(57)【要約】  【課題】  銃弾，砲弾等の飛翔体の貫通性能が飛躍的に高くなっている現在、貫通性能が高い飛翔体に対して、十分に防護できる防護部材がない。  【解決手段】  受衝面を含む受衝部を炭化物を主成分とするセラミックスで構成し、前記受衝部の裏面側に位置する基部を前記受衝部より高い破壊靱性の材質としたことを特徴とする防護部材とすることにより、受衝面側を構成する材質は硬度、剛性、圧縮強度等の機械的特性を高くすることができるため、着弾した銃弾や砲弾の先端を変形させたり、小片化させたりすることができるとともに、基部側を構成する材質により、変形、小片化した銃弾や砲弾の運動エネルギーを吸収または散逸させることができる。また、受衝面側の材質で発生したクラックの進行は基部側の材質との境界で止められるため、前記両材質の特性が十分に発揮され、相乗効果により防護性能を高くすることができる。【選択図】  図１
2008275208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受衝面を有する受衝部を炭化物を主成分とするセラミックスで構成し、前記受衝部の裏面側に位置する基部を前記受衝部より高い破壊靱性の材質で構成したことを特徴とする防護部材。
【請求項２】
前記炭化物は炭化硼素を主成分としたことを特徴とする請求項１に記載の防護部材。
【請求項３】
前記基部側の材質を窒化珪素を主成分としたセラミックスで構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の防護部材。
【請求項４】
前記受衝部のセラミックス中にグラファイトおよび炭化珪素を含有させたことを特徴とする請求項２に記載の防護部材。
【請求項５】
前記受衝部と前記基部とを結合層を介して接合させたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の防護部材。
【請求項６】
前記結合層は樹脂からなることを特徴とする請求項５に記載の防護部材。
【請求項７】
前記受衝面を凸状曲面としたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の防護部材。
【請求項８】
基体上に請求項１乃至７のいずれかに記載の防護部材の複数を設けたことを特徴とする防護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽量で高い機械的特性を有する防護部材およびこれを用いた防護装置に関する。特に、銃弾や砲弾等の飛翔体や鋭利な刃物の貫通を防止して人体，車両，船舶，航空機等を保護するための防護部材、およびこれを用いた防弾チョッキ，防刃チョッキ，防刃盾，防弾機能付きカバン，防弾ヘルメット等の防護具並びに防弾板等の防護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の国際情勢の緊迫化等により、防護部材の需要は増加の一途を辿っている。このような防護部材には、軽量化が要求されるとともに、銃弾や砲弾等から大きな圧縮応力が加わるため、高い圧縮強度が要求される。軽量で、かつ高い機械的特性を有する材料としては、炭化硼素質焼結体，炭化珪素質焼結体等を挙げることができ、これらは実際に銃弾や砲弾等に対する防護部材の材料として用いられている。
【０００３】
このように、高い圧縮強度を有する炭化硼素質焼結体や炭化珪素質焼結体を用いた防護部材として、特許文献１では、ヘルメットの前頭部と後頭部に相当する位置において、セラミックスを主たる素材とした耐衝撃補強体を、ヘルメット外部を覆うカバー内に内包させたヘルメット用耐弾付加器が提案されており、セラミックスの主成分が炭化珪素、炭化硼素、窒化珪素およびアルミナの中から選ばれる一種以上で構成されることとしている。
【０００４】
また、特許文献２では、平面形状が多角形のセラミックタイルであって、タイルの多角形の頂点部分の厚みがタイルの中央部分の厚みより厚いセラミックスタイルが提案されている。そして、このセラミックタイルが、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニアまたはボロンカーバイドであり、防弾板用、防弾チョッキ用または防刃チョッキ用であることとしている。
【特許文献１】特開２００２−２９４５１２号公報
【特許文献２】特開２００２−３２６８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で提案されたヘルメット用耐弾付加器や、特許文献２で提案されたセラミックタイルを用いた防弾板、防弾チョッキおよび防刃チョッキは、軽くて、耐衝撃性や耐弾性が向上されてはいるものの、いずれもセラミック焼結体単体で衝撃を吸収する構造であるため、銃弾や砲弾等の貫通性能が飛躍的に高くなっている現在、十分に防護できるものはいえなくなりつつある。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、貫通性能の高い銃弾や砲弾に対する防護性能を向上させた軽量な防護部材およびこれを用いた防護装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、本発明の防護部材は、
１）受衝面を有する受衝部を炭化物を主成分とするセラミックスで構成し、前記受衝部の裏面側に位置する基部を前記受衝部より高い破壊靱性の材質で構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、２）上記１）の防護部材において、前記炭化物は炭化硼素を主成分としたことを特徴とする。
【０００９】
また、３）上記１）または２）の防護部材において、前記基部側の材質を窒化珪素を主成分としたセラミックスとしたことを特徴とする。
【００１０】
