防護部材およびこれを用いた防護装置
【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が、それらに対して、十分に防護できる防護部材を提供する。
【解決手段】受衝部２をセラミックスで構成し、受衝部２の裏面側に位置する基部３を受衝部２より熱膨張係数の低い材質で構成した防護部材１とすることにより、基部３には圧縮力がかかった状態が維持されるため、着弾した銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能が向上する。また、受衝面２ａで発生したクラックの進行は、基部３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。
【解決手段】受衝部２をセラミックスで構成し、受衝部２の裏面側に位置する基部３を受衝部２より熱膨張係数の低い材質で構成した防護部材１とすることにより、基部３には圧縮力がかかった状態が維持されるため、着弾した銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能が向上する。また、受衝面２ａで発生したクラックの進行は、基部３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。
【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制限して人体，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，防弾板等の防護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在使用されている防護部材は、軽量化が要求されるとともに、銃弾や砲弾等によって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、炭化硼素セラミックス，炭化珪素セラミックス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、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が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、多角形のセラミックタイルであって、該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、このセラミックスタイルが、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が記載されている。
【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、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、さらに防護性能に優れ軽量な防護部材が望まれている。
【０００６】
本発明の目的は、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、受衝部を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熱膨張係数の低い材質で構成したことを特徴とする。また、前記基部の裏面側に、該基部を補強する補強部を配置し、該補強部は前記基部より熱膨張係数の高い材質で構成するとよい。また、前記補強部を構成する材質が前記受衝部を構成するセラミックスと同一材質であるとよい。また、前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化硼素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が炭化珪素であるとよい。また、前記受衝部を構成する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るとよい。また、前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化珪素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が窒化珪素であるとよい。また、受衝面を凸状曲面とするとよい。
【０００８】
本発明の防護装置は、基体上に上記の防護部材の複数を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の防護部材によれば、受衝部を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熱膨張係数の低い材質で構成したことから、基部には銃弾や砲弾が着弾する方向に対して垂直な方向から圧縮力がかかった状態が維持されているため、銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能が向上する。
【００１０】
また、本発明の防護部材によれば、前記基部の裏面側に、該基部を補強する補強部を配置し、該補強部は前記基部より熱膨張係数の高い材質で構成したときには、基部には銃弾や砲弾が着弾する方向に対して垂直な方向からより高い圧縮力がかかった状態が維持されているため、銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能はさらに向上する。
【００１１】
また、本発明の防護部材によれば、前記補強部を構成する材質が前記受衝部を構成するセラミックスと同一材質であるときには、基部の厚み方向の両側で同等の圧縮力が基部にかかっているので、銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能はさらに向上する。
【００１２】
また、本発明の防護部材によれば、前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化硼素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が炭化珪素であるときには、両者とも比重が小さいので、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。また、炭化硼素を主成分とするセラミックスの熱膨張係数と炭化珪素を主成分とするセラミックスの熱膨張係数との差は小さいので、焼成工程後にクラックが入りにくく、好適である。
【００１３】
また、本発明の防護部材によれば、前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化硼素であって、こ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ときには、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、セラミックス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しているので、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。
【００１４】
また、本発明の防護部材によれば、前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化珪素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が窒化珪素であるときには、炭化珪素を主成分とするセラミックスの熱膨張係数と窒化係数を主成分とするセラミックスの熱膨張係数の差は小さいので、焼成工程後にクラックが入りにくく、好適である。また、基部を構成するセラミックスは、主成分が窒化珪素であることから、基部は破壊靱性が高くなり、銃弾や砲弾が着弾してもクラックは進行しにくい。
【００１５】
さらに、本発明の防護部材によれば、受衝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を滑るように着弾するので、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。
【００１６】
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減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
