル（vehicle panel）を含むことができる。外側アーマープレート５１０、例えばセラミックまたは複合プレートは、外側防護面を提供する。衝撃波減衰材料１１０は構造要素５０２とアーマープレート５１０の間に配置される。衝撃波減衰材料１１０は、構造要素５０２またはアーマープレート５１０のいずれか、または双方の外側にあってもよい。これらの構成のいかなる組み合わせも本発明の範囲内にあることが理解されよう。
【００２５】
図６に、ボディアーマー集合体（body armor assemblage）６００、例えばインタセプターボディアーマー集合体（改良型外衣戦術ベスト（Improved Outer Tactical Vest）、改良型モジュラー式戦術ベスト（Improved Modular Tactical Vest）ならびに米国陸軍およびＵＳＭＣプレートキャリアで使用されるタイプのもの）の一態様を示す。そのような集合体６００は高質量部材を有するアーマープレート６０２（例えば、セラミックプレート）を含む。高質量部材での使用に適した材料の例として、高密度ポリマー６１０（例えば、超高分子量ポリエチレン）、パラアラミド合成繊維複合材料、炭素繊維複合材料、金属、セラミックおよびそれらの組み合わせが挙げられる。衝撃波減衰材料１１０は、使用者の身体に隣接した側のアーマープレート６０２と向かい合った高密度ポリマー６１０上で高密度ポリマー６１０に適用することができる。この後者の用途は背面変形の問題の解決に役立つ。図７に示すように、個人用ボディアーマー集合体６２０の一態様では、衝撃波減衰材料１１０は、高密度ポリマー６１０とアーマープレート６０２の間に配置される。図８に示すように、複数層の衝撃波減衰材料１１０をアーマー集合体６３０に適用してもよい。
【００２６】
ある用途では、衝撃波減衰材料１１０は、サッカー用すね当て、野球用キャッチャー胸部パッド、フットボール用肩パッド、野球用ミットなどの道具に適用することができる。また、衝撃波減衰材料１１０は、ゴルフ用クラブおよび野球用バットなどの道具に適用し、それらの使用による衝撃の影響を減少させることもできる。
【００２７】
いくつかの態様では、勾配ナノ粒子複合材料は、例えば、爆発によって生成されるか道具の操作中に生じる衝撃波の衝撃を吸収することができる。いくつかの態様では、勾配ナノ粒子複合材料は、爆発から生じる１つ以上の２次的爆風効果を軽減および／または修正することができる。
【００２８】
いくつかの態様では、勾配ナノ粒子複合材料は、爆風ゾーンの環境に存在する１つ以上の刺激と反応および／または相互作用することができる。例えば、いくつかの態様では、材料は、爆発から生じる初期の爆風衝撃および／または過圧波（over pressure wave）の少なくとも一部を吸収することができる。さらに、またはあるいは、勾配ナノ粒子複合材料は、爆風衝撃自体から生じる１つ以上の関連した爆風効果を軽減および／または修正するように設計することができる。このように、いくつかの態様は、系のインテリジェントデザインによってより高い効率および効力で爆風衝撃を低減するだけでなく、１つ以上の２次的爆風効果を軽減および／または修正することもできる複合材料を提供することができる。
【００２９】
いくつかの態様では、勾配ナノ粒子複合材料は、爆弾の爆風のエネルギーを吸収することで爆弾の爆風の反射値を低減し、爆弾の爆風を軽減および／または修正することができる。いくつかの態様では、初期の軽減および／または修正プロセスは爆弾の爆風の衝撃波を吸収することによるものであり得る。いくつかの態様では、軽減および／または修正プロセスは、衝撃波の前に生じる前過圧波（pre-over pressure wave）を吸収することによるものであり得る。衝撃波および／または前過圧波の吸収は、１つ以上のメカニズム、例えば、運動量移動、例えば爆風波（blast wave）の空間対称性の破壊、塑性変形、充填および非充填のコアシェル粒子などの粒子の破断、回復、および粒子間／層間剪断によって生じる可能性がある。
