(57)【要約】窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を、ポリマー、セラミック、又は金属のマトリクス中に導入する。ＢＮＮＴの繊維、ヤーン、及び織物又は不織マットを、貫入抵抗材料においてエネルギー吸収を最大にする強化層、及び／又は貫通物を跳ね返すか又は変形させる高硬度の層として用いる。窒化ホウ素ナノ材料を加えることによって、硬度及び靱性の両方が増加するので、向上した耐摩耗性及び延長した使用時間が達成される。ＢＮＮＴの酸化温度は空気中において８００℃を超えるので、かかる材料はまた高温環境において用いることもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐衝撃性材料の製造方法であって、
ホウ素含有ナノ材料をマトリクス中に制御して分散させることによって、ホウ素含有ナノ材料及びマトリクスからホウ素含有ナノ材料／ポリマー材料を合成すること；そして
合成した材料を衝撃から保護する対象物に施すこと；
を含む、前記方法。
【請求項２】
ホウ素含有ナノ材料が、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）、窒化ホウ素ナノ粒子（ＢＮＰ）、ホウ素炭素窒化物ナノチューブ（ＢｘＣｙＮｚナノチューブ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイト、酸化グラフェン、金属被覆ナノ包有物、金属粒子、及びこれらの複合体からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
立方晶窒化ホウ素ナノ粒子（ｃ−ＢＮＮＰ）、炭化ホウ素、炭化ケイ素、チタン合金、及びジルコニアからなる群から選択される材料を加えることによって、マトリクスに更なる硬度を与える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ホウ素含有ナノ材料の形状が、ナノチューブ、ナノシート、ナノリボン、ナノ粒子、ナノロッド、ナノ薄片、ナノケージ、ナノスプリング、及びナノマルチポッドからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ホウ素含有ナノ材料が、マトリクス中に均一に分散される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ホウ素含有ナノ材料が、同時剪断及び超音波処理下でのｉｎ−ｓｉｔｕ重合によって合成される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
マトリクスが、水素含有ポリマー、水素含有モノマー、及びこれらの組合せからなる群から選択される物質から合成される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
マトリクスが、ホウ素含有ポリマー、ホウ素含有モノマー、及びこれらの組合せからなる群から選択される物質から合成される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
マトリクスが、窒素含有ポリマー、窒素含有モノマー、及びこれらの組合せからなる群から選択される物質から合成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
マトリクス中の窒化ホウ素の濃度が０重量％〜５重量％の間である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
マトリクス中の窒化ホウ素の濃度が５重量％である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
ホウ素含有ナノ材料が、ホウ素、窒素、炭素、及び水素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
合成された材料が繊維の形態である、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
合成された繊維が布帛中に導入される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
合成された繊維がマット中に導入される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
ポリマー、セラミック、及び金属からなる群から選択される材料が、繊維中に注入される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
マトリクスがポリマーマトリクスである、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