図１に示す防護部材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２ａを有する受衝部２をセラミックスで構成し、受衝部２の裏面２ｂ側に位置する基部３を受衝部２より熱膨張係数の低い材質で構成したものであり、受衝部２と基部３とは、例えば、焼結により直接接合されている。このような構成にすることにより、基部３には銃弾や砲弾が着弾する方向に対して垂直な方向から圧縮力がかかった状態が維持されているため、銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能が向上する。
【００２０】
図２に示す防護部材１は、図１に示す防護部材１とほぼ同様の構成であるが、受衝部２が基部３に対向する面（裏面）２ｂと基部３が受衝部２に対向する面３ａとが結合層４を介して接合されている点が異なる。この結合層４は薄いため、基部３にかけられている圧縮力を損なうことはほとんどなく、例えば、その厚みは１μｍ以上４μｍ以下であり、シアノアクリレート系樹脂，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種から形成することが好適である。
【００２１】
図３に示す防護部材１は、図１に示す防護部材１とほぼ同様の構成であるが、受衝面２ａを凸状曲面としている点が異なる。このような凸状曲面は銃弾や砲弾の飛翔してくる方向と受衝面２ａ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２ａ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。
【００２２】
特に、図１〜３に示す防護部材１は、受衝部２を構成するセラミックスの主成分が炭化硼素であって、基部３を構成するセラミックスの主成分が炭化珪素であるときには、両者とも比重が小さいので、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。
【００２３】
また、受衝部２は、銃弾や砲弾等の貫通を制限する性能が求められることから、受衝部２の硬度および剛性が高いほうが好適である。このような観点から、炭化硼素の含有量は高い程望ましく、この含有量は受衝部２を構成するセラミックス１００質量％に対して９０質量％以上、さらには９８質量％以上であることが望ましい。
【００２４】
なお本実施形態では、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。また、硬度，剛性および圧縮強度を高くするために、受衝部２を構成するセラミックスの緻密化が重要であり、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。
【００２５】
この炭化硼素を主成分とするセラミックスのビッカース硬度、ヤング率、破壊靱性および圧縮強度は、それぞれ２２ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下，３３０ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下，２ＭＰａ・ｍ１／２以上５ＭＰａ・ｍ１／２以下，１．５ＧＰａ以上５ＧＰａ以下であり、これら機械的特性はそれぞれＪＩＳ Ｒ １６１０−２００３、ＪＩＳ Ｒ １６０２−１９９５、ＪＩＳ Ｒ １６０７−１９９５で規定される圧子圧入（ＩＦ）法またはＳＥＰＢ法、ＪＩＳ Ｒ １６０８−２００３に準拠して求めることができる。
【００２６】
ただし、セラミックスの厚みが薄く、前記ＪＩＳ規格で規定する試験片を受衝部２から切り出せない場合、受衝部２の厚みを試験片の厚みとしても差し支えない。
【００２７】
また、炭化硼素を主成分とするセラミックス（以下、炭化硼素セラミックスという。）の熱膨張係数と炭化珪素を主成分とするセラミックス（以下、炭化珪素セラミックスという。）の熱膨張係数との差は小さいので、焼成工程後にクラックが入りにくく、好適である。
【００２８】
例えば、炭化硼素セラミックスおよび炭化珪素セラミックスの４０〜４００℃における熱膨張係数は、それぞれ４．５×１０−６／℃以上６×１０−６／℃以下，３×１０−６／℃以上４×１０−６／℃以下とすることができ、これら熱膨張係数はＪＩＳ Ｒ １６１８−２００２に準拠して求めることができる。
【００２９】
また、本実施形態の防護部材１によれば、受衝部２を構成するセラミックスは、主成分が炭化硼素であって、炭化硼素を主成分とする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ときには、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ので、より好適である。
【００３０】
グラファイトおよび炭化珪素は、炭化硼素セラミックス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、炭化硼素セラミックス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、炭化硼素セラミックスの圧縮強度を高くすることができる。特に、炭化珪素の粉末はα型炭化珪素の粉末であることが好適であり、α型炭化珪素の粉末を用いることにより、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る。炭化硼素セラミックスに微小なクラックが入ったとしても、板状に成長した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。
【００３１】
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。
【００３２】
本実施形態の防護部材をなす炭化硼素セラミックスでは、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。
【００３３】
図５は、本実施形態の防護部材をなす炭化硼素セラミックスの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。
【００３４】
また、グラファイトは炭化硼素セラミックス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セラミックス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。
【００３５】
炭化硼素セラミックス中のグラファイト、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。
【００３６】
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。
【００３７】
次に、この検量線を用いて、炭化硼素セラミックスにおけるグラファイトの含有量を決定する。すなわち、炭化硼素セラミックスにＸ線を照射して得られる比Ｉ（Ｃ）／Ｉ（Ｂ４Ｃ）を求め、検量線から、炭化硼素セラミックス中のグラファイトの含有量を測定することができる。
【００３８】
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発光分析法によってＳｉの含有量を測定し、Ｓｉの全てがＳｉＣとなっているとみなして、ＳｉＣに換算し、その換算量を炭化珪素の含有量とすることができる。
【００３９】
また、図１〜３に示す防護部材１は、受衝部２を構成するセラミックスが炭化珪素セラミックスであって、基部３を構成するセラミックスの主成分が窒化珪素（以下、窒化珪素セラミックスという。）であるときには、炭化珪素セラミックスの熱膨張係数と窒化珪素セラミックスの熱膨張係数の差は小さいので、焼成工程後にクラックが入りにくく、好適である。また、基部３を構成するセラミックスは、主成分が窒化珪素であることから、基部３は破壊靱性が高くなり、銃弾や砲弾が着弾してもクラックは進行しにくい。
【００４０】
例えば、炭化珪素セラミックスおよび窒化珪素セラミックスの４０〜４００℃における熱膨張係数は、それぞれ３×１０−６／℃以上４×１０−６／℃以下，２×１０−６／℃以上３×１０−６／℃未満とすることができ、これら熱膨張係数はＪＩＳ Ｒ １６１８−２００２に準拠して求めることができる。
【００４１】
また、窒化珪素セラミックスの破壊靱性は、ＪＩＳ Ｒ １６０７−１９９５で規定される圧子圧入（ＩＦ）法またはＳＥＰＢ法に準拠して求めることができる。
【００４２】