また、４）上記２）の防護部材において、前記受衝部のセラミックス中にグラファイトおよび炭化珪素を含有させたことを特徴とする。
【００１１】
また、５）上記１）〜４）のいずれかの防護部材において、前記受衝部と前記基部とを結合層を介して接合させたことを特徴とする。
【００１２】
また、６）上記５）の防護部材において、前記結合層は樹脂からなることを特徴とする。
【００１３】
また、７）上記１）〜６）のいずれかの防護部材において、前記受衝面を凸状曲面としたことを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の防護装置は、
８）基体上に上記１）〜７）のいずれかの防護部材の複数を設けたことを特徴とする。
【００１５】
なお、上記主成分とは７０質量％以上をいうものとする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の防護部材によれば受衝面側を炭化物を主成分とするセラミックスとし、基部側を受衝面側より高い破壊靱性を有する材質としたことから、受衝面側を構成する材質は硬度，剛性，圧縮強度等の機械的特性を高くすることができる。これにより、着弾した銃弾や砲弾の先端を変形させたり、小片化させたりすることができるとともに、基部側を構成する材質により、変形、小片化した銃弾や砲弾の運動エネルギーを吸収または散逸させることができる。
【００１７】
また、受衝面側の材質で発生したクラックの進行は、基部側との境界で止められるため、前記両材質の特性が十分に発揮され、相乗効果により防護性能を高くすることができる。
【００１８】
また、本発明の防護部材によれば、前記炭化物は炭化硼素を主成分としたことから、受衝面側の材質は、比重をより小さくすることができるので、特に人体を保護するための防弾チョッキ、防弾ヘルメット等に用いると軽量化され、好適である。
【００１９】
また、本発明の防護部材によれば、基部側の材質を窒化珪素を主成分としたことから、基部側の材質は、比重を小さくして、破壊靱性を高くすることができるため、軽量であるともに、クラックをさらに進行しにくくすることができる。
【００２０】
また、本発明の防護部材によれば、受衝部のセラミックス中にグラファイトおよび炭化珪素を含有させたので、防護部材の要求特性である圧縮強度をより高くすることができる。
【００２１】
また、本発明の防護部材によれば、受衝部と基部とを結合層を介して接合させたので、この結合層により、接合に伴って発生する応力が緩和されるため、受衝部と基部とが本質的に備えている機能をほとんど損なうことがない。
【００２２】
また、本発明の防護部材によれば、結合層は樹脂からなるので、接合に伴って発生する応力を樹脂が吸収して緩和するため、受衝部と基部とが本質的に備えている機能を十分発現することができる。
【００２３】
さらに、本発明の防護部材によれば、受衝面側の表面を凸状曲面としたことから、銃弾や砲弾の飛翔方向と受衝面側の表面の法線とが一致する確率を大幅に減少させることができる。その結果、銃弾や砲弾は受衝面側の表面を滑るようにしながら着弾するので、破壊エネルギーは吸収または散逸され、防護性能をより高くすることができる。
【００２４】
そして、本発明の防護装置は、上述したように防護性能の高い防護部材の複数を用いていることから、銃弾や砲弾等の貫通を高い確率で防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、模式的に示した図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の防護部材の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図２〜図３は、本発明の防護部材の他の実施形態を示す斜視図である。なお、図面において共通の部位を表す場合は同一符号を用いる。
【００２７】
図１に示すように、本発明の防護部材１は、銃弾や砲弾等の飛翔物や刃物等による衝撃やその他外部からの衝撃を受けとめるための受衝面を有する受衝部を、炭化物を主成分とするセラミックス（図中のセラミック焼結体２）とし、受衝部の裏面側に位置する基部を衝撃面側より高い破壊靱性を有する材質（図中のセラミック焼結体３）としている。
【００２８】
このような構成にすることにより、受衝部を硬度，剛性，圧縮強度等の機械的特性を高くすることができるため、例えば着弾した銃弾や砲弾の先端を変形させたり、小片化させたりすることができる。
【００２９】
また、基部側を構成する材質は破壊靭性が高いため、変形、小片化した銃弾や砲弾の運動エネルギーを吸収または散逸させることができる。
【００３０】
なお、基部を構成する材質は、金属材料や樹脂等でもよく、セラミックスに限定されないが、基部で銃弾や砲弾をさらに変形、破片化するために硬度，剛性，圧縮強度が金属や樹脂より高いセラミックス焼結体とする方が好ましい。
【００３１】
また、受衝面側の材質で発生したクラックの進行は、基部側との境界で止められるため、前記両材質の特性が十分に発揮され、防護性能を高くすることができる。これら両材質としては、例えば、炭化物を主成分とするセラミック焼結体２およびこのセラミック焼結体２より高い破壊靱性を有するセラミック焼結体３とすればよい。
【００３２】
これらセラミック焼結体２，３は必ずしも接合されている必要はなく、例えばセラミック焼結体２，３を重ねて袋に挿入したり、クリップ，バンド，テープ，ネジ等の固定部材を用いて固定したりすればよい。また、セラミック焼結体２，３がそれぞれ対向する面２ａ，３ａを接着剤や両面テープで接着していてもよい。この一例を図２に示す。
【００３３】