マトリクスがセラミックマトリクスである、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
耐衝撃性材料の製造方法であって、
ホウ素含有ナノ材料をマトリクス中に制御して分散させることによって、ＢＮＮＴ及びマトリクスからホウ素含有ナノ材料／ポリマー材料の第１の層を合成すること；
ホウ素含有ナノ材料をマトリクス中に制御して分散させることによって、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）及びマトリクスからホウ素含有ナノ材料／ポリマー材料の第２の層を合成すること；
合成された第１及び第２の層から、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリイミド、ポリエチレン、芳香族ポリアミド、エポキシ、フェノールホルムアルデヒド、及びポリエステル樹脂からなる群から選択される材料が注入された多層複合体フィルムを形成すること；そして
合成したフィルムを衝撃から保護する対象物に施すこと；
を含む、前記方法。
【請求項２０】
耐摩耗性材料の製造方法であって、
ホウ素含有ナノ材料をマトリクス中に制御して分散させることによって、ホウ素含有ナノ材料及びマトリクスからホウ素含有ナノ材料／ポリマー材料を合成すること；そして
合成した材料を向上した耐摩耗性のために対象物に施すこと；
を含む、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[01]本出願は、「窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）及びＢＮＮＴポリマー複合体を用いて製造される高運動エネルギー貫通物遮蔽性及び高耐摩耗性材料」に関する２０１０年７月２６日出願の米国仮出願６１／４００，３２０の利益を主張する。
【０００２】
[02]米国政府は、本発明における支払い済みのライセンス、並びに、米国航空宇宙局によって与えられた契約ＮＣＣ−１−０２０４３の条件によって与えられている妥当な条件で特許の所有者に対して他者にライセンスを与えることを限定された状況において求める権利を有する。
【０００３】
[03]本発明は耐衝撃性及び耐摩耗性材料に関し、より詳しくは窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）を用いて製造される耐衝撃性及び耐摩耗性材料に関する。
【背景技術】
【０００４】
[04]流星塵は、宇宙を進みながら非常に高い運動エネルギーを生成し、宇宙船及び宇宙飛行士に大きな危険をもたらす。流星塵の速度は、月の表面に衝突する前に２０ｋｍ／秒に到達する可能性がある（Eagle Engineering Incorporated, "Lunar Base Environment Report", Kennedy Space Center, 1989年7月）。したがって、高い運動エネルギーの貫通物に対して宇宙船及び建造物を有効に遮蔽し、貫通抵抗性の宇宙服を提供するためには、新しい材料を用いる改良された保護システムが必要である。更に、現代の戦場における作戦を成功させるために、増加した動きやすさを与えながら、銃弾及び爆弾片のような高い運動エネルギーの貫通物に対して保護するための新しい軽量の着心地のよい防護服が求められている。
【０００５】
[05]高速の貫通衝撃に対して保護するために幾つかの材料が考えられている。この保護のためには、非金属及び金属材料の両方がしばしば用いられている。非金属保護材料としては、アラミド（Kevlar）、超高分子量ポリエチレン（Spectra）、Mylar、ガラス繊維、ナイロン、Nomex、又はセラミック複合プレート（W.J. Perciballi、米国特許６，４０８，７３３号明細書）が挙げられる。カーボンナノチューブ及びそれらの複合体も示唆されている［K. Mylvaganam及びL.C. Zhang, "Ballistic resistance capacity of carbon nanotubes", Nanotechnology, 47, 475701 (2007)］。金属保護材料としては、チタン及び鋼が挙げられる。これらの材料の幾つかは、高い運動エネルギーの貫通物に対して高度に保護性であることが判明している（F.J. Stimler, "System Definition Study of Deployable Non-metallic Space Structures", Goodyear Aerospace Corporation, Report No. GAC 19-1615; NASA Contract NAS8-35498, 1984年6月）。
【０００６】
[06]耐摩耗性が求められる環境において用いるための材料を達成するために、重質無機材料（金属及びセラミック）から製造される材料が用いられている。
