(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する耐衝撃複合部材であって、
金属基複合材料からなる基体と、
網目状に形成され、前記基体に埋設されている金属メッシュと、を備えることを特徴とする耐衝撃複合部材。
【請求項２】
前記金属基複合材料は、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４のうちの少なくとも一つのセラミックで形成され、４５％以上７０％以下の体積率を有する強化材と、前記強化材を内包し、アルミニウムおよびマグネシウムの少なくとも一方からなる母材とを含むことを特徴とする請求項１記載の耐衝撃複合部材。
【請求項３】
前記金属メッシュの網目を形成する線の線径は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の耐衝撃複合部材。
【請求項４】
前記金属メッシュは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の目開きを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の耐衝撃複合部材。
【請求項５】
前記金属メッシュは、炭素鋼、ステンレス、ニッケル基合金またはチタンのいずれかにより形成されていることを特徴としている請求項１から請求項４のいずれかに記載の耐衝撃複合部材。
【請求項６】
前記金属メッシュは、複数枚重ねて埋設されており、
互いに隣接する前記金属メッシュ同士の間隔は、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の耐衝撃複合部材。
【請求項７】
前記基体および金属メッシュにより層状に形成された本体層の少なくとも片面に、前記金属基複合材料に含まれる金属と同組成で、接合層を介さず一体化して形成される補助層を、更に備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の耐衝撃複合部材。
【請求項８】
金属基複合材料の基体と金属メッシュとを備え、衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する耐衝撃複合部材の製造方法であって、
容器内に金属メッシュを設置するメッシュ設置工程と、
前記金属基複合材料の強化材に用いるセラミック粉末のスラリーを流し込むスラリー流入工程と、
前記流し込まれたスラリーを脱型し仮焼することでプリフォームを作製するプリフォーム作製工程と、
前記金属基複合材料の母材となる金属を溶融させ、その溶融金属を前記容器内に流し込む金属流入工程と、
前記溶融金属を前記プリフォームに浸透させる浸透工程と、を含むことを特徴とする耐衝撃複合部材の製造方法。
【請求項９】
前記設置工程では、各金属メッシュ間にプリフォームのスペーサーを設置して、複数の金属メッシュを設置することを特徴とする請求項８記載の耐衝撃複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する耐衝撃複合部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
銃弾による衝撃等、極めて局所的な衝撃に耐えうる耐衝撃部材には、繊維、高強度鋼、セラミックス、セラミック焼結体と固化材との複合材料およびそれらを組み合わせたものを材料として使用する部材が提案されている（たとえば特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１記載の耐衝撃性繊維強化複合材は、高強度繊維にて形成される繊維シートと、マトリックス樹脂とを有し、マトリックス樹脂として、エチレン−メタクリル酸共重合体の分子間を金属イオンで架橋したアイオノマー樹脂を含有する。また、特許文献２記載の耐多重脅威貫通性物品は、繊維から製造され、それぞれ熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、またはそれらの混合物を含んでなるポリマーマトリックスで実質的に囲まれた布の複数の層と、含浸された、繊維から製造された布の複数の層と繊維から製造された織布の複数の層とを含んで形成されている。
【特許文献１】国際公開第０４／０６８０５９号パンフレット
【特許文献２】特表２００５−５１３２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、繊維を用いた部材では硬度が小さく、高強度鋼の部材では重量が大きく、セラミック部材では破壊靱性が小さい。したがって、上記のような材料では、軽量であって、銃弾などの貫通を阻止し、かつ銃弾による割れや破片の飛散を防止することができない。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、硬度や破壊靱性が大きく、割れても破片が飛散し難い軽量な耐衝撃複合部材および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】