また、基部３を窒化珪素セラミックスとした場合、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セラミックスに対して４〜２０体積％の範囲で含み、かつＦｅの珪化物粒子をＦｅ換算でセラミックスに対して０．０２〜３質量％含む窒化珪素セラミックスで形成することが好適である。
【００４３】
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、窒化珪素セラミックスを粒度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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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セラミックスに対して４〜２０体積％の範囲で含むことが好適である。なお、本実施形態では、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。
【００４７】
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。
【００４８】
また、粒界相のセラミックスに対する体積比率は、窒化珪素セラミックス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。
【００４９】
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）分光分析法によりセラミックス中の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、酸素分析法により酸素分析装置（ＬＥＣＯ社製，ＴＣ−１３６型）を用いてセラミックス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。セラミックス中の残部を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。
【００５０】
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、本実施形態で用いられる窒化珪素セラミックス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。
【００５１】
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。
【００５２】
また、窒化珪素セラミックス中のＦｅの珪化物粒子は、このセラミックス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換算でこのセラミックスに対して０．０２〜３質量％を含むことが好適である。
【００５３】
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、セラミックス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。
【００５４】
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。
【００５５】
このような防護部材１は軽量化が求められることから、受衝部２，基部３とも形状が平板状であることが好適で、例えば、受衝部２，基部３とも長さが１０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、幅が１０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、厚みが１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の平板である。
【００５６】
図７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。
【００５７】
図７に示す防護部材１は、基部３の裏面側に、基部３を補強する補強部５を配置し、補強部５は基部３より熱膨張係数の高い材質で構成されているものである。このような構成にすると、基部３には銃弾や砲弾が着弾する方向に対して垂直な方向からより高い圧縮力がかかった状態が維持されているため、銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能はさらに向上する。
【００５８】
特に、補強部５を構成する材質が受衝部２を構成するセラミックスと同一材質であるときには、基部３の厚み方向の両側で同等の圧縮力が基部にかかっているので、機械的特性の低下をほとんど招くことがなく、好適である。
【００５９】
なお、本実施形態で同じ材質とは、焼結助剤や不可避不純物まで同じ成分である必要はなく、主成分が同じ成分であることをいう。
【００６０】
図７に示す防護部材１も軽量化が求められることから、受衝部２，基部３とも形状が平板状であることが好適で、例えば、受衝部２，基部３および補強部５は、それぞれ長さが１０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、幅が１０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、厚みが１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の平板である。
【００６１】
上述した防護部材は、その性能から２種類に分類され、内部に爆発物質を含み、銃弾や砲弾等の飛翔体が着弾したときにその爆発物質が起爆して対抗する反応性防護部材と、銃弾や砲弾等の飛翔体が着弾してもその貫通を阻止する受動性防護部材とがあり、特に受動性防護部材として用いることが好適である。
【００６２】
また、本実施形態の防護部材は、基部３または補強部５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次被害を減少させることができるからである。
【００６３】
本実施形態の防護部材は、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。
【００６４】
ここで、本実施形態の防護部材の一例として、受衝部３を構成するセラミックスが炭化硼素セラミックスであって、基部５を構成するセラミックスが炭化珪素セラミックスである場合の製造方法について説明する。
【００６５】
第１に、平均粒径（Ｄ５０）が０．５〜２μｍである炭化硼素質粉末を準備する。準備する炭化硼素質粉末は、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、炭素、硼酸、無水硼酸、鉄、アルミニウム、珪素などが混入した粉末であってもよい。
【００６６】
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質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が、不純物の混入を少なくするために好ましい。
【００６７】
なお、グラファイトが炭化硼素セラミックスに対して、１質量％以上１０質量％以下、炭化珪素が炭化硼素セラミックスに対して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。
【００６８】
また、炭化硼素セラミックス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。
【００６９】
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、硼化チタン、硼化クロム、酸化ジルコニウムおよび酸化イットリウムの少なくともいずれか１種を添加してもよい。
【００７０】
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，イソプロパノール（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または窒化硼素，炭化珪素，窒化珪素，酸化ジルコニウムもしくは酸化アルミニウム等の各種セラミックス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セラミックスからなるメディア、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。
【００７１】
