(57)【要約】  打面材料としてガラスセラミック材料、１層または複数層の中間層、および１層の裏当て層を用いる透明防護積層システムが記載されている。この積層システムは、軽量化において従来の全ガラス製または全ガラスセラミック製透明防具システムに勝る特性を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスセラミックを含む１層の打面層、難破砕材料を含む１層の裏当て層、およびガラスを含みかつ前記打面層と前記裏当て層との間に積層された少なくとも１層の中間層を含む透明な積層防具であって、
前記ガラスセラミックが、２０〜９８体積％の結晶成分と２〜８０体積％のガラス成分を含み、かつ少なくとも６００のヌープ硬度を有するものであることを特徴とする透明防具。
【請求項２】
前記結晶成分が１０〜４０ｎｍの粒径を有するものであることを特徴とする請求項１記載の透明防具。
【請求項３】
前記結晶成分が前記ガラス成分中にほぼ一様に分散され、かつ該結晶成分が、β石英、スピネル、ムライトおよびそれらの組合せから選ばれたものであることを特徴とする請求項１記載の透明防具。
【請求項４】
前記難破砕材料がポリマーを含むものであることを特徴とする請求項１記載の透明防具。
【請求項５】
前記中間層が、１層のガラス層と、ガラスおよびガラスセラミックからなる群から選ばれた一種類の材料を含む少なくとも１層の付加層とを含むものであることを特徴とする請求項１記載の透明防具。
【請求項６】
前記ガラスが、ソーダ石灰ガラス、シリカガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ硼珪酸ガラスおよびそれらの混合物を含む群から選ばれたものであることを特徴とする請求項１記載の透明防具。
【請求項７】
前記防具の各層が１０〜２０ｍｍの範囲内の厚さを有するものであることを特徴とする請求項１記載の透明防具。
【請求項８】
２０〜９８体積％の結晶成分を有するガラスセラミックと２〜８０体積％のガラス成分含む１層の打面層、ポリカーボネートを含む難破砕材料を含む１層の裏当て層、ならびに前記打面層と前記裏当て層との間に積層された複数の中間層を含み、かつ少なくとも１層の中間層がガラスを含む透明な積層防具であって、
前記結晶成分が、β石英、スピネル、ムライトおよびそれらの組合せから選ばれ、かつ該結晶成分が前記ガラス成分中にほぼ一様に分散された１０〜４０ｎｍの粒径を有するものであることを特徴とする透明防具。
【発明の詳細な説明】
【優先権主張】
【０００１】
本願は、共に「ハイブリッド積層透明防具」と題して、２００７年１月８日付けで提出された米国仮特許出願第６０／８７９,１５８号の優先権を主張して、２００７年１０月１１日付けで提出されたた米国特許出願第１１／９７４,０２８号の優先権を主張した出願である。
【政府の権利】
【０００２】
本発明は、国防総省国防高等研究事業局（ＤＡＲＰＡ）によって授与された協定書第ＨＲ００１１‐０５‐Ｃ‐０１２７号に従う米国政府の援助を伴ってなされたものである。米国政府は本発明の権利の一部を保有する。
【技術分野】
【０００３】
本発明は、ハイブリッド積層透明防具システムに関し、特にガラスセラミック材料および通常のガラス材料を含む複合防具に関するものである。
【背景技術】
【０００４】
防弾（防具）に関して用いられる透明材料は、（１）例えば、一般にフロート法を用いて製造されるソーダ石灰ガラスおよび硼珪酸ガラスのような通常のガラス、（２）酸窒化アルミニウム（ＡＬＯＮ）、スピネル、およびサファイヤのような結晶材料、ならびに、（３）ガラスセラミック材料（ＧＣ）を含む。最後の範疇には、Ａｌｓｔｏｍ社から販売され、「Ｔｒａｎｓ  Ａｒｍ」として知られている透明な二珪酸リチウムがあり、これは多くのグループによって研究されて来た。ライフル弾および小石等に対するその卓越した重量効率により、Ｔｒａｎｓ  Ａｒｍはフェイス・シールド等の防具の性能を高めるための潜在能力を有し、すなわち、これらの材料の衝撃反応の研究によれば、ガラスセラミックがアモルファスガラスに比較して高い着弾後強度（post-failure strength）を有することが示された。特許文献１、特許文献２および非特許文献１を参照のこと。