【０００６】
（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る耐衝撃複合部材は、衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する耐衝撃複合部材であって、金属基複合材料からなる基体と、網目状に形成され、前記基体に埋設されている金属メッシュと、を備えることを特徴としている。
【０００７】
このように、本発明の耐衝撃複合部材は、基体に金属基複合材料を用いているため、軽量で、その硬度や破壊靱性が大きくなる。また、金属メッシュが埋設されているため、割れたときに破片が飛散し難い。その結果、たとえば銃弾が当たったとき、銃弾を破壊してその貫通を阻止し、割れた破片の飛散を防止する。
【０００８】
（２）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記金属基複合材料は、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４のうちの少なくとも一つのセラミックで形成され、４５％以上７０％以下の体積率を有する強化材と、前記強化材を内包し、アルミニウムおよびマグネシウムの少なくとも一方からなる母材とを含むことを特徴としている。
【０００９】
このように、金属基複合材料は、４５％以上７０％以下の体積率でＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮのうちの少なくとも一つのセラミックを強化材として含む。これにより、基体の強度、硬度、靭性等が向上し、耐衝撃複合部材は割れ難くなる。
【００１０】
（３）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記金属メッシュの網目を形成する線の線径は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることを特徴としている。これにより、基体が割れた場合でも基体の破片が飛散しにくくなるとともに、金属基複合材料の特性を損なわない。
【００１１】
（４）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記金属メッシュは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の目開きを有することを特徴としている。たとえばピアノ線のような強度の高い金属線により形成された金属メッシュが用いられた場合には、このように目開きを細かくすることで弾丸の貫通を防止する機能が向上する。
【００１２】
（５）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記金属メッシュは、炭素鋼、ステンレス、ニッケル基合金またはチタンのいずれかにより形成されていることを特徴としている。このような強度の高い材質の金属メッシュを用いることで、たとえば弾丸等の貫通防止力が向上する。
【００１３】
（６）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記金属メッシュは、複数枚重ねて埋設されており、互いに隣接する前記金属メッシュ同士の間隔は、５ｍｍ以下であることを特徴としている。これにより、各金属メッシュの面に垂直な亀裂が入りにくくなり、さらに破片の飛散が防止される。
【００１４】
（７）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記基体および金属メッシュにより層状に形成された本体層の少なくとも片面に、前記金属基複合材料に含まれる金属と同組成で、接合層を介さず一体化して形成される補助層を、更に備えることを特徴としている。
【００１５】
これにより、本体層が割れた場合でも、その片面の補助層により破片が飛散しにくくなる。また、補助層は、金属基複合材料に含まれる金属と同組成で形成され、一体に形成可能であるため、両層の間に接合層を介さずに製造可能である。したがって、製造が容易になる。
【００１６】
（８）また、本発明に係る耐衝撃複合部材の製造方法は、金属基複合材料の基体と金属メッシュとを備え、衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する耐衝撃複合部材の製造方法であって、容器内に金属メッシュを設置するメッシュ設置工程と、前記金属基複合材料の強化材に用いるセラミック粉末のスラリーを流し込むスラリー流入工程と、前記流し込まれたスラリーを脱型し仮焼することでプリフォームを作製するプリフォーム作製工程と、前記金属基複合材料の母材となる金属を溶融させ、その溶融金属を前記容器内に流し込む金属流入工程と、前記溶融金属を前記プリフォームに浸透させる浸透工程と、を含むことを特徴としている。