第３に、得られたスラリーを乾燥して炭化硼素を主成分とする顆粒（以下、炭化硼素質顆粒という。）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。
【００７２】
第４に、炭化珪素粉末に水，分散剤および炭化硼素粉末，フェノール樹脂等の焼結助剤を加え、ボールミルで混合，粉砕してスラリー化し、このスラリーにバインダを添加，混合した後、噴霧乾燥して炭化珪素を主成分とする顆粒（以下、炭化珪素質顆粒という。）を準備する。
【００７３】
炭化珪素セラミックスに対する硼素の含有量は、添加する炭化硼素粉末の影響を受け、炭化珪素セラミックス１００質量％に対し、硼素の含有量を０．１質量％以上０．５質量％以下とするには、炭化硼素粉末の含有量を炭化珪素粉末に対して、０．１２質量％以上０．６４質量％以下とすればよい。
【００７４】
第５に、炭化珪素質顆粒，炭化硼素質顆粒を順次成形型に充填し、公知の成形方法、例えば乾式加圧成形法または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制限できる構造を有する防護部材を作製するためには、焼成後に受衝面となる面を凸状曲面とすることが好適である。
【００７５】
第６に、温度５００〜９００℃で窒素雰囲気中または真空雰囲気中でバインダを脱脂する。
【００７６】
第７に、焼成炉として黒鉛製の抵抗発熱体により加熱する焼成炉を用い、この焼成炉中に脱脂体を配置する。好ましくは、脱脂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脱脂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）の付着を減少させるためであり、さらには成形体からの揮発成分の飛散を減少させるためである。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、さらには脱脂体全体を焼成用治具で囲うことが好ましい。
【００７７】
第８に、焼成用治具に載置した脱脂体を焼成炉内に配置し、アルゴンガス中，ヘリウムガス中または真空中で、１８００℃以上２０００℃未満の温度域で１０分〜１０時間保持（前記第１の工程）した後、２０００℃以上２３５０℃以下の温度で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ヘリウムガス中で保持することが望ましい。
【００７８】
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。
【００７９】
上述した製造方法により、受衝部２を構成するセラミックスが炭化硼素セラミックスであって、基部３を構成するセラミックスが炭化珪素セラミックスである本実施形態の防護部材を得ることができる。
【００８０】
また、補強部５を基部３の裏面側に配置し、補強部５を炭化硼素セラミックスで構成する場合には、上述した噴霧乾燥により得られた炭化硼素質顆粒，炭化珪素質顆粒および炭化硼素質顆粒を順次成形型に充填し、上述した成形方法、脱脂方法および焼成方法を用いればよい。
【００８１】
次に、防護部材の他の例として、受衝部２を構成するセラミックスが炭化珪素セラミックスであって、基部３を構成するセラミックスが窒化珪素セラミックスである場合の製造方法について説明する。
【００８２】
第１に、上述した方法と同様の方法で、炭化珪素質顆粒を準備する。
【００８３】
第２に、炭化珪素質顆粒を所定の成形型に充填し、公知の成形方法、例えば乾式加圧成形法または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制限できる構造を有する防護部材を作製するためには、焼成後に受衝面となる面を凸状曲面とすることが好適である。
【００８４】
第３に、窒素雰囲気中、１０〜４０時間で昇温し、４５０〜６５０℃で２〜１０時間保持後、自然冷却して脱脂する。
【００８５】
第４に、たとえば、不活性ガスの雰囲気中、温度１８００〜２２００℃で、１〜１０時間保持することで炭化珪素セラミックスを得ることができ、さらに、温度１８００〜２２００℃で加圧力を２０〜５０ＭＰａとして、ホットプレスをしてもよい。
【００８６】
第５に、基部３が窒化珪素セラミックスで構成される場合、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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
β化率＝｛Ｉβ／（Ｉα＋Ｉβ）｝×１００ （％）
窒化珪素質粉末のβ化率は、窒化珪素セラミックス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。
【００９１】
窒化珪素質粉末の粉砕で用いるメディアは、窒化珪素，ジルコニア，アルミナ等の各種セラミックス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セラミックスからなるメディアが好適である。
【００９２】
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。
【００９３】
第６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窒化珪素を主成分とする顆粒（以下、窒化珪素質顆粒という。）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等を用いた噴霧乾燥法により乾燥させてもよく、他の方法であってもよい。
【００９４】
第７に、窒化珪素質顆粒を成形型に充填した後、上述の方法で得られた炭化珪素セラミックスを窒化珪素質顆粒上に載置し、窒素雰囲気中、ホットプレス法により１７００℃以上１８００℃未満で２０〜４０ＭＰａの圧力を加えながら、１〜２時間保持する。
【００９５】
上述した製造方法により、受衝部２を構成するセラミックスが炭化珪素セラミックスであって、基部３を構成するセラミックスが窒化珪素セラミックスである防護部材を得ることができる。
【００９６】
また、補強部５を基部３の裏面側に配置し、補強部５を炭化珪素セラミックスで構成する場合には、上述した炭化珪素セラミックス，窒化珪素質顆粒および炭化珪素セラミックスを順次成形型に充填し、上述した焼成方法を用いればよい。
【００９７】
さらに、本実施形態の防護装置は、上述の方法で得られた防護部材１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減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【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】防護部材を構成する炭化硼素セラミックスの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。
【図７】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。
【符号の説明】
【００９９】
１：防護部材
２：受衝部
３：基部
４：結合層
５：補強部
【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制限して人体，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，防弾板等の防護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在使用されている防護部材は、軽量化が要求されるとともに、銃弾や砲弾等によって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、炭化硼素セラミックス，炭化珪素セラミックス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、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が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、多角形のセラミックタイルであって、該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、このセラミックスタイルが、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が記載されている。