【００３０】
いくつかの態様では、勾配ナノ粒子複合材料は、種々の爆風効果が軽減および／または修正され得るプラットフォーム（platform）を提供することができる。例えば、充填シェル材料（filled-shell material）では、吸収エネルギーは、例えば、マイクロカプセルを破断し、爆風の環境に一連のまたは一揃えの材料または材料系を導入し、それによって爆風効果を軽減および／または修正するように利用することができる。いくつかの態様では、勾配ナノ粒子複合材料は、既存の構造または系の性能属性に悪影響を及ぼすことなく、既存の構造または系に適用することができる比較的軽量の材料を提供することができる。
【００３１】
いくつかの態様は、防弾性、耐衝撃性または高機能性の材料用途を提供する。防弾性の用途の例として、容器およびライナー（例えば、ゴミ箱およびゴミ袋などにおける）、人工衛星、ヘリコプタおよびハイテク機器（コンピュータ／ハードウェアのケーシング、ケーブル保護具）、建築物（建物およびそれらの外観）、橋およびそれらの構造部材、パイプおよびパイプライン（化石燃料、導管、公益事業用）、自動車（ドアパネル、バンパー、ダッシュボード、フロントガラスおよび窓、車台および屋根）、航空宇宙産業（飛行機の内装／外装）などが挙げられる。いくつかの態様では、勾配ナノ粒子複合材料は、陸、海および空挺作戦部隊用の軍装備品、構造物、車両（vehicle）、船舶（vessel）および小型船（craft）に関連して使用することができ、装甲および非装甲の車両、航空機（ヘリコプタおよび無人飛行機を含む）、および航海用船舶、例えば、潜水艦、船、ボートなどを含む。
【００３２】
軍民両用の用途については、勾配ナノ粒子複合材料は、既存の装置への外装コーティング、フィルム、中間層として、および／またはパネルとして適用することができ、あるいは、軍用車両、航空機または航海用船舶の構造要素を形成するために利用することができる。
【００３３】
衝撃波を減衰するための勾配ナノ構造複合体の適用は、巨視的粒状球（macroscopic granular sphere）を適用して防爆壁を作るのと同じ原理に基づく。特に勾配をつけて配列された粒状材料は各粒子接触点で孤立波のミスマッチを引き起こし、それによってその波を減衰させる。効果は、顕著な加熱のない衝撃波の受動的および能動的な物理的プロセス（吸収、歪みおよび操作された方向変更（redirection））の組み合わせである。実際、複合体は衝撃波の相殺的干渉を引き起こし、入射波を減衰させる。複合体は、選択された固体、中空および充填ナノ粒子を含む規則構造体であり、表面（例えば、防護具、例えばヘルメット）にコーティングし、（プラスチック製の封じ込め（plastic containment）を用いて）自立ライナー（self-supported liner）として製造してもよい。さらに、勾配アレイは衝撃減衰を提供するが、充填ナノ粒子内の材料は、使用者が、防護具、例えばヘルメットを着用している間に軽度または重度の外傷性脳損傷を引き起こす衝撃波を受けたという指標を作る働きをする。最終生産物は、処理材料の柔軟性を変えることなく、ナノ粒子材料を慎重に選択することによって透明にすることができる軽量のコーティングである。活性化の後に、その技術が製造に使用される場合、防護具が再度コーティングされてもよく、その手法が利用される場合、ライナーが交換されてもよい。
【００３４】