他の従来技術には、（１）特許文献３および（２）特許文献４があり、（１）は、エネルギー吸収、ファイバ含有裏当て層上に接着されたガラスセラミックを主成分とする防具に関し、（２）は、高温および火炎に耐えることができる安全ガラスすなわち防具ガラスに用いることを目的とした、ガラスセラミックとポリマーとからなる並列シートを備えた耐火性および耐衝撃性透明積層体に関する。その他の特許および特許出願は、「ガラスマトリクス防具」と題する特許文献５（セラミックの微粒子が全体に分散されたソーダ石灰ガラスマトリクスが記載されているが、セラミックはガラス中でそのまま成長せしめられたものではない）、ならびに「ガラスセラミック材料を用いた、動的脅威からの防護」と題する特許文献６（灰長石（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８）ガラスセラミックを主成分とする不透明防具が記載されている）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】英国特許出願公開第２ ２８４ ６５５Ａ号明細書
【特許文献２】国際公開第０３／０２２７６７Ａ１号パンフレット
【特許文献３】米国特許第５,０６０,５５３号明細書
【特許文献４】米国特許第５,４９６,６４０号明細書
【特許文献５】米国特許第５,０４５,３７１号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００５／０１１９１０４Ａ１号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J.C.F.Millet,N.K.Bourne,and I.M.Pickup,The behavior of a SiO2-Li2O glass ceramic during one-dimensional shock loading,J.Phys.D:Phys.38,3530-3536頁(2005)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つの態様において、ガラス、ガラスセラミックおよびポリカーボネートの種々の組合せの積層体の防弾試験を用いて、本発明者等は、ガラスまたはガラスセラミックからなる１層または複数層の中間層と組み合わせた硬い透明な打面は、面積密度の関数として、全てがガラスセラミックまたは全てがガラスである構成よりも極めて良好な防弾特性を備えていることを発見した。この特定の構成の効果は、従来技術には類例が見当たらないものである。
【０００８】
一つの実施の形態において、本発明は透明防護積層システムに関する。この積層システムは、少なくとも１層のガラスセラミック材料層、少なくとも１層のガラス層、および１層の裏当て層（難破砕層とも呼ぶ）を含み、上記ガラスセラミック層は、１種類の結晶成分および１種類のガラス成分を有し、上記結晶成分は、ガラスセラミックの２０〜９８体積％の範囲内にあり、ガラス成分は２〜８０体積％の範囲内にある。この積層システムは、ガラスセラミック層、ガラス層、および裏当て層の間に透明な接着材料を用いて作製される。接着材料は、例えばエポキシ材料のような従来から知られているものを用いることができる。
【０００９】
別の態様において、本発明は、個人的防具のみでなく、例えば、地上走行車両、および航空機のための防具システムのような種々の防具システムのための、ガラスと積層された透明なガラスセラミックを用いることに関する。これらの防具システムの光学特性は、可視光のみでなく、軍用防具システムの近赤外線に対する透過性を満足させ、かつそれらの高い防弾限界と組み合わされた適度の密度は、以下の二つの重要な特質の何れか、または双方の特質の組合せを提供する。すなわち、
（１）ガラスの防弾特性に等しい防弾特性をより薄い厚さをもって達成し、これにより防具システムに特に必要とされる軽量化が得られること、および
（２）現用の透明防具に採用されているのと同一の積層厚さをもって、卓越した防弾特性を達成すること。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガラスおよびポリカーボネート製裏当て層からなる一般に市販されている防具システムを示す図である。