【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、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、さらに防護性能に優れ軽量な防護部材が望まれている。
【０００６】
本発明の目的は、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、受衝部を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熱膨張係数の低い材質で構成したことを特徴とする。また、前記基部の裏面側に、該基部を補強する補強部を配置し、該補強部は前記基部より熱膨張係数の高い材質で構成するとよい。また、前記補強部を構成する材質が前記受衝部を構成するセラミックスと同一材質であるとよい。また、前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化硼素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が炭化珪素であるとよい。また、前記受衝部を構成する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るとよい。また、前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化珪素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が窒化珪素であるとよい。また、受衝面を凸状曲面とするとよい。
【０００８】
本発明の防護装置は、基体上に上記の防護部材の複数を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の防護部材によれば、受衝部を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熱膨張係数の低い材質で構成したことから、基部には銃弾や砲弾が着弾する方向に対して垂直な方向から圧縮力がかかった状態が維持されているため、銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能が向上する。
【００１０】
また、本発明の防護部材によれば、前記基部の裏面側に、該基部を補強する補強部を配置し、該補強部は前記基部より熱膨張係数の高い材質で構成したときには、基部には銃弾や砲弾が着弾する方向に対して垂直な方向からより高い圧縮力がかかった状態が維持されているため、銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能はさらに向上する。
【００１１】
また、本発明の防護部材によれば、前記補強部を構成する材質が前記受衝部を構成するセラミックスと同一材質であるときには、基部の厚み方向の両側で同等の圧縮力が基部にかかっているので、銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能はさらに向上する。
【００１２】
また、本発明の防護部材によれば、前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化硼素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が炭化珪素であるときには、両者とも比重が小さいので、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。また、炭化硼素を主成分とするセラミックスの熱膨張係数と炭化珪素を主成分とするセラミックスの熱膨張係数との差は小さいので、焼成工程後にクラックが入りにくく、好適である。
【００１３】
また、本発明の防護部材によれば、前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化硼素であって、こ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ときには、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、セラミックス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しているので、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。
【００１４】
また、本発明の防護部材によれば、前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化珪素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が窒化珪素であるときには、炭化珪素を主成分とするセラミックスの熱膨張係数と窒化係数を主成分とするセラミックスの熱膨張係数の差は小さいので、焼成工程後にクラックが入りにくく、好適である。また、基部を構成するセラミックスは、主成分が窒化珪素であることから、基部は破壊靱性が高くなり、銃弾や砲弾が着弾してもクラックは進行しにくい。
【００１５】
さらに、本発明の防護部材によれば、受衝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を滑るように着弾するので、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。
【００１６】
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減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
図１に示す防護部材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２ａを有する受衝部２をセラミックスで構成し、受衝部２の裏面２ｂ側に位置する基部３を受衝部２より熱膨張係数の低い材質で構成したものであり、受衝部２と基部３とは、例えば、焼結により直接接合されている。このような構成にすることにより、基部３には銃弾や砲弾が着弾する方向に対して垂直な方向から圧縮力がかかった状態が維持されているため、銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能が向上する。
【００２０】
図２に示す防護部材１は、図１に示す防護部材１とほぼ同様の構成であるが、受衝部２が基部３に対向する面（裏面）２ｂと基部３が受衝部２に対向する面３ａとが結合層４を介して接合されている点が異なる。この結合層４は薄いため、基部３にかけられている圧縮力を損なうことはほとんどなく、例えば、その厚みは１μｍ以上４μｍ以下であり、シアノアクリレート系樹脂，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種から形成することが好適である。
【００２１】
図３に示す防護部材１は、図１に示す防護部材１とほぼ同様の構成であるが、受衝面２ａを凸状曲面としている点が異なる。このような凸状曲面は銃弾や砲弾の飛翔してくる方向と受衝面２ａ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２ａ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。
【００２２】
特に、図１〜３に示す防護部材１は、受衝部２を構成するセラミックスの主成分が炭化硼素であって、基部３を構成するセラミックスの主成分が炭化珪素であるときには、両者とも比重が小さいので、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。
【００２３】
また、受衝部２は、銃弾や砲弾等の貫通を制限する性能が求められることから、受衝部２の硬度および剛性が高いほうが好適である。このような観点から、炭化硼素の含有量は高い程望ましく、この含有量は受衝部２を構成するセラミックス１００質量％に対して９０質量％以上、さらには９８質量％以上であることが望ましい。
【００２４】
なお本実施形態では、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。また、硬度，剛性および圧縮強度を高くするために、受衝部２を構成するセラミックスの緻密化が重要であり、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。