図２に示すように、セラミック焼結体２，３は、それぞれ対向する面２ａ，３ａが結合層４を介して接合されており、この結合層４は接合によって発生する応力を緩和するため、双方のセラミック焼結体２，３が本質的に備えている機能をほとんど損なうことなく、その機能を発揮することができる。また、結合層４は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、酢酸ビニル樹脂、塩化ビニル樹脂およびユリア樹脂の少なくともいずれか１種から形成され、その厚みは５μｍ〜２ｍｍである。あるいは、セラミック焼結体２，３を焼結により接合しても何等差し支えない。
【００３４】
なお、結合層４は、セラミック焼結体２，３の接合に伴って発生する応力を緩和できるという理由により、ヤング率が低いものが好適であり、特に樹脂で構成するのが受衝部と基部とが本質的に備えている機能を十分発現することができるという点で最適である。
【００３５】
受衝面側のセラミック焼結体２は炭化硼素を主成分とする焼結体（以下、炭化硼素質焼結体という。）、炭化珪素を主成分とする焼結体（以下、炭化珪素質焼結体という。）または、これらの複合焼結体などが挙げられるが、比重が小さく、硬度が高いという点で炭化硼素質焼結体とするのが最適である。
【００３６】
なお本発明では、着目する材質を構成する成分のうち、７０質量％以上を占める成分を主成分というが、前記複合焼結体においてはこの限りではなく、４０質量％以上とする。さらには硬度、剛性、圧縮強度等の機械的特性を高くするために、焼結体の相対密度は９５％以上であることが望ましい。
【００３７】
受衝面側のセラミック焼結体２は炭化硼素質焼結体であることが望ましい。炭化硼素は比重が小さいため、セラミック焼結体２を厚くして防護性能を向上させることが可能であり、かつ硬度，剛性，圧縮強度が高いので、着弾した銃弾や砲弾の先端を変形させたり、小片化させたりする能力が高い。硬度，剛性を高くするために、炭化硼素の純度は高い程望ましく、炭化硼素は炭化硼素質焼結体１００質量％に対して９０質量％以上、さらには９８質量％以上が望ましい。
【００３８】
また、硬度，剛性，圧縮強度を高くするために、焼結体の緻密化が重要であり、いずれの焼結体においても相対密度は９５質量％以上、さらには９９質量％以上とすることが望ましい。
【００３９】
以上の前記炭化硼素質焼結体のビッカース硬度、ヤング率、破壊靱性、圧縮強度は、それぞれ２２〜３８ＧＰａ、３３０〜５００ＧＰａ、２〜５ＭＰａ・ｍ１／２、１．５〜５ＧＰａであり、これら機械的特性はそれぞれＪＩＳ  Ｒ  １６１０−２００３、ＪＩＳ  Ｒ  １６０２−１９９５、ＪＩＳ  Ｒ１６０７−１９９５で規定される圧子圧入（ＩＦ）法またはＳＥＰＢ法、ＪＩＳ  Ｒ１６０８−２００３に準拠して求めることができる。
【００４０】
ただし、セラミック焼結体２の厚みが薄く、前記ＪＩＳ規格で規定する試験片をセラミック焼結体２から切り出せない場合、セラミック焼結体２の厚みを試験片の厚みとしても差し支えない。
【００４１】
また、セラミック焼結体２を炭化硼素質焼結体とした場合、グラファイトおよび炭化珪素を含有させることで、防護部材の要求特性である圧縮強度をより高くすることができる。グラファイトおよび炭化珪素は、炭化硼素質焼結体の焼成工程における焼結助剤として作用し、グラファイトは炭化硼素粒子の異常な粒成長を抑制して、炭化硼素質焼結体の緻密化を進行させ、炭化珪素は焼成工程における蒸発、凝縮機構により炭化硼素粒子を強固に結合させるので、炭化硼素質焼結体の圧縮強度を高くすることができる。特に、前記炭化珪素はα型炭化珪素（αＳｉＣ）であることが好適であり、焼成中α型炭化珪素は板状に成長してα型炭化珪素結晶粒子となり、炭化硼素質焼結体に微小なクラックが入ったとしても、α型炭化珪素結晶粒子の存在により、クラックは進展しにくくなる。
【００４２】
一般的に、圧縮応力下では、炭化硼素質焼結体中に不規則に存在するクラックの先端より、このクラックの進展方向から逸れて圧縮方向と略平行方向に多数のクラックが進展し破砕帯を形成した後で破壊が起こる。圧縮強度が高いほど、前記クラックの進展速度は遅くなるため、優れた防護部材といえる。
【００４３】
また、炭化硼素質焼結体は、主成分である炭化硼素が炭化硼素質焼結体１００質量％に対して、９０質量％以上であることが好適であり、グラファイトおよび炭化珪素は、炭化硼素質焼結体１００質量％に対して合計０．８質量％以上含めばよい。このようにすることで、防護部材の要求特性である圧縮強度をよりいっそう高くすることができる。
【００４４】
図４は炭素の結晶構造を模式的に示すものであり、（ａ）は、易黒鉛化性炭素の結晶構造を、（ｂ）は難黒鉛化性炭素の結晶構造をそれぞれ示す模式図である。グラファイトの結晶構造は、グラファイトの結晶粒子内の細孔に影響を与え、グラファイトの結晶構造が、図４（ａ）に示すようにその炭素層面が整然とした配向を示す構造である場合、グラファイト結晶粒子内の細孔が減少するため、圧縮強度を高くすることができる。グラファイトの結晶構造が、図４（ｂ）に示すように、炭素層面の長いリボン状の積層がもつれ合うようにねじれて無秩序な３次元網目構造である場合、グラファイト結晶粒子内の細孔が増加するため、圧縮強度が低下する。
【００４５】
本発明の防護部材をなす炭化硼素質焼結体では、グラファイトはＸ線回折法を用いた測定による、（００２）面からの半値幅を０．３°以下（０°を除く）とすることが好適である。また、グラファイトの結晶構造は、図４（ａ）に示す構造となり、さらに圧縮強度を始めとする機械的特性、例えば曲げ強度，ヤング率，硬度等を高くすることができる。
【００４６】
図５は、本発明の防護部材をなす炭化硼素質焼結体のＸ線回折チャートの例である。図５に示すように、（００２）面からのピークは、ピーク（ｐ）として表される。ここで、（００２）面からの半値幅とは、このピーク（ｐ）の半値における回折角（２θ）の幅をいう。この幅を０．３°以下（０°を除く）とすることで、グラファイトの結晶構造は図４（ａ）に示す構造となり、グラファイト結晶粒子内の細孔が減少する結果、圧縮強度を高くすることができる。特に、グラファイトの結晶構造は、２Ｈグラファイトと呼ばれる六方晶系であって、ＪＣＰＤＳカード＃４１−１４８７で示される結晶構造であることが好適である。