【図２】１層のガラスセラミック製打面、１層または複数層のガラス層、および１層のポリカーボネート製裏当て層を用いた本発明の防具システムを示す図である。
【図３】市販されている全てがフロートガラスノシステムに比較して軽量なガラスセラミック／ガラスを示す図である。
【図４】他の形式の防具システムに対する本発明のガラスセラミック／ガラス防具システムの優位性を示す面積密度に対する弾道限界のグラフである。
【図５】全てがガラスの積層体とは対照的にガラスセラミック／ガラス積層体を用いて得ることができる重量節減を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ここで用いられている「打面」とは、飛来する発射体を受ける積層防具の面を意味する。
【００１２】
静的な材料特性と防弾特性との間の正確な相関関係は１０年に亘る研究後もなおも不可解であるが、材料の硬さおよび破壊靭性がその材料の防弾特性に寄与することが一般的に認識されている（J.J.Swab,Recommendations for Determining the Hardness of Armor 
Ceramics,Int.J.Applied Ceram.Technol.,Vol.1(3)(2004),219-225頁参照）。一つの仮説は、理想的な防具は、発射体を破壊する十分な硬さを有することを要するが、或る閾値を超えると、硬さはもはや防弾特性に影響しないというものである。もし、硬さが或る閾値を超えながら、破壊靭性のような他の機械的特性の最適化が達成可能であれば、防弾特性も同様に最適化が可能である。
【００１３】
図１に示されているように、一般的な市販の透明な防具システム１０は、１層または複数層（図１におけるガラス１２または透明な結晶材料からなる最初の４層）が、図１には最後尾の層として示されている裏当て板または「破片捕捉板」としてのポリマー材料１４を備えた複合多層構造に貼り合わされている。複合構造の層の数および順序は、この防具システムが打ち勝つべく想定される脅威の種類に左右される。これらの層に用いられる一般的な透明なガラス材料は、常套的なフロートガラス処理を用いて一般的に製造されるソーダ石灰ガラスおよび硼珪酸ガラスのような一般的なガラスである。透明な結晶材料は、通常ＡＬＯＮ（酸窒化アルミニウム）、スピネルおよびサファイヤである。図１における黒い矢印は、飛来する発射体の軌道である。
【００１４】
透明な結晶ＡＬＯＮ、スピネルおよびサファイヤは全て、防具システムが、ガラスを主体とするシステム全体の三分の一の重量で同じ発射体を止めることができることを意味する、ガラスよりも３倍も大きい重量効率を有することを誇示しているが、これらの結晶材料は、材料を作製するのにコストのかかる粉末処理方法（ＡＬＯＮおよびサファイヤ）または結晶成長方法（スピネル）を必要とする。これらの方法は本質的に極めて高価で、生産性が低く、仕上げ／研磨に極めてコストがかかる材料であり、窓等に用いるのに必要な大型の透明シート材料の作製には適していない。これに加えて、もし特殊な用途に関して湾曲したシートが必要な場合には、この要求にはさらなる複雑さおよびコストが付加される。その結果、これらの高性能材料は、主として研究所内で用いられ、現実の世界では殆ど用いられていない。
【００１５】
ガラスは、高温処理を必要とする結晶材料に勝る大きな費用便益を提供する。しかしながら、ガラス防具の防弾特性を高めるためには、さらなる層および／またはより厚いガラスを付加しなければならない。その結果、ガラス防具全体の重量が、人間であれ車両であれ、「ユーザー」には益々耐え難いものになって来ている。基本的な解決策は、同じガラスではない革新的な材料を用いることにあるとの合意がある。
【００１６】