【０００７】
[07]Kevlar及びSpectraのような最先端のポリマー保護材料は劣った熱安定性を示す。金属又はセラミック保護材料は非常に重質であり、宇宙用途のためには打ち上げのコストの増加をもたらす。重量の制限のために、これらの材料は、膨張式居住施設及び太陽帆のような新しい宇宙船／建造物の概念において用いることができない。これらの材料で製造される防護服は、着心地易さが少ししかなく、着用者の動きを大きく制限し、その結果としてその用途はしばしば主として胴体部の保護に制限されている。
【０００８】
[08]カーボンナノチューブは４００℃までの高温環境において有用であるが、これらは４００℃より高い温度においては酸化及び燃焼するので、４００℃より高い温度を経験する環境において用いるための代替材料が求められている。図５に示すように、ＢＮＮＴ材料はかかる高温環境において大きな有利性を有する。
【０００９】
[09]幾つかの用途においては、高い耐摩耗性を達成するために重質の無機金属が用いられている。かかる金属は、重量を増加させて装置の効率を減少させる。
【００１０】
[10]近年においては、保護衣、防弾チョッキ、並びに、宇宙服並びに宇宙船及び建造物用の流星塵及び軌道上デブリ保護層のために、抗貫通性材料がますます広く用いられている。
【００１１】
[11]高い運動エネルギーの貫通物に対する材料の保護能力を最大にするためには、次の２つの主要な材料特性：（１）貫通物を跳ね返し及び／又は大きく機械的に変形させるための高い硬度；及び（２）保護材料の機械的変形（及び加熱）中の有効なエネルギー吸収のための高い靱性；を考慮しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許６，４０８，７３３号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Eagle Engineering Incorporated, "Lunar Base Environment Report", Kennedy Space Center, 1989年7月
【非特許文献２】K. Mylvaganam及びL.C. Zhang, "Ballistic resistance capacity of carbon nanotubes", Nanotechnology, 47, 475701 (2007)
【非特許文献３】F.J. Stimler, "System Definition Study of Deployable Non-metallic Space Structures", Goodyear Aerospace Corporation, Report No. GAC 19-1615; NASA Contract NAS8-35498, 1984年6月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
[12]本発明の主要目的は、衝撃下での保護材料の機械的変形及び加熱の過程でのエネルギー吸収を最大にする、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）及びＢＮＮＴ複合体で製造される軽量の高運動エネルギー貫通保護材料を提供することである。
【００１５】
[13]本発明の１つの目的は、貫通物の跳ね返しを最大にするか又は貫通物を大きく機械的に変形させる、窒化ホウ素ベースのナノ粒子（ＢＮＰ）及びＢＮＰ複合体のような高硬度の粒子で製造される軽量の高運動エネルギー貫通物保護材料を提供することである。
【００１６】
[14]本発明の１つの目的は、窒化ホウ素ナノ材料を用いて硬度及び靱性を向上させることによって、高い耐摩耗性を有する材料を提供し、戦場及び宇宙環境のような激しい摩耗性の条件下でのかかる材料の使用時間を延ばすことである。
【００１７】
[15]本発明の１つの目的は、保護材料の機械的変形（及び加熱）によるエネルギー吸収を最大にする、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイト、酸化グラフェン、及びこれらの複合体で製造される軽量の高運動エネルギー貫通物保護材料を提供することである。
【００１８】
[16]本発明の１つの目的は、厳しい摩耗条件における使用時間を延ばす、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）、窒化ホウ素ベースのナノ粒子（ＢＮＰ）、ホウ素炭素窒化物ナノチューブ（ＢｘＣｙＮｚナノチューブ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイト、及びこれらの複合体で製造される軽量の高耐摩耗性材料を提供することである。
【００１９】
[17]本発明の１つの目的は、柔軟な防護服のための軽量で超硬質で強靱なＢＮＮＴ繊維／織物／不織複合体マットを提供することである。