【００４７】
また、グラファイトは炭化硼素質焼結体１００質量％に対して、１質量％以上１０質量％以下、炭化珪素は炭化硼素質焼結体１００質量％に対して０．５質量％以上５質量％以下で含むことが好ましい。これにより、焼成中の硼素（Ｂ）や炭素（Ｃ）の原子が移動しやすくなり、十分に緻密化する結果、防護部材の要求特性のひとつである圧縮強度を高くすることができる。
【００４８】
炭化硼素質焼結体中のグラファイト、炭化珪素の同定については、例えばＣｕＫα線を用いたＸ線回折法で同定することができる。また、グラファイトの定量分析はリートベルト法を用いたＸ線回折を用いて行なうことができる。
【００４９】
具体的には、まず、予め検量線を作成する。すなわち、グラファイト粉末と炭化硼素粉末との混合粉末を準備する。組成比を変えた混合粉末に対して、グラファイトの（００２）面に帰属するＸ線回折ピークの面積Ｉ（Ｃ）と炭化硼素（Ｂ４Ｃ）の（０２１）面に帰属するＸ線回折ピークの面積Ｉ（Ｂ４Ｃ）の比Ｉ（Ｃ）／Ｉ（Ｂ４Ｃ）を求め、グラフにプロットした後、最小二乗法を用いて直線からなる検量線を作成する。図６は、グラファイト粉末と炭化硼素粉末との混合粉末より得られる検量線図の一例である。
【００５０】
次に、この検量線を用いて、炭化硼素質焼結体中のグラファイト含有量を決定する。すなわち、炭化硼素焼結体の比Ｉ（Ｃ）／Ｉ（Ｂ４Ｃ）を求め、検量線からグラファイト含有量を測定することができる。
【００５１】
さらに、炭化珪素の定量分析は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分析法を用いて測定することができる。具体的には、ＩＣＰによってＳｉの含有量を測定し、Ｓｉの全てがＳｉＣとなっていると考え、ＳｉＣに換算し、その換算量をＳｉＣ含有量とすることができる。
【００５２】
このような防護部材は軽量化が求められることから、セラミック焼結体２，３とも形状が平板状であることが好適で、例えば、各セラミック焼結体２，３は長さが１０〜４００ｍｍ、幅が１０〜４００ｍｍ、厚みがそれぞれ１〜２０ｍｍの平板である。
【００５３】
また、セラミック焼結体３を窒化珪素焼結体とした場合、破壊靭性や強度を高くすることができるという観点から、組成式Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚ（ｚ＝０．１〜１）で表されるβ−サイアロンを主相とし、Ａｌ，Ｓｉ，ＲＥ（ＲＥは周期表第３族元素）の構成比率がそれぞれＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＲＥ２Ｏ３換算でＡｌ２Ｏ３が５〜５０質量％、ＳｉＯ２が５〜２０質量％、残部が主としてＲＥ２Ｏ３であるＲＥ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎからなる粒界相を、主相と粒界相とからなる焼結体に対して４〜２０体積％の範囲で含み、かつＦｅの珪化物粒子をＦｅ換算で焼結体に対して０．０２〜３質量％含む窒化珪素質焼結体で形成することが好適である。
【００５４】
ここで、固溶量ｚは、次のようにして算出することができる。すなわち、窒化珪素質焼結体を粒度２００メッシュ以下に粉砕し、得られた粉末に対して粉末Ｘ線回折法における回折角の角度補正用サンプルとして高純度α−窒化珪素粉末（宇部興産製Ｅ−１０グレード、Ａｌ含有量は２０ｐｐｍ以下）を６０質量％添加して乳鉢にて均一混合し、粉末Ｘ線回折法により解析範囲２θを３３〜３７°とし、走査ステップ幅を０．００２°として、Ｃｕ−Ｋα線（λ＝１．５４０５６Å）にてプロファイル強度を測定する。角度の補正は、角度補正用サンプルより得られるピークの最大値を用いて補正する。
【００５５】
すなわち、２θ＝３４．５６５°付近に現れるα（１０２）の０．００２°毎に得られるピーク強度の上位１０点の平均２θと３４．５６５°との差（Δ２θ１）、および２θ＝３５．３３３°付近に現れるα（２１０）の０．００２°毎に得られるピーク強度の上位１０点の平均２θと３５．３３３°との差（Δ２θ２）をそれぞれ求め、その差の平均（Δ２θ１＋Δ２θ２）／２を補正Δ２θとする。次に、２θ＝３６．０５５°付近に現れるβ（２１０）の０．００２°毎に得られるピーク強度の上位１０点の平均２θを補正Δ２θによって補正した角度をβ（２１０）のピーク位置（２θβ）とする。そして、ピーク位置（２θβ），λ＝１．５４０５６Å，（ｈｋｌ）＝（２１０）を以下の数式に代入して格子定数ａ（Å）を算出する。
【００５６】
ｓｉｎ２θβ＝λ２（ｈ２＋ｈｋ＋ｋ２）／（３ａ２）＋λ２ｌ２／（４ｃ２）
この数式で、算出した格子定数ａ（Å）と、K. H. Jack，J. Mater. Sci.，11（1976）1135−1158，Fig. 13に記載された格子定数ａ（Å）−固溶量ｚのグラフとから、固溶量ｚを求めることができる。
【００５７】
そして、粒界相はＲＥ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎからなり、Ａｌ，Ｓｉ，ＲＥの構成比率がＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＲＥ２Ｏ３換算でＡｌ２Ｏ３が５〜５０質量％，ＳｉＯ２が５〜２０質量％，残部が主としてＲＥ２Ｏ３であり、主相と粒界相とからなる焼結体に対して４〜２０体積％の範囲で含むことが好適である。なお、本発明では、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＲＥ２Ｏ３およびＮの総和を１００質量％として粒界相の構成比率を表現する。