材料の部類として、ガラスセラミックは、結晶材料の特性の多くの利点とともにガラスの製造容易性を兼ね備える。ガラスセラミックは、徹甲弾（鋼鉄コア）を含む発射体の貫通を防ぐ点で、通常のガラスを上回る大きな利点を提供する。ガラス、ガラスセラミック、およびポリカーボネートからなる積層体の防弾試験において、透明な硬質ガラスセラミック打面とガラスからなる１層または複数層の中間層との組合せは、全てがガラスセラミックまたは全てがガラスの構成よりも面積密度の関数として極めて良好な防弾性能を備えることを本発明者等は発見した。図２は、硬質ガラスセラミック打面２６（第１の、すなわち最も前方の層）、複数のガラス層２２（次の３層）および１層の裏当て層２４（最後尾の層）を有する本発明の積層防具２０を示す。裏当て層は強靭なポリマー等の難破砕性ポリマーを含む。ポリカーボネートは裏当て層として用いられることが多い。２０によって示されたシステムの利点は、所定の速度（例えば或る種の形式の弾丸の初速）における発射体（矢印２１で表されている）を止めることに加えて、従来のガラス積層体およびガラスセラミック／ガラスセラミック積層体よりも少ない材料（厚さまたは面積密度において）しか要しない。図２における黒い矢印２１は、飛来する発射体の航跡を示す。
【００１７】
ガラスのみの積層体に比較して軽量で、かつ結晶材料に比較して安価なことに加えて、本発明におけるハイブリッド構造は、ずっと薄いガラスセラミック全体の厚さしか必要とせず、例えば、少なくとも３０ｍｍのガラス全体厚さを要するガラスセラミックのみのものに比較して、ガラスセラミックの厚さは例えば１０〜２０ｍｍである。本発明の材料必要量が少ないことは、光学的透過性の観点からガラスセラミックの製造容易性を著しく高める。多くのガラスセラミックは、酸化鉄等の少量のガラス中に存在して、ＴｉＯ２（一般的な成核剤）と反応して、可視スペクトルの青色端において吸収を生じることから吸収問題を生じ勝ちである。図３は、ガラスセラミック／ガラス積層体５０（図の右側）を用いると、すべてが「フロートガラス」のシステム４０（図の左側）に比較して、層の減少を通じて得ることができる差、したがって重量軽減を示す。
【００１８】
ガラスセラミックは、ガラスの制御された失透によって生じる微結晶固体である。ガラスは溶融され、整形され、次いで熱処理によって、高度に一様な微細構造を備えた不完全な結晶材料に変換される。したがって、ガラスセラミックは結晶成分およびガラス成分を含んでいる。制御された結晶化の基本は、空洞、マイクロクラックおよびその他の気孔を含まない、ランダムに配向された粒子の成長を許容することである。ガラスおよびセラミックと同様に、ガラスセラミックは、破壊を生じる歪みにまで弾性作用を示す脆弱な材料である。しかしながら、結晶微細構造の故に、ガラスセラミックにおける強度、弾性、靭性および耐磨耗性はガラスにおけるよりも高い。２０〜９８体積％の結晶成分と２〜８０体積％のガラス成分を含むガラスセラミックは、透明性を保ちながら透明な防具の用途に有用なことが判明した。
【００１９】
上述のように、静的な材料特性と防弾性能との正確な相関関係はあまり理解されていない。一つの仮説は、理想的な防具は発射体を粉砕するのに十分な硬さを持たなければならないが、或る硬度閾値を超えるともはや性能に影響しないということである。この仮説は、適切ではあるが決して印象的ではない例えばスピネル・ガラスセラミックで得られる７００〜７３０のヌープ硬度によって裏付けられる。透明なガラスセラミックからなる微構造は一般に、ガラスセラミックの全体に亘ってほぼ一様に分散された１０〜４０ｎｍの結晶を含む。これらの結晶は、熱処理後に残存するアモルファス相である「より軟らかい」連続したガラス相中に分散されている。この微構造は強化された防弾性能を提供することができる。Hasselman および Fulrath（”Proposed fracture theory of dispersion-
strengthened glass matrix”,J.Am.Ceram.Soc.,49(1966),68-72頁）は、ガラス中の硬質の球状結晶の分散が、表面上に生じ得る罅の大きさを制限し、これにより強度の増大を導くという破砕理論を提案した。ガラスセラミックの微構造、強度および適度な硬さは、ガラス・ガラスセラミック・ハイブリッド積層体における打面としての有効性を明らかにしている。
【００２０】
種々のガラスとガラスセラミック（ＧＣ）との積層体構造の防弾性能が図４のグラフに示されている。図４に用いられている全ての積層体には、ガラスおよび／またはガラスセラミック材料と組み合わせて１／２インチ（約１．２７ｃｍ）の軟ポリカーボネート製裏当てが用いられた。図４は、積層体の面積密度（単位はポンド／平方フィート）に対するＡＰ弾道限界（単位をフィート／秒とする徹甲弾を停止させる能力）のプロットである。黒丸が種々のガラスセラミック‐ガラス構造を表す。市販のガラス積層体に関する対応するデータは文献（Ceramic Armor Materials by Design,ed.,J.W.McCauley Ed.,Ceramic 