【００２０】
[18]本発明の１つの目的は、増加した熱伝導性によって局所的に集中した熱損傷を最小にする、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）、窒化ホウ素ナノ粒子（ＢＮＰ）、ホウ素炭素窒化物ナノチューブ（ＢｘＣｙＮｚナノチューブ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイト、酸化グラフェン、金属被覆ナノ包有物、金属粒子、及びこれらの複合体で製造される軽量の高運動エネルギー貫通物保護材料を提供することである。
【００２１】
[19]本発明の更なる目的は、宇宙服の層及び配置可能な宇宙船／宇宙船システムのための、軽量で超硬質で強靱なＢＮＮＴ繊維／織物／不織複合体マットを提供することである。
【００２２】
[20]最後に、本発明の１つの目的は、簡単でコスト的に有効な方法で上記の目的を達成することである。
【００２３】
[21]本発明の上記及び更なる目的、詳細、及び有利性は、添付の図面と併せて読めば、以下の詳細な記載から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
[22]本発明は、ホウ素含有ナノ材料をマトリクス中に制御して分散させることによりホウ素含有ナノ材料及びマトリクスからホウ素含有ナノ材料／ポリマー材料を合成することにより、耐衝撃性材料を製造する方法を提供することによってこれらの必要性に対処する。次に、合成された材料を衝撃から保護する対象物に施す。ホウ素含有ナノ材料は、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）、窒化ホウ素ナノ粒子（ＢＮＰ）、ホウ素炭素窒化物ナノチューブ（ＢｘＣｙＮｚナノチューブ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイト、酸化グラフェン、金属被覆ナノ包有物、金属粒子、又はこれらの複合体である。好ましくは、マトリクスには、立方晶窒化ホウ素ナノ粒子（ｃ−ＢＮＮＰ）、炭化ホウ素、炭化ケイ素、チタン合金、又はジルコニアを加えることによって更なる硬度を与える。ホウ素含有ナノ材料の形状は、好ましくはナノチューブ、ナノシート、ナノリボン、ナノ粒子、ナノロッド、ナノ薄片、ナノケージ、ナノスプリング、及びナノマルチポッドである。ホウ素含有ナノ材料は、好ましくはマトリクス中に均一に分散させる。ホウ素含有ナノ材料は、好ましくは同時剪断及び超音波処理下でのｉｎ−ｓｉｔｕ重合によって合成する。マトリクスは、好ましくは、水素含有ポリマー、水素含有モノマー、又はこれらの組合せから合成する。マトリクスを合成するための他の選択肢は、ホウ素含有ポリマー、ホウ素含有モノマー、及びこれらの組合せ；或いは窒素含有ポリマー、窒素含有モノマー、及びこれらの組合せ；である。マトリクス中の窒化ホウ素の濃度は、好ましくは０重量％〜５重量％の間であり、最も好ましくは５重量％である。ホウ素含有ナノ材料は、ホウ素、窒素、炭素、及び水素を含んでいてよい。合成された材料は繊維の形態であってよく、これは布帛中に導入することができる。更に、合成された繊維はマット中に導入することができる。更に、ポリマー、セラミック、及び金属を繊維中に注入することができる。マトリクスはポリマーマトリクス又はセラミックマトリクスであってよい。多層耐衝撃性材料を製造する方法は、ホウ素含有ナノ材料をマトリクス中に制御して分散させることによって、ＢＮＮＴ及びマトリクスからホウ素含有ナノ材料／ポリマー材料の第１の層を合成し；ホウ素含有ナノ材料をマトリクス中に制御して分散させることによって、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）及びマトリクスからホウ素含有ナノ材料／ポリマー材料の第２の層を合成する；ことを含む。合成された第１及び第２の層から多層複合体フィルムを形成し、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリイミド、ポリエチレン、芳香族ポリアミド、エポキシ、フェノールホルムアルデヒド、又はポリエステルの樹脂を注入し；次に合成したフィルムを衝撃から保護する対象物に施す。最後に、本明細書に記載する方法は、耐衝撃性の材料に加えて耐摩耗性の材料を提供する。
【００２５】
[23]本発明の主題及びその有利性のより完全な説明は、添付の図面を参照して以下の詳細な記載を参照することによって達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】[24]図１Ａ〜１Ｄは、本発明にしたがって製造される高運動エネルギー貫通物保護材料：（Ａ）ＢＮＮＴ又は立方晶窒化ホウ素ナノ粒子（ｃ−ＢＮＮＰ）複合体；（Ｂ）ＢＮＮＴ又はｃ−ＢＮＮＰ複合体及びＣＮＴ又はグラファイト複合体多重層；（Ｃ）ＢＮＮＴ繊維或いはＢＮＮＴ織物又は不織マット複合体；（Ｄ）高硬度及び高靱性の多層複合体；の概要図を示す。