【００５８】
ここで一般的に、ＲＥ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏを含む酸化物は、窒化珪素やサイアロンの緻密化を促進するものである。Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＲＥ２Ｏ３等の粉末原料は温度上昇に伴って反応し、１４００℃以上で窒化珪素やサイアロンと濡れの良い液相を生成した後、窒化珪素やサイアロンを溶解することで、ＲＥ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎからなる粒界相を形成する。
【００５９】
また、粒界相の焼結体に対する体積比率は、窒化珪素質焼結体の強度に影響を与え、その比率は、４〜２０体積％であることが好適である。
【００６０】
このようなＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＲＥ２Ｏ３の構成比率および粒界相の体積比率は、次のようにして求めることができる。まず、ＩＣＰ（Inductivity Coupled Plasma）分光分析法により焼結体中のＲＥおよびＡｌの各比率（質量％）を測定し、この比率（質量％）をそれぞれＲＥ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３にした場合の比率（質量％）に換算する。次に、酸素分析法によりＬＥＣＯ社製酸素分析装置（ＴＣ−１３６型）を用いて焼結体中の全ての酸素の比率を測定し、ＲＥ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３の酸素の比率を差し引き、残りの酸素の比率をＳｉＯ２の比率（質量％）に換算する。焼結体中の残部をＳｉ３Ｎ４とみなし、各比率（質量％）をそれぞれの理論密度（Ｙ２Ｏ３：５．０２ｇ／ｃｍ３，Ｅｒ２Ｏ３：８．６４ｇ／ｃｍ３，Ｙｂ２Ｏ３：９．１８ｇ／ｃｍ３，Ｌｕ２Ｏ３：９．４２ｇ／ｃｍ３，Ａｌ２Ｏ３：３．９８ｇ／ｃｍ３，ＳｉＯ２：２．６５５ｇ／ｃｍ３，Ｓｉ３Ｎ４：３．１８ｇ／ｃｍ３）で除して、粒界相の体積比率を算出する。
【００６１】
次に、エネルギー分散型Ｘ線分光分析法（ＥＤＳ）を用いて粒界相に含まれる窒素（Ｎ）の比率（質量％）を算出し、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＲＥ２Ｏ３および窒素（Ｎ）の各比率（質量％）の総和を１００％として粒界相の構成比率を算出する。ただし、本発明で用いられる窒化珪素質焼結体の粒界相に含まれる窒素の構成比率は微量であり、通常は０．１質量％以下であるので、以降ではＲＥ２Ｏ３に含んで表記する。
【００６２】
なお、粒界相中のＲＥは周期表第３族元素、例えばＥｒ，Ｙｂ，Ｌｕ等であっても構わないが、ＲＥがＹであることが好ましい。これは、Ｙが周期表第３族元素の中でも軽元素であるため、軽量化することができるからである。また、４点曲げ強度は、ＪＩＳ  Ｒ  １６０４−１９９５に準拠して測定すればよい。
【００６３】
また、焼結体中のＦｅの珪化物粒子は、焼結体の破壊靱性および強度に影響を与えるため、Ｆｅの珪化物粒子をＦｅ換算で焼結体に対して０．０２〜３質量％を含む窒化珪素質焼結体を構成することが好適である。
【００６４】
Ｆｅの珪化物は、熱膨張係数が大きく、β−サイアロン粒子や粒界相に対して残留応力を発生させていると思われ、焼結体の破壊靱性を向上させる効果や破壊形態の１種である粒界滑りが発生する際に、β−サイアロン粒子の滑りを妨げる楔のような働きをしており、強度を向上させる効果がある。また、Ｆｅの珪化物は、焼成時の液相成分の一つとして作用し、焼結性の向上に効果的である。このようなＦｅの珪化物は粉末Ｘ線回折法やＸ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）による元素分析によってその形態を確認することができ、ＩＣＰ分光分析法により定量化することができる。
【００６５】
なお、Ｆｅの珪化物は、β−サイアロンの粒子間またはＲＥ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎからなる粒界相中に粒径が５０μｍ以下、望ましくは粒径が２〜３０μｍの粒子として点在して、ＦｅＳｉ２，ＦｅＳｉ，Ｆｅ３Ｓｉ，Ｆｅ５Ｓｉ３の形態で存在することが好ましく、特にＦｅＳｉ２（ＪＣＰＤＳ＃３５−０８２２）であることが好ましい。
【００６６】
また、本発明の防護部材は、図３に示すように、受衝面側の表面を凸状曲面とすることが好適である。このような凸状曲面は銃弾や砲弾の飛翔方向とセラミック焼結体２の表面の法線とが一致する確率を大幅に減少させることができる。その結果、銃弾や砲弾はセラミック防護部材１の表面を滑るようにしながら着弾するので、破壊エネルギーは吸収または散逸され、防護性能をより高くすることができる。
【００６７】
また、本発明の防護部材は、基部側のセラミック焼結体３がその裏面でポリエチレン繊維、アラミド繊維およびカーボン繊維を含む繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の少なくともいずれか１種と接していることが好適である。ポリエチレン繊維、アラミド繊維およびカーボン繊維は結節強さが高いため、銃弾や砲弾の破壊エネルギーを吸収または散逸させることができるともに、着弾時に飛散するセラミックスの破片による２次災害を防止することができるからである。
【００６８】
本発明の防護部材は、上述したように防護性能が高いことから、防護部材の複数を適当な基体上に固定する等により、防弾チョッキ，防刃チョッキ，防刃盾，防弾機能付きカバン，防弾ヘルメット等の防護具並びに防弾板等の防護装置に用いても好適である。