均質またはテーパー状の粒状鎖を通して伝播する衝撃波の一次元モデルによって衝撃波減衰が実証される。三次元構造は既存のモデリングシステムには複雑すぎるが、一次元計算に見られる主要な特性は三次元の場合において有効である。弾性効果も負荷もなく、球体が単純に１点の接点で接触すると仮定した場合、運動エネルギーの損失は、波が球体を通過するので、鎖における球体半径の変化ｑ、球体の衝突毎のエネルギー損失ＥＬ、および球体数Ｎの関数として計算され；
【数１】
0006038798.tif 000002
【００３５】
ｑおよびＮの値は実験によって定められ；損失項は、２つの粒子が波の影響下で一体となる場合、負荷力の比によって定義され、それらが離れる場合、免荷力（unloading force）の比によって定義される。等式（１）のＫＥＯＵＴ／ＫＥＩＮによって予測される運動エネルギーの減少は球体のサイズに非依存的である。各粒子が入射エネルギーの一部を吸収し、そのエネルギーが粒子に留まるので、運動エネルギーの減少が生じる。なお、Ｎの値が小さいと、一定のサイズ（ｑ＝０）の鎖は運動エネルギーの損失をほとんど示さない。ｑの値が１０％程度で弾性損失がほぼ５％の場合、入力エネルギーの８０％が２０個の球体の鎖に吸収されることがある。実験的証拠により理論予測を確認する。典型的なコーティングでの多数のナノ粒子は、等式（１）によって必要とされる多くの粒子間接点を提供し、また、コーティングを著しく加熱することなく入射衝撃波によって放出された運動エネルギーを消散させる働きもする。
【００３６】
実験的証拠および理論により、概念およびその衝撃減衰の恩恵が粒子径に非依存的であることが示されている。そのことが、テーパー状の鎖状構造を有するナノ構造体を設計する原理を使用することを可能にした。このような構造は元々三次元であり、現在の理論モデルを超越している。しかしながら、熟慮の末、それがナノ粒子の勾配アレイ、すなわち、複数の方向にテーパー状であり、入ってくる衝撃波の減衰を増加させる構造として最もふさわしいことが分かる。構造は、最小半径で始まりほぼ１０％のｑで次第に大きくなる基板上に蒸着されたナノ粒子の単層から組み立てることができ、単層の勾配を逆にすることができ、勾配を順番に繰り返しても、ナノ粒子層の順番を逆にする交互の勾配を構築してもよく、各粒子径の複数層を使用して勾配を構築することも可能である。さらに、化学的修飾ナノ粒子がナノ構造体に官能性を加える機会を与える。ナノ球体は固体であり、ポリマー、金属、セラミックなどの材料の任意の数から作られてもよく、そのため弾性特性および粒子間力が変動する可能性がある。中空のナノ粒子は、空隙（衝撃波によって圧縮の下で粉砕される球体）を挿入する興味深い能力を示し、その空隙は粒子が十分な力によって圧縮される時のみ作用する。ポリマーナノ粒子シェルはナノ粒子内に他の材料を保持するように構築されてもよく、構造に爆風波の通過の指標を含む手段または爆風波により活性化した際に使用者に有益な薬剤を放出する能力を提供する。最終生産物は、処理材料の柔軟性を変えることなく、ナノ粒子材料を慎重に選択することによって透明にすることができる軽量のコーティングである。全体として、ナノ構造勾配アレイのこれらの特性は目的とする用途で爆風波防護を開発するためのメニューを提供する。
【００３７】
ある種類は、構造体全体に炭素同素体（フラーレン、ナノチューブまたはグラフェン）および／または炭素同素体−ポリマー複合体層を組み込む構造体を含んでいる。炭素同素体はナノ構造体の強度を増加させるが、これは、知られている最も強い材料にこれらの材料が入るからである。一態様は、炭素および／または炭素複合体が所々に存在し層またはスタックの境界を定めるような構造体の「スタック」または「層」を利用する。各炭素界面での効果は、入射衝撃波の減衰を引き起こす後進波を形成し、構造体の次の層を通過する前進衝撃波を著しく減少させることである。５０層の勾配ナノ粒子構造体（各々は３０層のナノ粒子層から構成される）と複合体層のスタックによって、１ｍｍの厚さのコーティングが得られ、入射衝撃波が著しく減衰する。この構造体はほぼ１００μｍ、すなわち１０本のヒトの髪の厚さを有する。
