(57)【要約】【課題】  弾丸や爆薬、刃物等の衝撃物に対して防護機能を有した上で、さらに被衝撃点における阻止性能の均一化を図るとともに軽量化を可能とした防護体とその製造方法を提供する。【解決手段】  異なる部材からなる多層構造で形成された防護体１０において、裏面材として平板状の繊維強化複合材からなる基材層１１を配し、該基材層１１上に表面材としてセラミックス層１５が形成された防護体１０であって、前記セラミックス層１５は、複数の主セラミックス球１２が相互に隣接して平面配列された第１のセラミックス層と、該第１のセラミックス層の片面側に、前記主セラミックス球１２の間隙を補填するごとく該主セラミックス球より小径の補助セラミックス１３が複数配置された第２のセラミックス層と、がセラミックス層内に充填された弾性を有する固化材１４により前記基材層１１に固着された構造である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる部材からなる多層構造で形成された防護体において、
裏面材として平板状の繊維強化複合材からなる基材層を配し、該基材層上に表面材としてセラミックス層が形成された防護体であって、
前記セラミックス層は、複数の主セラミックス球が相互に隣接して平面配列された第１のセラミックス層と、該第１のセラミックス層の少なくとも片面側に、前記主セラミックス球の間隙を補填するごとく配置された複数の補助セラミックス球からなる一又は複数の第２のセラミックス層と、がセラミックス層内に充填された弾性を有する固化材により前記基材層に固着された構造であることを特徴とする防護体。
【請求項２】
異なる部材からなる多層構造で形成された防護体において、
裏面材として平板状の繊維強化複合材からなる基材層を配し、該基材層上に表面材としてセラミックス層が形成された防護体であって、
前記セラミックス層は、複数の主セラミックス球が相互に隣接して平面配列された第１のセラミックス層と、該第１のセラミックス層の片面側に、前記主セラミックス球の間隙を補填するごとく該主セラミックス球より小径の補助セラミックス球が複数配置された第２のセラミックス層と、がセラミックス層内に充填された弾性を有する固化材により前記基材層に固着された構造であることを特徴とする防護体。
【請求項３】
前記防護体のうち少なくともセラミックス層表面が、強化繊維で形成された織状体或いは網状体で被覆されていることを特徴とする請求項１若しくは２記載の防護体。
【請求項４】
前記主セラミックス球が窒化ケイ素を主成分とし、前記補助セラミックス球がアルミナを主成分とすることを特徴とする請求項１若しくは２記載の防護体。
【請求項５】
前記基材層側の表出面に、靭性を有する金属部材若しくは合金部材からなる内側層を配したことを特徴とする請求項１若しくは２記載の防護体。
【請求項６】
異なる部材からなる多層構造で形成された防護体を製造する方法において、
裏面材として平板状の繊維強化複合材からなる基材層を配し、該基材層に併せて設置した成形治具に倣わせて前記基材層上に複数の主セラミックス球を配列し、隣接する該主セラミックス球の間隙を補填するごとく補助セラミックス球を配置し、前記成形治具内に流動化した固化材を注入して充填した後、該固化材の硬化前にこれらに振動を加えて固化材内部の気泡を除去し、該固化材の硬化後に前記成形治具から防護体を脱型させることを特徴とする防護体の製造方法。
【請求項７】
前記成形治具から脱型した防護体の少なくとも前記セラミックス球側の表面を、強化繊維で形成された織状体或いは網状体で被覆することを特徴とする請求項６記載の防護体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、防弾、防爆及び防刃を主とする耐衝撃性能を有する防護体及びその製造方法に関し、特に、防衛機能が高く且つ軽量化可能な防護体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
防護体は、例えば防護車両、戦闘車両等の各種車両、巡視艇等の各種船艦、原子炉、建築物等に利用されており、従来より多様な種類のものが存在している。防護体に要求される性能としては、防弾、防爆及び防刃を主とする耐衝撃性能が最も重要であるが、他にも小型軽量化や低コスト化が要望されている。