【００６９】
ここで、本発明の防護部材の一例として、防護部材の受衝面側が炭化硼素質焼結体であり、基部側が窒化珪素質焼結体である場合の製造方法について説明する。
【００７０】
防護部材の受衝面側が炭化硼素質焼結体である場合、第１に、平均粒径（Ｄ５０）が０．５〜２μｍである炭化硼素粉末を準備する。準備する炭化硼素粉末は、硼素（Ｂ）と炭素（Ｃ）のモル比（Ｂ／Ｃ比）が化学量論比４の粉末すなわち炭化硼素（Ｂ４Ｃ）の組成からなる粒子で構成される粉末の他に、モル比（Ｂ／Ｃ比）が３．５以上４未満、またはモル比（Ｂ／Ｃ比）が４よりも大きく１０以下の範囲の粉末、例えばＢ１３Ｃ２等の混入した粉末や、フリーカーボン、硼酸（Ｂ（ＯＨ）３）、無水硼酸（Ｂ２Ｏ３）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）などが混入した粉末であってもよい。
【００７１】
これらの粉末を用いた場合、焼結助剤としてグラファイト粉末および炭化珪素粉末をこれら粉末に添加することで、焼成中、機械的圧力を印加しなくても、焼結させることができる。炭化硼素粉末は、平均粒径０．５〜２μｍの微細な粉末であることが望ましいが、平均粒径が例えば２０μｍ程度と大きな粒径の粉末や、この粉末を予備粉砕した炭化硼素粉末も使用可能である。ここで、予備粉砕は、粉砕メディアを使用しないジェットミル等による粉砕であることが、不純物の混入を少なくするために好ましい。
【００７２】
なお、グラファイトが炭化硼素質焼結体に対して、１質量％以上１０質量％以下、炭化珪素が炭化硼素質焼結体に対して０．５質量％以上５質量％以下含むようにするには、グラファイト粉末を上記粉末合計に対し、１質量％以上１０質量％以下、炭化珪素粉末を上記粉末合計に対し、０．５質量％以上５質量％以下とすればよい。
【００７３】
また、炭化硼素質焼結体に含まれるグラファイトがＸ線回折法を用いた測定による（００２）面からの半値幅を０．３°以下（ただし、０°を除く）とするには、（００２）面からの半値幅が０．３４°以下（０°を除く）であるグラファイト粉末を用いればよい。グラファイト粉末の半値幅が広いと、グラファイト粉末の結晶性が低く、半値幅が狭いと、グラファイト粉末の結晶性が高いことを意味する。結晶性の高いグラファイト粉末を得るには、炭素からグラファイト化する工程で、炭素原子の移動できる距離を制限すればよく、具体的にはこの工程中、炭素を配向制御すればよい。このようなグラファイト粉末として、例えば高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）粉末を用いればよい。
【００７４】
焼結助剤は、グラファイト粉末、炭化珪素粉末以外に焼結を促進させるために硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）、硼化チタン（ＴｉＢ２）、硼化クロム（ＣｒＢ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の少なくともいずれか１種を添加してもよい。
【００７５】
第２に、準備した炭化硼素粉末，焼結助剤を回転ミル，振動ミル，ビーズミル等のミルに投入し、水，アセトン，イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）のうち少なくともいずれか１種とともに湿式混合し、スラリーを作製する。粉砕用メディアは、表面にイミド樹脂を被覆したメディア，窒化硼素質，炭化珪素質，窒化珪素質，ジルコニア質，アルミナ質等の各種焼結体からなるメディアを使用することができるが、不純物として混入の影響の少ない材質である窒化硼素質焼結体からなるメディア、または表面にイミド樹脂を被覆したメディアが好ましい。また、得られるスラリーの粘度を下げる目的で粉砕前に分散剤を添加してもよい。
【００７６】
第３に、得られたスラリーを乾燥して乾燥粉体を作製する。この乾燥の前に、スラリーを粒度２００メッシュよりも小さいメッシュに通して粗大な不純物やゴミを除去し、さらに磁力を用いた除鉄機で除鉄するなどの方法で、鉄およびその化合物を除去することが好ましい。また、スラリーにパラフィンワックスやポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ），ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ），アクリル系樹脂などの有機バインダを、スラリー中の粉末１００質量部に対して１〜１０質量部添加、混合することが、後述する成形工程において、成形体のクラックや割れ等の発生を抑制できるので好ましい。スラリーの乾燥方法としては、スラリーを容器に入れて加熱、乾燥させてもよいし、スプレードライヤー等を用いた噴霧乾燥法により乾燥させても良く、または他の方法で乾燥させても何ら問題ない。
【００７７】
第４に、乾燥粉体を公知の成形方法、例えば成形型を用いた粉末加圧成形法，静水圧を利用した等方加圧成形法を用いて、相対密度４５〜７０％の所望の形状とする。銃弾や砲弾等の飛翔体の貫通をさらに十分に防止できる構造を有する防護部材を作製するためには、成形体の形状を、先端側の表面を凸状曲面とすることが好適である。
【００７８】
第５に、成形体が有機バインダを含む場合には、有機バインダを脱脂する。脱脂は、温度５００〜９００℃で窒素ガスを流しながら行なえばよい。
【００７９】