【００３８】
１つの実験的態様では、試料はスピンコーティング技術を使用して作られ、ほぼ６ｃｍ２の大きさであった。様々な勾配を有し、固体ポリマー、固体シリカ、中空ポリマーおよび（原型として長鎖炭化水素で）充填されたシリカナノ粒子を利用した試料を利用した。表面を極性にするためにＵＶ光で処理されたポリカーボネート基板を使用し、単分散コーティング、テーパー状勾配（大から小および小から大）および繰り返しの勾配も使用した。ほとんどの試料はナノ粒子の六方最密充填を利用した。コーティングは典型的には３２０ｎｍ／２６０ｎｍ／２２０ｎｍ／１６０ｎｍ／１３０ｎｍのテーパー状勾配を有する。研究所で組み立てられた衝撃試験機を使用して、落下物の衝撃によって引き起こされる衝撃波に対するナノ構造体の影響を調査した。衝撃波の最大の振幅を小さくし、事象の開始に対して遅延させる。低減された力もまたより大きな時間的領域に拡散し、正味の影響を最小限に抑える。本発明者らの結果の一部のリストを、ナノ球体の勾配の簡潔な説明と共に以下の表に示す。
【００３９】
以下の表は、２枚の処理されたポリカーボネート板の間のポリスチレンまたはシリカナノ球体についての実験に基づく衝撃の結果を示す。ナノ粒子は、中空である４００ｎｍのサイズ以外は固体球であった。
【表１】
0006038798.tif 000003
【００４０】
上記の態様は、出願時に本発明者に知られた好ましい態様および最良の形態を含むが、単に例示的なものである。本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本明細書に開示した具体的な態様から多くの修正が可能であることが容易に理解されるであろう。本発明の実施態様は、以下のとおりである。
１．  （ａ）基板層；および
（ｂ）前記基板層上に配置された複数の衝撃減衰層を含み、
各衝撃減衰層が、（ｉ）最小径から最大径まで勾配をつけて配列された様々な直径の複数のナノ粒子を含む勾配ナノ粒子層と；（ｉｉ）勾配ナノ粒子層に隣接して配置され、母材に懸濁した複数の炭素同素体部材を含む黒鉛層とを含む、衝撃波減衰材料。
２．  前記勾配ナノ粒子層が、少なくとも２つの異なる直径のナノ粒子を含む、１に記載の衝撃波減衰材料。
３．  前記複数の衝撃減衰層では、少なくとも１０層の勾配ナノ粒子層と少なくとも１０層の黒鉛層が交互になっている、１に記載の衝撃波減衰材料。
４．  前記炭素同素体部材が、グラフェンシート、カーボンナノチューブ、フラーレン、官能化グラフェンシート、官能化カーボンナノチューブ、官能化フラーレンおよびそれらの組み合わせからなる炭素同素体のリストから選択される、１に記載の衝撃波減衰材料。
５．  前記黒鉛層の各層が、衝突する衝撃波の少なくとも一部を反射するのに十分な厚さである、１に記載の衝撃波減衰材料。
６．  ヘルメットに配置された、１に記載の衝撃波減衰材料。
７．  防護ユニットの一部に配置された、１に記載の衝撃波減衰材料。
８．  （ａ）使用者によって着用されるように構成されたヘルメット部材；および
（ｂ）前記ヘルメット部材に適用された複数の衝撃減衰層を含み、
各衝撃減衰層が、（ｉ）最小径から最大径まで勾配をつけて配列された様々な直径の複数のナノ粒子を含む勾配ナノ粒子層と；（ｉｉ）勾配ナノ粒子層に隣接して配置され、母材に懸濁した複数の炭素同素体部材を含む黒鉛層とを含む、ヘルメット。
９．  前記ヘルメット部材がパラアラミド合成繊維を含む、８に記載のヘルメット。