これらの要求性能を満たす防護体として、セラミックスや鋼板、樹脂、或いはこれらの複合材を複数積層させた構造が一般に広く用いられている。弾丸や破片等の衝撃物を確実に阻止するためには強度、延性、靭性等が必要であるが、単体で用いる場合にはこれらを兼ね備えることができないため、複数の材料を積層することにより複合的な性能を向上させることが可能となる。
【０００３】
異なる複数の材料を積層した構造について、特許文献１（特開平５−１０６９９９号公報）に多層防弾構造体が開示されている。この多層防弾構造体は、セラミックスタイルからなる第１層と、ポリアルケンフィラメントからなる第２層と、さらに第１層と第２層の間に中間層を設けている。
上記した構成は特に防弾性能に優れており、第１層の高硬度を有するセラミックスタイルにより弾丸等の運動エネルギーを分散させ、第２層の高延性を有するポリアルケンフィラメントの変形により運動エネルギーを吸収して弾丸等を受け止め、完全な防衛機能を確保するようになっている。
しかし、セラミックス板と、軽金属板或いはＦＲＰなどとの積層防護板は、１回の被弾にて衝撃波により広範囲のセラミックスが損傷し、初弾近傍における次弾に対処することが難しいという問題を有している。
【０００４】
そこで、特許文献２（米国特許第３５２３０５７号公報）、特許文献３（米国特許第５１３４７２５号公報）、及び特許文献４（特表２００２−５２７７０５号公報）等では、セラミックスをペレット化して損傷領域を局所化し、連続使用する場合にも防衛機能が確保されるような防護体が提案されている。
特許文献２には、弾性を有するプラスチック基盤上に複数の球状の剛性部材が固着され、さらにその剛性部材上に小径の剛性部材が配置された構成を有する装甲板プレートが開示されている。
また、特許文献３には、凹部を有する基盤と、この凹部内に配設されたガラス若しくはセラミックス材の防護部材とからなり、隣接する防護部材の間隙が他の防護部材で埋められ、これらの防護部材が熱可塑性若しくは熱硬化性物質により接着された構成を有する剛性防護体について開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献４には高速の弾丸から運動エネルギーを吸収して散逸させる複合装甲プレートが開示されている。図７に複合装甲プレートの断面図を示す。図示されるように、この装甲プレート５０は、弾性材からなる内側パネル５１と、セラミックス製ペレット５２を含有する外側パネル５３とから構成されている。外側パネル５３はペレット５２が複数の隣接列に接合されるように固化材によりプレートに直接接合される。ペレットはAl2O3を少なくとも93％包含し比重が少なくとも2.5であって、このペレットが単一の内側層を形成している。
これにより、ペレット５２により損害領域を局所化するとともに、ペレット５２が単一層であるため、軽量化、薄型化が可能となる。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１０６９９９号公報
【特許文献２】米国特許第３５２３０５７号公報
【特許文献３】米国特許第５１３４７２５号公報
【特許文献４】特表２００２−５２７７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記したように、セラミックス板の替わりにセラミックスをペレット化して層状に配置した場合、損傷領域を局所化することができ、防護体の連続使用にもある程度耐え得る耐久性を有するようになるが、特許文献２及び特許文献３のようにペレットを樹脂等にて固着するのみでは外周近傍に衝撃物を受けた場合にはペレットを十分に保持できず、衝撃物の阻止力が低下する。
一方、特許文献３のように、一列層状のペレットの配列は軽量化及びコンパクト化を可能とするが、ペレット間に衝撃物を受けると阻止力が低下するという問題点がある。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、弾丸や爆薬、刃物等の衝撃物に対して防護機能を有した上で、さらに被衝撃点における阻止性能の均一化を図るとともに軽量化を可能とした防護体とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、