【図２】[25]図２Ａ〜２Ｄは、衝撃損傷の画像：（Ａ）対照試料のデジタルカメラによって撮影した写真；（Ｂ）対照試料の光学顕微鏡画像；（Ｃ）本発明によるＢＮＮＴ強化試料のデジタルカメラによって撮影した写真；及び（Ｄ）本発明によるＢＮＮＴ強化試料の光学顕微鏡画像；を示す。
【図３】[26]図３Ａ〜３Ｅは、本発明による抗高運動エネルギー貫通物保護複合体に関する用途：（Ａ）宇宙船；（Ｂ）宇宙居住施設；（Ｃ）ヘルメット；（Ｄ）防護服；及び（Ｅ）戦闘車両；を示す。
【図４】[27]図４Ａ〜４Ｄは、高耐摩耗性材料が求められる用途：（Ａ）ブレーキパッド；（Ｂ）ギヤ；（Ｃ）膝関節置換人工器具；及び（Ｄ）保護パッド；において用いる本発明を示す。
【図５】[28]図５は、ＣＮＴ及びＢＮＮＴの熱重量分析（ＴＧＡ）を示す。
【図６】[29]図６は、ＢＮＮＴ複合体のナノインデンテーションビッカース硬度試験の結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
[30]以下の詳細な記載は、本発明を実施する現在最良と考えられる形態のものである。この記載は限定の意味で解釈すべきではなく、単に本発明の複数の態様の一般原則を示す目的のために行う。本発明の複数の態様並びにその種々の特徴及び有利性の詳細を、添付の図面において記載及び／又は示され、以下の記載において示される非限定的な態様及び実施例を参照してより完全に説明する。図面において示す特徴は必ずしも等縮尺ではなく、１つの態様の特徴は、本明細書において明白に言及されていなくても、当業者が認めるように他の態様と共に用いることができることを留意すべきである。周知の部品及び技術の記載は、本発明を曖昧にすることを避けるために省略することができる。本明細書において用いる例は、単に、本発明を実施することができる方法の理解を促進し、更に当業者が本発明を実施することを可能にすることを目的とするものである。したがって、本明細書において示す実施例及び態様は、特許請求の範囲によって規定される発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。更に、図面の幾つかの図全体にわたって、同様の参照番号は同様の部品を示すことに留意されたい。
【００２８】
[31]最近になって新規な材料である窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）が開発され、これは高い強度−重量比、高い温度耐性（空気中において８００℃超）、圧電性、及び放射線遮蔽能力を有する［A. Rubioら, Phys. Rev. Lett. 49, 5081 (1994)；N.G. Chopraら, Science, 269, 966 (1995)］。これらのＢＮＮＴの優れた機械的特性（硬度及び靱性）並びに熱的特性（安定性及び伝導性）のために、これらは新規な軽量で高性能の抗貫通物材料を開発するための理想的な材料になっている。これらはまた、特に９００℃までの昇温温度におけるこれらの優れた高い硬度、アスペクト比、及び靱性のために、優れた摩耗特性も与える。最近になって、非常に長い高結晶質ＢＮＮＴを製造する新規で概念的に簡単な方法が示された。M.W. Smithらの米国特許出願公開２００９／０１１７０２１、M.W. Smithら, Nanotechnology, 20, 505604 (2009)、窒化ホウ素ナノチューブを製造するための装置に関する２００９年２月４日出願の一部継続出願１２／３２２，５９１、及び窒化ホウ素ナノチューブのフィブリル及びヤーンに関する２００９年５月６日出願の一部継続出願１２／３８７，７０３（これらは全てそれらの全部を参照として本明細書中に包含する）に、かかる材料が記載されている。窒化ホウ素ナノチューブ及び窒化ホウ素ナノチューブポリマー複合体を用いて製造される放射線遮蔽フィルムの製造を記載する「窒化ホウ素ナノチューブ及び窒化ホウ素ナノチューブポリマー複合体を用いて製造される中性子及び紫外線遮蔽フィルム」と題された２０１１年５月９日出願の共に係属している米国特許出願１３／０６８，３２９、及び窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）及びＢＮＮＴポリマー複合体を用いて製造されるアクチュエーター及びセンサーを記載する「窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）及びＢＮＮＴポリマー複合体を用いて製造されるエネルギー変換材料」と題された２０１０年１０月１３日出願の共に係属している米国特許出願１２／２７８，８６６も、それらの全部を参照として本明細書中に包含する。