Transactions,Vol.134(2002)）から取られている。高い弾道限界が低い面積密度において生じるのが好ましい。図５は、全てがガラスの積層体と比較したハイブリッド・ガラスセラミック‐ガラスの重量節減を示すグラフである。右方の四角は、各データ点に関するガラスセラミックおよびガラス（それぞれ黒と白）の相対厚さを示す。四角１〜４は、比較される全厚さおよび面積密度の積層体を表す。四角１は、最も厚いガラスセラミック材料を有し、四角３は最も薄いガラスセラミック材料を有する。四角４は全てガラスである。四角５は、四角４よりも厚い全てガラスの積層体を表す。
【００２１】
積層システムのガラスセラミック部分は、選択された透過領域において（例えば可視領域、赤外領域、および紫外領域の制限なしに）、良好な透明性および最少の光透過損失または透過歪みを有するものを選択しなければならない。結晶相とガラス相との正確なパーセンテージは、セラミック化以前のガラスの組成およびガラスを結晶化させるのに用いられる緻密な熱処理に左右される。上述の教示および他の場所での教示によりサラミック化され得る何れのガラス材料も防具積層体のガラスセラミック成分としてここで用いることができる。それに加えて、ガラスセラミック材料は、少なくとも６００のヌープ硬度を持っていなければならない。ガラスセラミックにおける所望の備構造および結晶化度レベルは、遭遇する脅威の種類および考えられる複数着弾パターンに左右されると思われる。ガラスセラミックの実例は、結晶成分がβ石英、スピネルおよびムライトを含むガラスセラミックであるが、これらに限定されない。
【００２２】
防具積層体のガラス成分は、１層または複数層のガラス層から構成され、各層は５〜５０ｍｍの範囲内の厚さを有する。一つの実施の形態において、１層または複数層のガラス層の各ガラス層は１０〜２０ｍｍの範囲内の厚さを有する。ガラス材料は、本明細書の何処かに記載されているように、透明性および低歪みの基準を満足すれば何れのガラスを用いてもよい。このようなガラスの実例は、ソーダ石灰ガラス、シリカガラス、硼珪酸ガラスおよびアルミノ硼珪酸ガラスを含むがこれらに限定されない。
【００２３】
防具積層体に用いられる「破片キャッチャー」すなわち「裏当て」材料は一般に、アクリレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスルホン等のポリマー材料およびその他の現在入手可能な透明防具に用いられるポリマー材料から選ばれる。本発明の防具積層体に用いられるガラスセラミック材料およびガラスと同様に、破片キャッチャー材料は、本明細書の何処かに記載されているように、透明性および低歪みの基準を満足しなければならない。
【実施例】
【００２４】
一つの実施の形態において、透明防具積層体は、１層のガラスセラミック層、１層または複数層のガラス層および１層の裏当て層すなわち破片キャッチャー層を有し、個々の層は１０〜２０ｍｍの範囲内の厚さを有する。ガラスセラミック材料のヌープ硬度は６００よりも大きい。さらなる実施の形態においては、ヌープ硬度が７００よりも大きい。
【００２５】
以上、限られた数の実施の形態について本発明を説明したが、ここに開示された本発明の範囲から離れることなしに、その他の実施の形態の実施が可能なことは、本明細書の恩恵を受ける当業者であれば認識するであろう。したがって本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるべきものである。
【符号の説明】
【００２６】
１０  市販の透明防具システム
１２  ガラス
１４  ポリマー材料
２０  本発明の透明防具
２２  ガラス層
２４  裏当て層
２６  打面
４０  全てフロートガラスのシステム
５０  本発明のガラスセラミック／ガラス積層体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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