異なる部材からなる多層構造で形成された防護体において、
裏面材として平板状の繊維強化複合材からなる基材層を配し、該基材層上に表面材としてセラミックス層が形成された防護体であって、
前記セラミックス層は、複数の主セラミックス球が相互に隣接して平面配列された第１のセラミックス層と、該第１のセラミックス層の少なくとも片面側に、前記主セラミックス球の間隙を補填するごとく配置された複数の補助セラミックス球からなる一又は複数の第２のセラミックス層と、がセラミックス層内に充填された弾性を有する固化材により前記基材層に固着された構造であることを特徴とする。
【０００９】
これによれば、セラミックス層を球状のセラミックスの集合体としているため、被衝撃時にセラミックス層の広範囲に亘って衝撃が伝達することなく損傷領域が局所化し、近接被弾等にも対処可能となる。また、本発明の防護体は、繊維強化複合材を利用した基材層と、セラミックス層との多層構造としているため防護体の軽量化が可能であり、延いては、同質量の防護鋼板よりも防御効果が高くなる。
また、本発明によれば、主セラミックス球の間隙に位置する部位に補助セラミックス球を配置しているため、被衝撃点における阻止性能の均一化を図ることが可能となる。
さらに、前記固化材を前記セラミックス球の隙間に充填してこれらを固着しているため、被衝撃時に該セラミックス球が散乱することなく保持力が増大するとともに、該固化材が弾性を有するため、前記セラミックス層は剛体と弾性体とが複合した構成となり、衝撃物の阻止力が向上する。
【００１０】
また、異なる部材からなる多層構造で形成された防護体において、
裏面材として平板状の繊維強化複合材からなる基材層を配し、該基材層上に表面材としてセラミックス層が形成された防護体であって、
前記セラミックス層は、複数の主セラミックス球が相互に隣接して平面配列された第１のセラミックス層と、該第１のセラミックス層の片面側に、前記主セラミックス球の間隙を補填するごとく該主セラミックス球より小径の補助セラミックス球が複数配置された第２のセラミックス層と、がセラミックス層内に充填された弾性を有する固化材により前記基材層に固着された構造であることを特徴とする。
【００１１】
このように、前記補助セラミックス球を前記主セラミックス球より小径とすることにより、防護体の肉厚を小さくすることができる。これは、主セラミックス球の主な機能は衝撃物の運動エネルギーを分散させることであり、補助セラミックス球の主な機能は主セラミックス球の間隙を補填し、補助的に運動エネルギーを分散させることであるため、該補助セラミックス球は小径とすることができるのである。
【００１２】
また、前記防護体のうち少なくともセラミックス層表面が、強化繊維で形成された織状体或いは網状体で被覆されていることが好適である。
これにより、防護体の被衝撃時に、前記セラミックス球及びセラミックス球破片の散乱を防止することができる。また、防護体の外周部近傍に衝撃を受けた場合におけるセラミックス球の保持力が増大し、被衝撃点における阻止性能の均一化を図ることが可能となる。尚、前記防護体は、織状体或いは網状体により防護体全表面を被覆する構成としても良い。
【００１３】
さらに、前記主セラミックス球が窒化ケイ素を主成分とし、前記補助セラミックス球がアルミナを主成分とすることを特徴とする。これは、主体的に衝撃物の運動エネルギーを分散させる主セラミックス球には、耐衝撃抵抗性に優れた窒化ケイ素を用い、前記補助セラミックス球には安価なアルミナを用いることにより、防護性能を向上させるとともに、低コストとすることが可能となる。
さらにまた、前記基材層側の表出面に、靭性を有する金属部材若しくは合金部材からなる内側層を配したことを特徴とする。
このように内側層を設けることにより、セラミックス層及び基材層のみでは衝撃物の運動エネルギーに耐えられない場合に、この内側層がそれらを受け止め、確実に衝撃物を阻止することができる。
【００１４】
また、異なる部材からなる多層構造で形成された防護体を製造する方法において、