【００１７】
このように本発明の耐衝撃複合部材の製造方法では、金属メッシュを設置しておき、プリフォームで金属メッシュを埋めて、母材の溶融金属を浸透させる。これにより、容易に硬度や靭性の優れた耐衝撃複合部材を製造することができる。
【００１８】
（９）また、本発明に係る耐衝撃複合部材は、前記設置工程では、各金属メッシュ間にプリフォームのスペーサーを設置して、複数の金属メッシュを設置することを特徴としている。これにより、容易に、複数の金属メッシュ間の間隔を調整して耐衝撃複合部材を製造することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、基体に金属基複合材料を用いているため、軽量で、その硬度や破壊靱性が大きくなる。また、金属メッシュが埋設されているため、割れたときに破片が飛散し難い。その結果、たとえば銃弾が当たったとき、銃弾を破壊してその貫通を阻止し、割れた破片の飛散を防止する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２１】
［実施形態１］
（耐衝撃複合部材の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ耐衝撃複合部材１を示す平面図および断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す断面１ｂを矢印方向に見た図である。耐衝撃複合部材１は、衝撃に対して破壊または破片飛散を防止する部材であり、防弾チョッキや防弾壁等に用いられる。図１に示すように、耐衝撃複合部材１は、基体２および金属メッシュ３から構成されている。耐衝撃複合部材１は、金属メッシュ３が埋設されているため、基体２が割れたときでも破片が飛散し難い。また、衝撃を分散させる効果もある。
【００２２】
基体２は、セラミックスの強化材および金属の母材から構成される金属基複合材料である。このように、基体２に金属基複合材料を用いているため、耐衝撃複合部材１は軽量であり、金属基複合材料は、強化材と、強化材を内包する金属の母材で形成される。これにより、基体２の強度、硬度、靭性等が向上し、耐衝撃複合部材１は割れ難くなる。強化材は、基体２において４５％以上７０％以下の体積率であることが好ましい。また、強化材は、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４のうちの少なくとも一つのセラミックスで形成されることが好ましい。金属基複合材料の母材は、アルミニウムおよびマグネシウムの少なくとも一方で形成されることが好ましい。たとえば、本発明者らによりＳｉＣの強化材とアルミニウムの母材とを有する金属基複合材料を用いた耐衝撃複合部材１を形成した実験がすでに行われている。なお、金属には、金属単体および金属合金が含まれる。
【００２３】
金属メッシュ３は、複数の金属製の線により網目状に形成された網目部材、またはエキスパンドメタルの様に薄板にスリットを入れ、引き延ばした網目部材である。金属メッシュ３は、基体２の内部に複数枚重ねて埋設されている。金属メッシュ３の網目を形成する線の線径は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、特に約０．６ｍｍのものが適している。金属メッシュ３は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の目開きを有する。これにより、基体２が割れた場合でも基体２の破片が飛散しにくくなり、割れの進展も防止されるため、基体２の金属基複合材料の特性が損なわれ難くなる。なお、金属メッシュ３の目開きは、５．５６ｍｍ以下であることが好ましい。標準的な細身の弾丸の径が５．５６ｍｍであるため、金属メッシュ３の目開きを５．５６ｍｍ以下とすることで弾丸の貫通を防止する機能が向上する。その場合には、たとえばピアノ線のような強度の高い金属線により形成された金属メッシュ３が用いられた場合には、さらに効果がある。
【００２４】
金属メッシュ３の網目を形成する線は、１０％以上の延性を有する金属で形成されており、たとえば、炭素鋼、ステンレス、ニッケル基合金またはチタンのいずれかにより形成されている。これにより、基体２が割れた場合でも金属の延性により基体２の破片が飛散しにくくなる。金属メッシュ３の材料は、金属基複合材料の母材の溶融金属３６に溶け出したり反応したりすることのないものが好ましい。金属メッシュ３の材料は、金属基複合材料の母材の金属とは異なる。