【００２５】
この炭化硼素を主成分とするセラミックスのビッカース硬度、ヤング率、破壊靱性および圧縮強度は、それぞれ２２ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下，３３０ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下，２ＭＰａ・ｍ１／２以上５ＭＰａ・ｍ１／２以下，１．５ＧＰａ以上５ＧＰａ以下であり、これら機械的特性はそれぞれＪＩＳ Ｒ １６１０−２００３、ＪＩＳ Ｒ １６０２−１９９５、ＪＩＳ Ｒ １６０７−１９９５で規定される圧子圧入（ＩＦ）法またはＳＥＰＢ法、ＪＩＳ Ｒ １６０８−２００３に準拠して求めることができる。
【００２６】
ただし、セラミックスの厚みが薄く、前記ＪＩＳ規格で規定する試験片を受衝部２から切り出せない場合、受衝部２の厚みを試験片の厚みとしても差し支えない。
【００２７】
また、炭化硼素を主成分とするセラミックス（以下、炭化硼素セラミックスという。）の熱膨張係数と炭化珪素を主成分とするセラミックス（以下、炭化珪素セラミックスという。）の熱膨張係数との差は小さいので、焼成工程後にクラックが入りにくく、好適である。
【００２８】
例えば、炭化硼素セラミックスおよび炭化珪素セラミックスの４０〜４００℃における熱膨張係数は、それぞれ４．５×１０−６／℃以上６×１０−６／℃以下，３×１０−６／℃以上４×１０−６／℃以下とすることができ、これら熱膨張係数はＪＩＳ Ｒ １６１８−２００２に準拠して求めることができる。
【００２９】
また、本実施形態の防護部材１によれば、受衝部２を構成するセラミックスは、主成分が炭化硼素であって、炭化硼素を主成分とする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ときには、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ので、より好適である。
【００３０】
グラファイトおよび炭化珪素は、炭化硼素セラミックス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、炭化硼素セラミックス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、炭化硼素セラミックスの圧縮強度を高くすることができる。特に、炭化珪素の粉末はα型炭化珪素の粉末であることが好適であり、α型炭化珪素の粉末を用いることにより、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る。炭化硼素セラミックスに微小なクラックが入ったとしても、板状に成長した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。
【００３１】
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。
【００３２】
本実施形態の防護部材をなす炭化硼素セラミックスでは、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。
【００３３】
図５は、本実施形態の防護部材をなす炭化硼素セラミックスの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。
【００３４】
また、グラファイトは炭化硼素セラミックス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セラミックス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。
【００３５】
炭化硼素セラミックス中のグラファイト、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。
【００３６】
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。
【００３７】
次に、この検量線を用いて、炭化硼素セラミックスにおけるグラファイトの含有量を決定する。すなわち、炭化硼素セラミックスにＸ線を照射して得られる比Ｉ（Ｃ）／Ｉ（Ｂ４Ｃ）を求め、検量線から、炭化硼素セラミックス中のグラファイトの含有量を測定することができる。
【００３８】
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発光分析法によってＳｉの含有量を測定し、Ｓｉの全てがＳｉＣとなっているとみなして、ＳｉＣに換算し、その換算量を炭化珪素の含有量とすることができる。
【００３９】
また、図１〜３に示す防護部材１は、受衝部２を構成するセラミックスが炭化珪素セラミックスであって、基部３を構成するセラミックスの主成分が窒化珪素（以下、窒化珪素セラミックスという。）であるときには、炭化珪素セラミックスの熱膨張係数と窒化珪素セラミックスの熱膨張係数の差は小さいので、焼成工程後にクラックが入りにくく、好適である。また、基部３を構成するセラミックスは、主成分が窒化珪素であることから、基部３は破壊靱性が高くなり、銃弾や砲弾が着弾してもクラックは進行しにくい。
【００４０】
例えば、炭化珪素セラミックスおよび窒化珪素セラミックスの４０〜４００℃における熱膨張係数は、それぞれ３×１０−６／℃以上４×１０−６／℃以下，２×１０−６／℃以上３×１０−６／℃未満とすることができ、これら熱膨張係数はＪＩＳ Ｒ １６１８−２００２に準拠して求めることができる。
【００４１】
また、窒化珪素セラミックスの破壊靱性は、ＪＩＳ Ｒ １６０７−１９９５で規定される圧子圧入（ＩＦ）法またはＳＥＰＢ法に準拠して求めることができる。
【００４２】
また、基部３を窒化珪素セラミックスとした場合、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セラミックスに対して４〜２０体積％の範囲で含み、かつＦｅの珪化物粒子をＦｅ換算でセラミックスに対して０．０２〜３質量％含む窒化珪素セラミックスで形成することが好適である。
【００４３】
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、窒化珪素セラミックスを粒度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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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セラミックスに対して４〜２０体積％の範囲で含むことが好適である。なお、本実施形態では、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。
【００４７】
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。
【００４８】
また、粒界相のセラミックスに対する体積比率は、窒化珪素セラミックス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。
【００４９】
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）分光分析法によりセラミックス中の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、酸素分析法により酸素分析装置（ＬＥＣＯ社製，ＴＣ−１３６型）を用いてセラミックス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。セラミックス中の残部を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。
【００５０】
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、本実施形態で用いられる窒化珪素セラミックス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。
【００５１】
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。
【００５２】