裏面材として平板状の繊維強化複合材からなる基材層を配し、該基材層に併せて設置した成形治具に倣わせて前記基材層上に複数の主セラミックス球を配列し、隣接する該主セラミックス球の間隙を補填するごとく補助セラミックス球を配置し、前記成形治具内に流動化した固化材を注入して充填した後、該固化材の硬化前にこれらに振動を加えて固化材内部の気泡を除去し、該固化材の硬化後に前記成形治具から防護体を脱型させることを特徴とし、好適には前記成形治具から脱型した防護体の少なくとも前記セラミックス球側の表面を、強化繊維で形成された織状体或いは網状体で被覆すると良い。
このように、平面状に基材層、セラミックス層を積層して製造していくことにより、容易にセラミックス球を配列でき、簡単に防護体を製造することができる。また、固化材を注入した後に振動を与えて脱気することにより、セラミックス球の保持力が高い防護体を製造することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上記載のごとく本発明によれば、セラミックス球により破損された衝撃物の分散した運動エネルギーをＦＲＰ塑性変形能力で吸収するため、軽量化が可能となるとともに、被害領域が局所化し、近接被弾等にも対処可能となる。また、セラミックス球を配列することにより、セラミックス間に生じる間隙が最小となり、被衝撃点における阻止性能の均一化を図ることが可能となる。さらに、外周部近傍に衝撃物を受けた場合におけるセラミックス球の保持力が増大し、被衝撃点における阻止性能の均一化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
本実施例に記載する防護板は、例えば防護車両、戦闘車両等の各種車両や巡視艇等の各種船艦の装甲板として、或いは原子炉、建築物等の扉や壁部などに設置することができ、弾丸や爆薬、刃物等の衝撃物に対して防護機能を有し、特に、高速徹甲弾等のように限定された領域に強力な衝撃を与える弾丸等を阻止する機能を有する。また本実施例ではこれらの防護機能を有した上で、さらに被衝撃点における阻止性能の均一化を図るとともに軽量化を可能とした防護体を提供する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の実施例１に係る防護板の斜視図、図２は図１に示した実施例１に係る防護板の断面図、図３は図１に示した実施例１に係る防護板のセラミックス球の配置図である。本実施例では、一例として弾丸対処用の防護板について説明する。
図１及び図２に示されるように、本実施例に係る防護板１０は、裏面材として平板状の繊維強化複合材からなる基材層１１と、表面材として前記基材層１１上に平面配列した複数のセラミックス球１２、１３からなるセラミックス層１５と、該セラミックス層１５の表面を被覆する保持シールド１６と、を有する多層構造となっている。この防護板１０は、設置箇所に応じた形状、大きさのパーツ部材を形成し、このパーツ部材を車体、船体等に所定枚数だけ貼設して防護構造体を構成する。
【００１８】
前記基材層１１は、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）等の繊維強化複合材からなる。該複合材中に含有される強化繊維には高強度、高弾性率の防弾繊維を用いることができ、中でもアラミド繊維（例：ケブラー（登録商標）等）、高強度ポリエチレン繊維（例：スペクトラ、ダイニーマ（何れも登録商標）等）、ガラス繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維などが好適である。また、繊維強化複合材のマトリックスには高強度、高靭性、高延性を有する高分子材料が好適に用いられ、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ＡＢＳ樹脂その他のプラスチック材などが挙げられる。また、前記基材層１１は、ＦＲＰと金属又は合金等の強度部材を積層した構造としても良い。
【００１９】
前記セラミックス層１５は、複数の主セラミックス球１２が相互に隣接して前記基材層１１上に平面配列された第１のセラミックス層と、該第１のセラミックス層の少なくとも片面側に、前記主セラミックス球１２の間隙を補填するごとく配置された複数の補助セラミックス球１３からなる一又は複数の第２のセラミックス層と、がセラミック層内に充填された固化材１４により前記基材層１１に固着された構造となっている。ここで、前記第２のセラミックス層は、前記第１のセラミックス層の両面に、若しくは片面に複数層形成しても良いことは勿論である。