【００２５】
基体２には、複数枚の金属メッシュ３が埋設されている。これにより、各金属メッシュ３の埋設面に垂直な亀裂が入りにくくなり、さらに破片の飛散が防止される。また、互いに隣接する金属メッシュ同士の間隔は、５ｍｍ以下である。金属メッシュ同士の間隔は、５ｍｍ以下２ｍｍ以上であることが好ましい。なお、金属メッシュ３の目の向きを交互に変えて埋設することで銃弾等の貫通防止効果を高めることができる。
【００２６】
（耐衝撃複合部材の製造方法）
次に上記のように構成されている耐衝撃複合部材１の製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ｄ）〜（ｆ）、図４（ｇ）〜（ｉ）は、耐衝撃複合部材１の製造工程を示す断面図である。まず、金属基複合材料の強化材に用いるセラミック粉末のスラリー１６を作製する（スラリー作製工程）。次に、ゴム型１０内に金属メッシュ３を設置する（メッシュ設置工程）。プリフォームのピース１３をスペーサーとして各金属メッシュ３の間に設置して、複数の金属メッシュ３を、所定間隔を置きながら重ねて設置するのが好ましい。なお、プリフォームのピース１３を置かずに金属メッシュ３を重ねてもよい。プリフォームのピース１３は、強化材として用いるセラミック粉末の成形体を仮焼したものである。このピース１３により、金属メッシュ３の間隔を調整して耐衝撃性に優れた耐衝撃複合部材１を製造することができる。
【００２７】
次に、図２（ａ）に示すように、上記のスラリー１６を石膏型等の吸水性の型１０に流し込む（スラリー流入工程）。スラリー１６は均一に行き渡りセラミックパウダーが金属メッシュ３の網目に入る。このように、設置した金属メッシュ３にスラリー１６を行き渡らせることで、硬度や靭性の優れた耐衝撃複合部材１を製造することができる。吸水された成形体３１は脱型される（脱型工程）。
【００２８】
脱型した成形体３１を、図３（ｄ）に示すように、炉３０において８００℃以上で仮焼することにより、プリフォーム４１を作製する（プリフォーム作製工程）。この際に、必要があれば、プリフォーム４１を所望の形状に生加工することができる。金属の浸透前に加工するため、加工が簡易である。次に、プリフォーム４１を６００℃以上（浸透させる金属の融点以上の温度）で予熱する。予熱したプリフォーム４１を金属浸透用の型４０に設置する。そして、図３（ｅ）に示すように、6００℃以上の溶融金属３６を型４０に流し込む（金属流入工程）。溶融金属３６は、金属基複合材料の母材となるものを用いる。そして、図３（ｆ）に示すように、6００℃以上の溶融金属３６を１０ＭＰａ以上の圧力で加圧して、プリフォーム４１に浸透させる（浸透工程）。溶融金属の流し込みから浸透までの時間は短いため、金属メッシュ３の金属が溶融金属３６に拡散することはない。
【００２９】
浸透工程後、図４（ｇ）に示すように、型４０から得られた加工前の耐衝撃複合部材５１を脱型する。このとき得られたものは、金属基複合材料の部分が金属部分５５に覆われた部材である。そして、図４（ｈ）に示すように、側面の金属部分５５を削除する加工を行う（加工工程）。これにより、後述する二層の耐衝撃複合部材６１を製造することができる。耐衝撃複合部材６１は、本体層６４と補助層６５（金属部分５５）から構成されている。さらに、図４（ｉ）に示すように、二層の耐衝撃複合部材６１の金属部分５５を削除することにより、図１に示すような耐衝撃複合部材１が得られる。本体層６４のみ残すことで薄くて軽い耐衝撃複合部材１が得られる。
【００３０】
耐衝撃複合部材６１は、たとえば銃弾による極めて大きな局所的衝撃に対し、弾丸を破壊するのに十分な硬度、弾性率を有する金属基複合材料により弾丸の貫通を防止することができる。金属基複合材料が破壊されることにより局所的に生じた衝撃エネルギーが分散するため、たとえば防弾服などに用いた場合、人体への影響を最小限に抑えることも可能である。さらに内包している網目状の金属材料が金属基複合材料の飛散を防止することにより、機関銃などにより連続して撃ち込まれる数発の弾丸による衝撃防止にも効果的である。
【００３１】
また、耐衝撃複合部材１は、高強度鋼ほどの硬度や剛性率を有していないが、弾丸を破壊し貫通を防止するには十分な特性を有している。その一方で、耐衝撃複合部材１は、軽量であり、たとえばＳｉＣの強化材とアルミニウムの母材で構成された複合材料が用いられた場合、耐衝撃複合部材１の重量は高強度鋼のものの４０％以下である。耐衝撃複合部材１の破壊靭性もセラミックスのものより高い。たとえば弾丸の衝撃により、耐衝撃複合部材１に破壊は生じるがセラミック部材ほど粉々になることは無い。さらには、耐衝撃複合部材１は内包する網目状の金属メッシュ３により破壊された部材の飛散が防止される。
【００３２】
［実施形態２］