第６に、成形体または脱脂体（以下、これらを総称して成形体という。）を焼成する。焼成炉として黒鉛性の抵抗発熱体により加熱する焼成炉を用い、この焼成炉中に成形体を載置する。好ましくは、成形体全体を囲うことのできる焼成用容器中（以下、これらを焼成用治具と記す。）に載置する。これは、焼成炉内の雰囲気中等から成形体に付着する可能性のある異物（例えば黒鉛製発熱体や炭素製断熱材から飛散する炭素片や、焼成炉中に組み込まれている他の無機材質製の断熱材の小片等）の付着を防止するためであり、さらには成形体からの揮発成分の飛散を防止するためである。焼成用治具の材質は黒鉛質のものが望ましく、炭化珪素質またはこれらの複合物などの材質としてもよく、さらには成形体全体を焼成用治具で囲うことが好ましい。
【００８０】
第７に、焼成用治具に載置した成形体を焼成炉内に配置し、前述したようにアルゴンガス中またはＨｅガス中のいずれか、もしくは真空中で、１８００℃以上２２００℃未満の温度域で１０分〜１０時間保持（前記第１の工程）した後、２２００〜２３５０℃の温度で１０分〜２０時間保持（前記第２の工程）して、相対密度９０％以上に緻密化させる。昇温速度は１〜３０℃／分が好ましい。ここで、上記第１、第２の工程でいう保持とは、所定の温度範囲内に滞在した時間の合計を意味し、例えば一定温度で保持する時間や、昇温時間、降温時間が保持時間に含まれる。なお、２０００℃以上で保持する場合には炭化硼素、添加物成分の分解が生じるので、アルゴンガスまたはＨｅガス中で保持することが望ましい。
【００８１】
また、緻密化をより促進するために、開気孔率が５％以下となった段階で、さらに高圧のガスで加圧してもよい。この加圧方法としては、高圧ＧＰＳ（Gas Pressure Sintering）法や熱間等方加圧（ＨＩＰ：hot isostatic press）法により、ガス圧１〜３００ＭＰａで加圧する方法を用いることが好ましく、これによって相対密度を特に９５％以上に高めることができる。また、必要に応じてホットプレス法やＳＰＳ（Spark Plasma Sintering）法のように機械的圧力を印加する方法で焼結しても構わない。
【００８２】
基部側が窒化珪素質焼結体である場合、まず、窒化珪素質粉末のβ化率が４０％以下であって、組成式Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚにおける固溶量ｚが０．５以下である窒化珪素質粉末と、添加物成分としてＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＲＥ２Ｏ３，Ｆｅ２Ｏ３の各粉末とを、バレルミル，回転ミル，振動ミル，ビーズミル等を用いて湿式混合し、粉砕してスラリーとする。
【００８３】
ここで、添加成分であるＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＲＥ２Ｏ３の各粉末の合計は、窒化珪素質粉末とこれら添加成分の粉末の合計との総和を100体積％としたときに、４〜２０体積％になるようにすればよい。
【００８４】
窒化珪素には、その結晶構造の違いにより、α型およびβ型という２種類の窒化珪素が存在する。α型は低温で、β型は高温で安定であり、１４００℃以上でα型からβ型への相転移が不可逆的に起こる。
【００８５】
ここで、β化率とは、Ｘ線回折法で得られたα（１０２）回折線とα（２１０）回折線との各ピーク強度の和をＩα、β（１０１）回折線とβ（２１０）回折線との各ピーク強度の和をＩβとしたときに、次の式によって算出される値である。
【００８６】
β化率＝｛Ｉβ／（Ｉα＋Ｉβ）｝×１００  （％）
窒化珪素質粉末のβ化率は、窒化珪素質焼結体の強度および破壊靱性値に影響する。β化率が４０％以下の窒化珪素質粉末を用いるのは、強度および破壊靱性値をともに高くすることができるからである。β化率が４０％を超える窒化珪素質粉末は、焼成工程で粒成長の核となって、粗大で、しかもアスペクト比の小さい結晶となりやすく、強度および破壊靱性値とも低下する。特に、β化率が１０％以下の窒化珪素質粉末を用いるのが好ましく、これにより、固溶量ｚを０．１以上にすることができる。
【００８７】
窒化珪素質粉末の粉砕で用いるメディアは、窒化珪素質，ジルコニア質，アルミナ質等の各種焼結体からなるメディアを用いることができるが、不純物が混入しにくい材質、あるいは同じ材料組成の窒化珪素質焼結体からなるメディアが好適である。
【００８８】
なお、窒化珪素質粉末の粉砕は、粒度分布曲線の累積体積の総和を１００％としたときの累積体積が９０％となる粒径（Ｄ９０）が３μｍ以下となるまで粉砕することが、焼結性の向上および結晶組織の針状化の点から好ましい。粉砕によって得られる粒度分布は、メディアの外径，メディアの量，スラリーの粘度，粉砕時間等で調整することができる。スラリーの粘度を下げるには分散剤を添加することが好ましく、短時間で粉砕するには、予め累積体積50％となる粒径（Ｄ５０）が１μｍ以下の粉末を用いることが好ましい。
【００８９】
次に、得られたスラリーを粒度２００メッシュより細かいメッシュを通した後に乾燥させて顆粒を得る。また、スラリーの段階でパラフィンワックスやポリビニルアルコール（ＰＶＡ），ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の有機バインダを粉末１００質量％に対して１〜１０質量％を混合することが、成形性のために好ましい。乾燥は、スプレードライヤーで乾燥させてもよく、他の方法であっても何ら問題ない。
【００９０】
次に、得られた顆粒を、乾式加圧成形法を用いて相対密度が４５〜６０％の平板状の成形体とする。そして、窒素雰囲気中または真空雰囲気中で脱脂した方がよい。脱脂温度は添加した有機バインダの種類によって異なるが、９００℃以下がよく、特に５００〜８００℃とすることが好適である。
【００９１】
次に、一般的な窒化珪素質成形体の焼成に用いる黒鉛抵抗発熱体を使用した焼成炉内に成形体を配置し、焼成する。焼成炉内には成形体の含有成分の揮発を抑制するためにＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＲＥ２Ｏ３等の成分を含んだ共材を配置してもよい。