セラミックスは一般には陶磁器全体のことを言うが、ここでは工業的用途に用いられる工業用セラミックスとし、高い剛性及び硬さを有するものである。さらに、本実施例に用いるセラミックス球には、硬度、圧縮強度、曲げ強さの高い物質を用いることが好ましく、好適には、酸化アルミニウム（アルミナ；Al2O3）、窒化ケイ素（Si3N4）、炭化ケイ素（SiC）、ジルコニア（ZrO2）の何れか、若しくはこれらの複合体を主成分とした材料などが挙げられる。
前記固化材１４は、ウレタンゴム等の高弾性率を有する物質を用い、前記セラミックス球１２、１３の隙間に充填されてこれらを保持する。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）に前記主セラミックス球１２と前記補助セラミックス球１３の配置図の一例を示す。
図３（ａ）は、主セラミックス球１２が縦方向及び横方向ともに整列するように配置し、４個の隣接する主セラミックス球の中心の凹み部、即ち主セラミックス球間の隙間に前記補助セラミックス球１３を配置している。このとき、好ましくは前記補助セラミックス球１３を前記主セラミックス球１２より小径とすると良い。
また、別の実施例に係る配置図として、図３（ｂ）に示すように、３個の隣接する主セラミックス球１２が正三角形となるように配列するとともに、正三角形の中心の凹み部、即ち主セラミックス球間の隙間に前記補助セラミックス球１３を配置しても良い。このとき、好ましくは前記補助セラミックス球１３を前記主セラミックス球１２より小径とすると良い。前記補助セラミックス球１３の最も好適な大きさは、前記三角形の中心の凹み部に配置された補助セラミックス球１３が、隣接する補助セラミックス球１３と接するような径で、例えば、主セラミックス球１２の径をＲ、補助セラミックス球１３の径をｒとすると、Ｒ＝√３・ｒとなるように設定すると良い。
また、これらの実施例において、主セラミックス球１２と補助セラミックス球１３の材質を異ならせても良く、例えば、前記主セラミックス球１２の主成分を窒化ケイ素とし、前記補助セラミックス球１３の主成分をアルミナとすることが好適である。
【００２１】
前記保持シールド１６は、上記したような強化繊維にて形成された平織り織物等の織状体を少なくとも前記セラミックス層１５の表出面に被覆して強固に接着した構成となっている。尚、強化繊維を網状にした網状体を用いても良い。
この保持シールド１６は、防護板１０の被弾時に前記セラミックス球１２、１３及びセラミックス球破片の散乱を防止する。また、防護板１０の外周部近傍に被弾した場合におけるセラミックス球１２、１３の保持力が増大し、被弾点における阻止性能の均一化を図ることが可能となる。尚、前記保持シールド１６は、前記防護板１０の全体を被覆する構成としても良いことは勿論である。
【００２２】
本実施例の防護板１０において、弾丸を被弾した時の防護板１０に生じる現象について、図６を参照して説明する。弾丸２５の運動エネルギーが大きいと、弾丸２５は保持シールド１６を突き破ってセラミックス層１５、基材層１１、内側層（不図示）の順に侵徹し、同時に破壊現象が発生する。図６に示されるように、着弾した弾丸は、まずセラミックス層１５にて高硬度のセラミックス球１２、１３により弾身を破砕して弾丸２５の運動エネルギーを分散させ、侵徹に対して抵抗するとともに、基材層１１の変形により運動エネルギーを吸収して弾丸２５を受け止める。
このように本実施例によれば、セラミックス層１５を球状のセラミックスの集合体としているため、セラミックス層１５の広範囲に衝撃が伝達されることなく被害領域が局所化し、近接被弾にも対処可能となる。
また、繊維強化複合材を利用した基材層１１と、セラミックス層１５との多層構造としているため防護板１０の軽量化が可能であり、延いては、同質量の防護鋼板よりも防御効果が高くなる。
【００２３】
また、本実施例の主たる効果として、主セラミックス球１２の間隙に位置する部位に補助セラミックス１３を配置しているため、被弾点における阻止性能の均一化を図ることが可能となる。また、前記補助セラミックス球１３を前記主セラミックス球１２より小径とすることにより、防護板１０の肉厚を小さくすることができる。これは、主セラミックス球１２の主な機能は衝撃物の運動エネルギーを分散させることにあり、補助セラミックス球１３の主な機能は主セラミックス球１２の間隙を補填し、補助的に運動エネルギーを分散させることにあるため、該補助セラミックス球１３を小径とすることができるのである。