上記の耐衝撃複合部材１は、その全体が基体２および金属メッシュ３により層状に形成されているが、このような層を本体層６４としての本体層６４の少なくとも片面に、更に金属の補助層６５を備えていてもよい。図５は、補助層６５を備える耐衝撃複合部材６１の断面図である。耐衝撃複合部材６１の補助層６５は、金属基複合材料に含まれる金属と同組成で接合層を介さず一体化して形成されている。これにより、本体層６４が割れた場合でも、その片面の補助層６５により破片が飛散しにくくなる。また、補助層６５により十分に衝撃が吸収される。たとえば防弾服などに用いた場合、本体層６４の複合材料の破壊時の衝撃を金属が吸収し、さらに人体への影響を抑える効果がある。
【００３３】
このような耐衝撃複合部材６１を製造するには、あらかじめ本体層６４の厚みに設計されたプリフォーム４１を用意しておき、上記の実施形態の製造工程と同様にプリフォーム４１への浸透分と補助層６５の分の溶融金属３６をプリフォーム４１に浸透させる。そして、型４０から取り出した耐衝撃複合部材５１に、補助層６５となる金属部分５５を残して加工することで、耐衝撃複合部材６１が得られる。なお、補助層６５は、金属基複合材料に含まれる金属と同組成で形成され、一体に形成されるため、両層の間に接合層を介さずに製造可能である。また、一体に形成するため、低コストで製造することができる。
【００３４】
なお、上記の例では、本体層６４および補助層６５が同じ金属の母材により一体化しているが、本体層６４に別の金属による板状体を接合してもよい。その場合には、弾丸の貫通阻止能力が向上し、接合層により衝撃の吸収を高めることができる。
【実施例】
【００３５】
耐衝撃複合部材１について、ＮＩＪ規格に準じる防弾試験を行った。ＳｉＣを強化材とし、アルミニウムを母材とする基体２に、ステンレス製の金属メッシュ３を埋設した耐衝撃複合部材１を用いた。ステンレス製の金属メッシュ３として、線径０．６１ｍｍで、目開き２．５７ｍｍのものを用いた。実施例として２つの耐衝撃複合部材１の板状体を作製し、一方にはステンレス製の金属メッシュ３を間隔２ｍｍで４枚重ねて埋設し、他方にはステンレス製の金属メッシュ３を間隔なしで８枚重ねて埋設した。耐衝撃複合部材１の板状体の厚みは、１０ｍｍに調整した。また、比較例として、上記の耐衝撃複合部材１と同様の金属基複合材料で形成され、金属メッシュ３を埋設していない同じ寸法の板状体を作製した。
【００３６】
このように構成された衝撃複合部材１の板状体と、金属基複合材料で形成され金属メッシュ３を埋設していない同じ寸法の板状体を準備した。そして、それぞれの板状体の４つの角を金属枠で固定し、板状体の中央に銃弾を撃ち込んだ。７．６２ｍｍ弾を速度８００ｍｍ／ｓｅｃで狙撃した。
【００３７】
その結果、金属メッシュ３を埋設していない板状体は、着弾部に穴があき、穴から放射状に板状体の周縁まで亀裂が生じ、バラバラとなった。一方、衝撃複合部材１の板状体については、いずれも着弾部に穴が開いたものの、穴の周辺に亀裂が発生せず、板状体が割れることはなかった。したがって、衝撃複合部材１については、割れたときに破片が飛散し難いことが分かった。また、機関銃などにより連続して撃ち込まれる数発の弾丸による衝撃防止にも効果的であることが示された。なお、この結果から、耐衝撃複合部材１の耐衝撃レベルは、ＮＩＪ規格でレベル３に相当することが分かった。このように、本発明の衝撃複合部材１が耐衝撃性に優れ、割れの進展や破片の飛散を防止する効果があることが実証された。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】（ａ）、（ｂ）それぞれ実施形態１に係る耐衝撃複合部材を示す平面図および断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）実施形態１に係る耐衝撃複合部材の製造工程を示す断面図である。
【図３】（ｄ）〜（ｆ）実施形態１に係る耐衝撃複合部材の製造工程を示す断面図である。
【図４】（ｇ）〜（ｉ）実施形態１に係る耐衝撃複合部材の製造工程を示す断面図である。
【図５】実施形態２に係る耐衝撃複合部材を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  耐衝撃複合部材
２  基体
３  金属メッシュ
１０  ゴム型
１３  ピース
１６  スラリー
２５  振動台
３０  炉
３１  成形体
３６  溶融金属
４０  型
４１  プリフォーム
５１  加工前の耐衝撃複合部材
５５  金属部分
６１  二層の耐衝撃複合部材
６４  本体層
６５  補助層
【図１】
0004958240.tif 000002
【図２】
0004958240.tif 000003
【図３】
0004958240.tif 000004
【図４】
0004958240.tif 000005
【図５】
0004958240.tif 000006