【００９２】
また、成形体の配置方法として、成形体を窒化珪素質粉末中または炭化珪素質粉末中に埋設する方法を用いれば、電気炉において大気中で焼成することも可能である。このような方法を用いると、成形体をそれら粉末中に埋設したことにより大気中の酸素ガスは遮断され、実質的に焼成雰囲気は窒素雰囲気となる。温度については、室温から３００〜１０００℃までは真空雰囲気中にて昇温し、その後、窒素ガスを導入して、窒素分圧を５００〜３００ｋＰａに維持する。このとき成形体の開気孔率は４０〜５５％程度であるため、成形体中には窒素ガスが十分充填される。１０００〜１４００℃付近では添加物成分であるＡｌ２Ｏ３やＲＥ２Ｏ３が固相反応を経て、液相成分を形成し、約１４００℃以上の温度域で、β−サイアロンを析出し、緻密化が開始する。β−サイアロンはβ−Ｓｉ３Ｎ４のＳｉ４＋位置にＡｌ３＋，Ｎ３−，Ｏ２−が置換固溶したものであり、Ｓｉ３Ｎ４−ＡｌＮ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系の多くの状態図（例えば、K. H. Jack，J. Mater. Sci.，11（1976）1135−1158，Fig. 11）にあるように、β−サイアロン相の安定領域はＳｉ３Ｎ４−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系に対してＮ３−が価数の安定には不足しており、外部からＮ３−の供給が必要となる。これは、成形体中に充填された窒素ガスがＮ３−となるからであり、窒素分圧を低く抑えることによってβ−サイアロンの固溶量ｚを低くすることができるからである。
【００９３】
すなわち、開気孔率が４０〜５５％から５％に達するまでの段階はできるだけ窒素分圧を低く設定する必要があり、５０〜３００ｋＰａとすることが重要である。窒素分圧が３００ｋＰａを超えると、β−Ｓｉ３Ｎ４に対しＡｌ３＋，Ｎ３−，Ｏ２−の置換固溶が進み、固溶量ｚが１を超えやすくなり、耐食性が低下する。窒素分圧が５０ｋＰａより小さくなると、β−サイアロンの平衡窒素分圧より小さくなり、β−サイアロンの分解反応が進行して、Ｓｉが溶融するため、正常な窒化珪素質焼結体にならない。また、温度が１８００℃を超えるとＡｌ３＋，Ｎ３−，Ｏ２−の置換固溶が進行し、固溶量ｚが１を超えやすくなる。焼結が進行し、開気孔率が５％未満となった場合は、窒化珪素質焼結体中への窒素ガスの供給量が少なくなるため、３００ｋＰａを超える窒素分圧であっても構わないし、１８００℃以上の温度で焼成しても構わない。最終的には相対密度９６％以上まで緻密化を進行させることで、強度および破壊靱性とも高い窒化珪素質焼結体を得ることができる
なお、窒化珪素質焼結体において微細な結晶組織を得るには、焼成温度を１７００℃以上１８００℃未満にすればよい。また、真空雰囲気中にて昇温後、窒素分圧は１５０ｋＰａ以下としたほうが経済的観点からも望ましい。より緻密化を促進するには、開気孔率が５％以下となった段階で２００ＭＰａ以下のガス圧焼結処理または熱間等方加圧（ＨＩＰ）処理を施しても構わない。この場合、開気孔率１％以下で、相対密度が９７％以上、さらには９９％以上まで焼結を促進させた後に、ガス圧焼結処理または熱間等方加圧（ＨＩＰ）処理を施すことが好適である。
【００９４】
また、添加したＦｅ２Ｏ３粉末は焼成で主相であるβ−サイアロンと反応して、酸素成分を脱離し、Ｆｅの珪化物粒子を生成する。
【００９５】
上述した製造方法で得られた炭化硼素質焼結体および窒化珪素質焼結体をそれぞれ所定の形状に加工し、衝撃面側、基部側として、重ねて袋に挿入したり、クリップ、バンド、テープ、ネジ等で固定したりする。または、それぞれ対向する面を接着剤や両面テープで接着していても良い。または、炭化硼素質焼結体および窒化珪素質焼結体を焼結により接合してもよい。以上のようにして、本発明の防護部材を得ることができる。
【００９６】
さらに、本発明の防護装置は、上述の方法で得られた防護部材を基体（例えば、ポリエチレン繊維、アラミド繊維およびカーボン繊維を含む繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）上に複数配置して、例えば、ウレタン系接着剤により固定することにより得られ、銃弾や砲弾等の貫通を高い確率で防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の防護部材の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の防護部材の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の防護部材のさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図４】炭素の結晶構造を模式的に示すものであり、（ａ）は易黒鉛化性炭素の結晶構造を、（ｂ）は難黒鉛化性炭素の結晶構造をそれぞれ示す模式図である。
【図５】本発明の防護部材をなす炭化硼素質焼結体のＸ線回折チャートの一例である。
【図６】グラファイト粉末と炭化硼素粉末との混合粉末より得られる検量線図の一例である。
【符号の説明】
【００９８】
１：防護部材
２：セラミック焼結体
３：セラミック焼結体
４：結合層
【図１】
2008275208.tif 000003
【図２】
2008275208.tif 000004
【図３】
2008275208.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008275208.tif 000007
【図６】
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