また、窒化珪素セラミックス中のＦｅの珪化物粒子は、このセラミックス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換算でこのセラミックスに対して０．０２〜３質量％を含むことが好適である。
【００５３】
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、セラミックス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。
【００５４】
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。
【００５５】
このような防護部材１は軽量化が求められることから、受衝部２，基部３とも形状が平板状であることが好適で、例えば、受衝部２，基部３とも長さが１０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、幅が１０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、厚みが１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の平板である。
【００５６】
図７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。
【００５７】
図７に示す防護部材１は、基部３の裏面側に、基部３を補強する補強部５を配置し、補強部５は基部３より熱膨張係数の高い材質で構成されているものである。このような構成にすると、基部３には銃弾や砲弾が着弾する方向に対して垂直な方向からより高い圧縮力がかかった状態が維持されているため、銃弾や砲弾の貫通を阻止する性能はさらに向上する。
【００５８】
特に、補強部５を構成する材質が受衝部２を構成するセラミックスと同一材質であるときには、基部３の厚み方向の両側で同等の圧縮力が基部にかかっているので、機械的特性の低下をほとんど招くことがなく、好適である。
【００５９】
なお、本実施形態で同じ材質とは、焼結助剤や不可避不純物まで同じ成分である必要はなく、主成分が同じ成分であることをいう。
【００６０】
図７に示す防護部材１も軽量化が求められることから、受衝部２，基部３とも形状が平板状であることが好適で、例えば、受衝部２，基部３および補強部５は、それぞれ長さが１０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、幅が１０ｍｍ以上４００ｍｍ以下、厚みが１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の平板である。
【００６１】
上述した防護部材は、その性能から２種類に分類され、内部に爆発物質を含み、銃弾や砲弾等の飛翔体が着弾したときにその爆発物質が起爆して対抗する反応性防護部材と、銃弾や砲弾等の飛翔体が着弾してもその貫通を阻止する受動性防護部材とがあり、特に受動性防護部材として用いることが好適である。
【００６２】
また、本実施形態の防護部材は、基部３または補強部５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次被害を減少させることができるからである。
【００６３】
本実施形態の防護部材は、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。
【００６４】
ここで、本実施形態の防護部材の一例として、受衝部３を構成するセラミックスが炭化硼素セラミックスであって、基部５を構成するセラミックスが炭化珪素セラミックスである場合の製造方法について説明する。
【００６５】
第１に、平均粒径（Ｄ５０）が０．５〜２μｍである炭化硼素質粉末を準備する。準備する炭化硼素質粉末は、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、炭素、硼酸、無水硼酸、鉄、アルミニウム、珪素などが混入した粉末であってもよい。
【００６６】
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質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が、不純物の混入を少なくするために好ましい。
【００６７】
なお、グラファイトが炭化硼素セラミックスに対して、１質量％以上１０質量％以下、炭化珪素が炭化硼素セラミックスに対して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。
【００６８】
また、炭化硼素セラミックス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。
【００６９】
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、硼化チタン、硼化クロム、酸化ジルコニウムおよび酸化イットリウムの少なくともいずれか１種を添加してもよい。
【００７０】
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，イソプロパノール（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または窒化硼素，炭化珪素，窒化珪素，酸化ジルコニウムもしくは酸化アルミニウム等の各種セラミックス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セラミックスからなるメディア、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。
【００７１】
第３に、得られたスラリーを乾燥して炭化硼素を主成分とする顆粒（以下、炭化硼素質顆粒という。）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。
【００７２】
第４に、炭化珪素粉末に水，分散剤および炭化硼素粉末，フェノール樹脂等の焼結助剤を加え、ボールミルで混合，粉砕してスラリー化し、このスラリーにバインダを添加，混合した後、噴霧乾燥して炭化珪素を主成分とする顆粒（以下、炭化珪素質顆粒という。）を準備する。
【００７３】
炭化珪素セラミックスに対する硼素の含有量は、添加する炭化硼素粉末の影響を受け、炭化珪素セラミックス１００質量％に対し、硼素の含有量を０．１質量％以上０．５質量％以下とするには、炭化硼素粉末の含有量を炭化珪素粉末に対して、０．１２質量％以上０．６４質量％以下とすればよい。
【００７４】
第５に、炭化珪素質顆粒，炭化硼素質顆粒を順次成形型に充填し、公知の成形方法、例えば乾式加圧成形法または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制限できる構造を有する防護部材を作製するためには、焼成後に受衝面となる面を凸状曲面とすることが好適である。
【００７５】
第６に、温度５００〜９００℃で窒素雰囲気中または真空雰囲気中でバインダを脱脂する。
【００７６】
第７に、焼成炉として黒鉛製の抵抗発熱体により加熱する焼成炉を用い、この焼成炉中に脱脂体を配置する。好ましくは、脱脂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脱脂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）の付着を減少させるためであり、さらには成形体からの揮発成分の飛散を減少させるためである。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、さらには脱脂体全体を焼成用治具で囲うことが好ましい。
【００７７】
第８に、焼成用治具に載置した脱脂体を焼成炉内に配置し、アルゴンガス中，ヘリウムガス中または真空中で、１８００℃以上２０００℃未満の温度域で１０分〜１０時間保持（前記第１の工程）した後、２０００℃以上２３５０℃以下の温度で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ヘリウムガス中で保持することが望ましい。
【００７８】
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。
【００７９】
上述した製造方法により、受衝部２を構成するセラミックスが炭化硼素セラミックスであって、基部３を構成するセラミックスが炭化珪素セラミックスである本実施形態の防護部材を得ることができる。
【００８０】