ナノチューブ状の包有物を用いることの有効な強靱化効果が報告されている（Nanotubular Toughening Inclusions, Parkら, 米国特許出願１３／０３２，０４５：２０１１年出願（LAR 17088）；C. Lovell, K.E. Wise, J-W. Kim, P.T. Lillehei, J.S. Harisson, C. Park, "Thermodynamic Approach to Enhanced Dispersion and Physical Properties in a Carbon Nanotube/Polypeptide Nanocomposite", Polymer, 50, 1925 (2009)（１９３１頁左欄を参照））。
【実施例】
【００２９】
[32]第１に、ＢＮＮＴ／ポリマーナノ複合体フィルムを合成して、抗貫通物材料としてのその特性を評価した。ジアミンである２，６−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゾニトリル（（β−ＣＮ）ＡＰＢ）、及び二無水物であるピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）から高温ポリイミドを合成し、本発明のためのマトリクスとして用いた。ポリイミド中のＢＮＮＴの濃度は０及び５重量％であった。マイクロインデンテーション法によってＢＮＮＴ／ポリマーナノ複合体の硬度を測定し、Netzsch 457レーザーフラッシュ装置を用いてナノ複合体の熱伝導率を測定した（表１）。インデンテーションの負荷力、経過時間、及び速度は、それぞれ５００ｇｆ（４．９０Ｎ）、１０秒、及び１０μｍ／秒であった。非ドープのポリイミドの硬度が２４．３±０．７ｋｇｆ／ｍｍ２（２３８±７ＭＰａ）であったのに対して、５％ＢＮＮＴドープポリイミド複合体のそれは４９．８±７．６ｋｇｆ／ｍｍ２（４８８±７５ＭＰａ）であり、１０４．９％の増加を示した。優れた熱安定性及び化学的安定性を有する、ダイヤモンド（１００ＧＰａのヌープ硬度）に次ぐ２番目に硬い材料（４５ＧＰａのヌープ硬度）である立方晶窒化ホウ素ナノ粒子（ｃ−ＢＮＮＰ）をマトリクス中に加えて、優れた硬度を確保することができる。炭化ホウ素、炭化ケイ素、チタン合金、及びジルコニアのような他の硬質材料を充填材として用いることもできる。複合体材料の向上した硬度は、貫通物の跳ね返し及び／又は大きな機械的変形を引き起こすことによって高運動エネルギー貫通物に対する有効な保護能力を与える。更に、ポリマーマトリクス中に５％のＢＮＮＴを加えると、熱伝導率が約１４０％増加した（表１）。増加した熱伝導率は、高運動エネルギー貫通物の衝突からの局所的に集中した熱損傷を減少させるのに役立つ。増加した熱伝導率は、高い熱安定性（空気中において＞８００℃）と共に、高運動エネルギー貫通物の衝撃からの局所的に集中した熱損傷を減少させるのに役立つ。窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）、窒化ホウ素ナノ粒子（ＢＮＰ）、ホウ素炭素窒化物ナノチューブ（ＢｘＣｙＮｚナノチューブ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイト、酸化グラフェン、金属被覆ナノ包有物、金属粒子、及びこれらの複合体で製造した軽量の高運動エネルギー貫通物保護材料は、増加した熱伝導率によって局所的に集中した熱損傷を最小にする。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
[33]図１（ｂ）に示すポリウレタン（ＰＵ）樹脂を注入したＢＮＮＴ及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の層を用いて多層複合体フィルムを製造した。表２に、製造した多層複合体フィルムの機械的特性を示す。非ドープのＰＵの弾性率は僅か６０．９ＭＰａであったが、多層複合体のそれは７５６．９ＭＰａであり、１１４３．８％の増加を示した。ＢＮＮＴ／ＣＮＴ複合体の増加した弾性率によって、高い硬度に加えて抗貫通物保護のための他の重要な特性である破壊前靱性の増加が期待される。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
[34]ＢＮＮＴ繊維又はＢＮＮＴ織物若しくは不織マットを保護層のために用いることができる。ＢＮＮＴ繊維又はマット中へポリマー、セラミック、又は金属を注入すると、機械的強度を更に増加させることができる（図１（ｃ））。高硬度及び高靱性の層の両方を含む多層複合体は、抗貫通保護性を大きく向上させ、耐摩耗性を増加させることができる。多層複合体の概要を図１（ｄ）に示す。ＢＮＮＴ、ｃ−ＢＮＮＰ、又は他の高硬度材料から構成される高硬度の上層は、貫通物を跳ね返すか又は変形させることによる貫通物に対する初めの保護を与える。Kevlar布帛（マット）、ＢＮＮＴ強化Kevlar織物又は不織マット、ＢＮＮＴ又はＣＮＴ複合体層のような種々の強化層を組み合わせることによって、衝撃エネルギーの有効な吸収を可能にする優れた靱性が与えられる。ＢＮＮＴ繊維／織物／不織マットの高い温度耐性（＞８００℃）、及びそれらの高い熱伝導率は、構造強度の損失を引き起こすことなく熱エネルギー又は熱を非常に有効に消散させることによって、抗貫通物保護能力を更に向上させることができる。