さらに、主体的に衝撃物の運動エネルギーを分散させる主セラミックス球１２には、耐衝撃抵抗性に優れた窒化ケイ素を用い、前記補助セラミックス球１３には安価なアルミナを用いることにより、防護性能を向上させるとともに、低コストとすることが可能となる。
また、前記固化材１４を前記セラミックス球１２、１３の隙間に充填してこれらを固着することにより、被弾時に該セラミックス球１２、１３が散乱することなく保持力が増大する。
【００２４】
さらにまた、前記基材層１１の表出面、即ち最も内側に位置する面に高靭性を有する金属部材若しくは合金部材からなる内側層（不図示）を貼設することが好ましい。この内側層の材質には、例えばアルミ合金、ステンレス、ジュラルミンその他の高強度鋼が適している。このように、内側層を設けることにより、被弾時にセラミックス層１５及び基材層１１のみでは弾丸の運動エネルギーに耐えられない場合に、この内側層がそれらを受け止め、確実に弾丸を阻止することができる。
【００２５】
次に、図４及び図５を参照して本実施例に係る防護板の製造方法につき説明する。
図４は本実施例１に係る防護板の製造方法を示すフロー図で、図５は防護板の製造方法の一工程を示す斜視図である。
まず振動台２０上に製造する防護板の大きさ、形状に対応する成形治具２１を設置する（Ｓ１）。該成形治具２１は、図５に示されるように、例えば長方形の枠型となっており、防護板の厚み以上の高さを有するものとする。
さらに、前記成形治具２１内に基材層１１を敷設し（Ｓ２）、この基材層１１上に主セラミックス球１２及び補助セラミックス球１３を配列して、第１のセラミックス層及び第２のセラミックス層を形成する（Ｓ３）。
【００２６】
そして、前記成形治具２１内に固化材１４を注入し（図５参照）、前記セラミックス球１２、１３の隙間に充填されるようにする（Ｓ４）。該セラミックス球１２、１３が埋入する程度に固化材１４を注入したら、該固化材１４が硬化する前に前記振動台２０を作動させ、成形治具２１ごと防護板１０を振動させ、固化材１４中に含有される気泡を除去する（Ｓ５）。
前記固化材１４が硬化したら、防護板１０を成形治具２１から脱型し（Ｓ６）、保持シールド１６を防護板１０に被覆、接着する（Ｓ７）。
このように、本実施例では平面状に基材層１１、セラミックス層１５を積層して製造していくため、容易にセラミックス球１２、１３を配列でき、簡単に防護板１０を製造することができる。また、固化材１４を注入した後に振動を与えて脱気することにより、セラミックス球の保持力が高い防護板１０を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１に係る防護板の斜視図である。
【図２】図１に示した実施例１に係る防護板の断面図である。
【図３】図１に示した実施例１に係る防護板のセラミックス球の配置図である。
【図４】本実施例１に係る防護板の製造方法を示すフロー図である。
【図５】防護板の製造方法の一工程を示す斜視図である。
【図６】本実施例１に係る防護板の防護作用を示す説明図である。
【図７】従来の装甲プレートの断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０    防護板
１１    基材層
１２    主セラミックス球
１３    補助セラミックス球
１４    固化材
１５    セラミックス層
１６    保持シールド
２０    振動台
２１    成形治具
【図１】
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【図２】
2006064349.tif 000004
【図３】
2006064349.tif 000005
【図４】
2006064349.tif 000006
【図５】
2006064349.tif 000007
【図６】
2006064349.tif 000008
【図７】
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