また、補強部５を基部３の裏面側に配置し、補強部５を炭化硼素セラミックスで構成する場合には、上述した噴霧乾燥により得られた炭化硼素質顆粒，炭化珪素質顆粒および炭化硼素質顆粒を順次成形型に充填し、上述した成形方法、脱脂方法および焼成方法を用いればよい。
【００８１】
次に、防護部材の他の例として、受衝部２を構成するセラミックスが炭化珪素セラミックスであって、基部３を構成するセラミックスが窒化珪素セラミックスである場合の製造方法について説明する。
【００８２】
第１に、上述した方法と同様の方法で、炭化珪素質顆粒を準備する。
【００８３】
第２に、炭化珪素質顆粒を所定の成形型に充填し、公知の成形方法、例えば乾式加圧成形法または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制限できる構造を有する防護部材を作製するためには、焼成後に受衝面となる面を凸状曲面とすることが好適である。
【００８４】
第３に、窒素雰囲気中、１０〜４０時間で昇温し、４５０〜６５０℃で２〜１０時間保持後、自然冷却して脱脂する。
【００８５】
第４に、たとえば、不活性ガスの雰囲気中、温度１８００〜２２００℃で、１〜１０時間保持することで炭化珪素セラミックスを得ることができ、さらに、温度１８００〜２２００℃で加圧力を２０〜５０ＭＰａとして、ホットプレスをしてもよい。
【００８６】
第５に、基部３が窒化珪素セラミックスで構成される場合、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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
β化率＝｛Ｉβ／（Ｉα＋Ｉβ）｝×１００ （％）
窒化珪素質粉末のβ化率は、窒化珪素セラミックス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。
【００９１】
窒化珪素質粉末の粉砕で用いるメディアは、窒化珪素，ジルコニア，アルミナ等の各種セラミックス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セラミックスからなるメディアが好適である。
【００９２】
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。
【００９３】
第６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窒化珪素を主成分とする顆粒（以下、窒化珪素質顆粒という。）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等を用いた噴霧乾燥法により乾燥させてもよく、他の方法であってもよい。
【００９４】
第７に、窒化珪素質顆粒を成形型に充填した後、上述の方法で得られた炭化珪素セラミックスを窒化珪素質顆粒上に載置し、窒素雰囲気中、ホットプレス法により１７００℃以上１８００℃未満で２０〜４０ＭＰａの圧力を加えながら、１〜２時間保持する。
【００９５】
上述した製造方法により、受衝部２を構成するセラミックスが炭化珪素セラミックスであって、基部３を構成するセラミックスが窒化珪素セラミックスである防護部材を得ることができる。
【００９６】
また、補強部５を基部３の裏面側に配置し、補強部５を炭化珪素セラミックスで構成する場合には、上述した炭化珪素セラミックス，窒化珪素質顆粒および炭化珪素セラミックスを順次成形型に充填し、上述した焼成方法を用いればよい。
【００９７】
さらに、本実施形態の防護装置は、上述の方法で得られた防護部材１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減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【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】防護部材を構成する炭化硼素セラミックスの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。
【図７】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。
【符号の説明】
【００９９】
１：防護部材
２：受衝部
３：基部
４：結合層
５：補強部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受衝部を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熱膨張係数の低い材質で構成したことを特徴とする防護部材。
【請求項２】
前記基部の裏面側に、該基部を補強する補強部を配置し、該補強部は前記基部より熱膨張係数の高い材質で構成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】
前記補強部を構成する材質が前記受衝部を構成するセラミックスと同一材質であることを特徴とする請求項２に記載の防護部材。
【請求項４】
前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化硼素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が炭化珪素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の防護部材。
【請求項５】
前記受衝部を構成する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４に記載の防護部材。
【請求項６】
前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化珪素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が窒化珪素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の防護部材。
【請求項７】
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。
【請求項１】
受衝部を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熱膨張係数の低い材質で構成したことを特徴とする防護部材。
【請求項２】
前記基部の裏面側に、該基部を補強する補強部を配置し、該補強部は前記基部より熱膨張係数の高い材質で構成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】
前記補強部を構成する材質が前記受衝部を構成するセラミックスと同一材質であることを特徴とする請求項２に記載の防護部材。
【請求項４】
前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化硼素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が炭化珪素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の防護部材。
【請求項５】
前記受衝部を構成する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４に記載の防護部材。
【請求項６】
前記受衝部を構成するセラミックスは、主成分が炭化珪素であって、前記基部をセラミックスで構成し、該セラミックスは、主成分が窒化珪素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の防護部材。
【請求項７】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１８０４０８（Ｐ２００９−１８０４０８Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８６７０（Ｐ２００８−１８６７０）
【出願日】平成２０年１月３０日（２００８．１．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３０日（２００８．１．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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