【００３４】
[35]図２は、ポテンシャルエネルギー法による衝撃試験の実験結果を示す。全ての標的材料は非ドープのポリイミドフィルムであった。ＢＮＮＴ複合体による衝撃損傷の軽減を観察するために、標的物に対して２種類の異なる被覆フィルムを製造した。対照標的試験片（非ドープのポリイミド）を、２種類の更なる非ドープのポリイミドフィルムで被覆した（図２（ａ）及び（ｂ））。ＢＮＮＴの強化効果を研究するために、他の非ドープのポリイミド標的フィルムを、２％ＢＮＮＴ／ポリイミド複合体フィルム及びＢＮＮＴ／ＣＮＴ多層フィルムで被覆した（図２（ｃ）及び（ｄ））。ＢＮＮＴ強化フィルムに関する衝撃エネルギーは１．５Ｊであり、これは米国国立司法研究所の弾丸及び厚板の資料（ＮＩＪ標準規格０１１０１．０６）のタイプＩＩの保護限界エネルギー（３７３ｍ／秒の速度の９ｍｍのパラベラム完全被甲円頭（ＦＭＪ−ＲＮ）弾丸（８ｇ））の０．２７％に相当する。衝撃の後、被覆フィルムを取り除き、それぞれの非ドープ及び標的フィルムの画像を撮影した。図２に示すように、対照標的は鋭く深い衝撃損傷の跡を生成させた（図２（ａ））。他方において、ＢＮＮＴ強化標的は、シワのよった浅い衝撃損傷の跡を生成させた（図２（ｃ））。光学顕微鏡画像（図２（ｂ）及び（ｄ））は、対照標的とＢＮＮＴ強化標的の衝撃損傷の間に明らかな違いを示した。また図６において示されるように、ＢＮＮＴ強化標的はよりシワのよった損傷表面を示し、これは衝撃の瞬間により多くのエネルギーが吸収されたことを示す。
【００３５】
[36]図３は本発明の可能な用途を示す。ＢＮＮＴ強化複合体は、宇宙船及び宇宙居住施設用の抗高運動エネルギー貫通物層のために用いることができる（図３（ａ）及び（ｂ））。その可能な用途としては、ヘルメット／シールド、防護服、及び戦闘車両のような軍隊及び警察の用途が挙げられる（図３（ｃ）〜（ｅ））。
【００３６】
[37]更に、窒化ホウ素ナノ材料を用いて向上した硬度及び靱性によって高い耐摩耗性が期待される。而して、向上した耐摩耗性は、戦場のような激しい摩耗性の条件下での抗貫通性材料の使用時間を延ばすのに役立つ。
【００３７】
[38]この材料は、ブレーキパッド、ギヤ、自動車用タイヤ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）部品のような機械的用途、歯科修復材料、人工装具、及び／又は置換関節のような医療用途、並びに保護パッドのような娯楽／スポーツ用途のための高い耐摩耗性を有する材料が求められている環境に関する改良である（図４（ａ）〜（ｄ））。ＢＮ及びＢＮＮＴ材料はまた、透明の保護服／シールド及び透明の耐摩耗被覆及び材料も与える。
【００３８】
[39]明らかに、本発明の基本的精神から逸脱することなく多くの修正を行うことができる。したがって、特許請求の範囲内において、本明細書に具体的に記載したもの以外の発明を実施することができることが当業者に認められるであろう。本明細書に記載し、特許請求の範囲において規定する本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの改良、修正、及び付加が当業者に明らかであろう。
【図２】
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【図３（Ａ）】
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【図３（Ｂ）】
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【図３（Ｃ）】
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【図３（Ｄ）】
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【図３（Ｅ）】
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【図６】
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【図１】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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