１０．  前記勾配ナノ粒子層が少なくとも２つの異なる直径のナノ粒子を含む、８に記載のヘルメット。
１１．  前記複数の衝撃減衰層では、少なくとも１０層の勾配ナノ粒子層と少なくとも１０層の黒鉛層が交互になっている、８に記載のヘルメット。
１２．  前記炭素同素体部材が、グラフェンシート、カーボンナノチューブ、フラーレン、官能化グラフェンシート、官能化カーボンナノチューブ、官能化フラーレンおよびそれらの組み合わせからなる炭素同素体のリストから選択される、８に記載のヘルメット。
１３．  前記黒鉛層の各層が、衝突する衝撃波の少なくとも一部を反射するのに十分な厚さである、８に記載のヘルメット。
１４．  （ａ）構造要素；
（ｂ）装甲板；および
（ｃ）前記構造要素と前記装甲板の少なくとも１つと所定の関係で配置された複数の衝撃減衰層を含み、
各衝撃減衰層が、（ｉ）最小径から最大径まで勾配をつけて配列された様々な直径の複数のナノ粒子を含む勾配ナノ粒子層と；（ｉｉ）勾配ナノ粒子層に隣接して配置され、母材に懸濁した複数の炭素同素体部材を含む黒鉛層とを含む、防護ユニット。
１５．  前記勾配ナノ粒子層が、少なくとも２つの異なる直径のナノ粒子を含む、１４に記載の防護ユニット。
１６．  前記複数の衝撃減衰層では、少なくとも１０層の勾配ナノ粒子層と少なくとも１０層の黒鉛層が交互になっている、１４に記載の防護ユニット。
１７．  前記炭素同素体部材が、グラフェンシート、カーボンナノチューブ、フラーレン、官能化グラフェンシート、官能化カーボンナノチューブ、官能化フラーレンおよびそれらの組み合わせからなる炭素同素体のリストから選択される、１４に記載の防護ユニット。
１８．  前記黒鉛層の各層が、衝突する衝撃波の少なくとも一部を反射するのに十分な厚さである、１４に記載の防護ユニット。
１９．  前記構造要素が、車両の天井、床または壁の少なくとも１つを含む、１４に記載の防護ユニット。
２０．  前記構造要素が防護服集合体を含む、１４に記載の防護ユニット。
２１．  （ａ）セラミック板；
（ｂ）前記セラミック板に隣接して配置された高質量部材；および
（ｃ）前記高質量部材に配置されたナノ粒子衝撃波減衰材料層を含む、個人用防護服ユニット。
２２．  前記高質量部材が、超高分子量ポリエチレン、パラアラミド合成繊維複合体、炭素繊維複合体、金属、セラミックおよびそれらの組み合わせからなる材料のリストから選択される材料を含む、２１に記載の個人用防護服ユニット。
２３．  前記ナノ粒子衝撃波減衰材料層が複数の衝撃減衰層を含み、
各衝撃減衰層が、（ａ）最小径から最大径まで勾配をつけて配列された様々な直径の複数のナノ粒子を含む勾配ナノ粒子層と；（ｂ）勾配ナノ粒子層に隣接して配置され、母材に懸濁した複数の炭素同素体部材を含む黒鉛層とを含む、２１に記載の個人用防護服ユニット。
２４．  前記勾配ナノ粒子層が、少なくとも２つの異なる直径のナノ粒子を含む、２３に記載の個人用防護服ユニット。
２５．  前記複数の衝撃減衰層では、少なくとも１０層の勾配ナノ粒子層と少なくとも１０層の黒鉛層が交互になっている、２３に記載の個人用防護服ユニット。
２６．  前記炭素同素体部材が、グラフェンシート、カーボンナノチューブ、フラーレン、官能化グラフェンシート、官能化カーボンナノチューブ、官能化フラーレンおよびそれらの組み合わせからなる炭素同素体のリストから選択される、２３に記載の個人用防護服ユニット。
２７．  前記黒鉛層の各層が、衝突する衝撃波の少なくとも一部を反射するのに十分な厚さである、２３に記載の個人用防護服ユニット。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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