JP2009180408A - Protective member and protective device using the same - Google Patents
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Abstract
【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。
【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a protective member capable of sufficiently protecting against a penetrating performance of a flying object such as a bullet or a bullet, which is drastically improved.
A base part is formed by forming a receiving part 2 from ceramics and a base 3 located on the back side of the receiving part 2 as a protective member 1 made of a material having a lower thermal expansion coefficient than the receiving part 2. 3 is maintained in a state where a compressive force is applied, so that the performance of blocking the bullets and bullets that have landed is improved. Moreover, since the progress of the crack generated on the impact receiving surface 2a is stopped at the boundary with the base 3, the characteristics of the two materials are sufficiently exhibited, and the protective performance can be enhanced by a synergistic effect.
[Selection] Figure 1
Description
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。 The present invention relates to a protective member that is lightweight and has high mechanical properties, and a protective device using the protective member. In particular, protective members for protecting the human body, vehicles, ships, aircraft, etc. by limiting the penetration of flying objects such as bullets and ammunition and sharp blades, and bulletproof vests, blade-proof vests, blade-proof shields, and bulletproofs using the same. The present invention relates to protective devices such as functional bags, bulletproof helmets, and bulletproof plates.
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。 The currently used protective members are required to be light in weight and have a high compressive strength because a large compressive stress is applied by bullets and shells. Examples of materials that are lightweight and have high mechanical properties include boron carbide ceramics and silicon carbide ceramics, and these are actually used as materials for protective members against bullets and shells.
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。
As described above, in
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。
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。 However, at the present time when penetrating performance of bullets and shells has been drastically improved, there is a demand for a light-weight protective member that is further superior in protective performance.
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。 An object of the present invention is to provide a lightweight protective member having improved protection performance against bullets and shells with high penetration performance, and a protective device using the same.
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。 In order to solve the above-described problems, the protection member of the present invention is configured such that the receiving portion is made of ceramics, and the base located on the back side of the receiving portion is made of a material having a lower thermal expansion coefficient than the receiving portion. It is characterized by that. In addition, a reinforcing part that reinforces the base part may be disposed on the back side of the base part, and the reinforcing part may be made of a material having a higher thermal expansion coefficient than the base part. Moreover, the material which comprises the said reinforcement part is good in it being the same material as the ceramics which comprise the said receiving part. Further, the ceramic constituting the impact receiving portion may be composed of boron carbide as a main component, the base portion as a ceramic, and the ceramic as a main component. Moreover, it is good to contain graphite and silicon carbide in the ceramics which comprise the said receiving part. Further, the ceramic constituting the impact receiving portion may be composed of silicon carbide as a main component, the base portion as a ceramic, and the ceramic as a main component. Moreover, it is good to make a receiving surface into a convex curved surface.
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。 The protective device of the present invention is characterized in that a plurality of the protective members are provided on a base.
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。 According to the protective member of the present invention, the impact receiving portion is made of ceramics, and the base portion located on the back side of the impact receiving portion is made of a material having a lower thermal expansion coefficient than the impact receiving portion. Since the state in which the compressive force is applied from the direction perpendicular to the direction in which the bullets and shells land is maintained, the performance of preventing penetration of bullets and shells is improved.
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。 Further, according to the protective member of the present invention, when a reinforcing portion for reinforcing the base portion is disposed on the back side of the base portion, and the reinforcing portion is made of a material having a higher thermal expansion coefficient than the base portion, Since the state in which a higher compressive force is applied from the direction perpendicular to the direction in which the bullets and shells land is maintained, the performance of preventing the penetration of bullets and shells is further improved.
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。 Further, according to the protective member of the present invention, when the material constituting the reinforcing portion is the same material as the ceramic constituting the impact receiving portion, an equivalent compressive force is applied to the base on both sides in the thickness direction of the base. Therefore, the ability to prevent penetration of bullets and shells is further improved.
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。 Further, according to the protective member of the present invention, the ceramic constituting the impact receiving portion is composed of boron carbide as a main component and the base is composed of ceramic, and the ceramic is composed of silicon carbide as the main component. Since both have low specific gravity, they are particularly suitable for use in bulletproof vests and bulletproof helmets for protecting the human body. Further, since the difference between the thermal expansion coefficient of ceramics mainly composed of boron carbide and the thermal expansion coefficient of ceramics mainly composed of silicon carbide is small, it is preferable that cracks hardly occur after the firing step.
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。 Further, according to the protective member of the present invention, the ceramic constituting the impact receiving portion is mainly composed of boron carbide, and when graphite and silicon carbide are contained in the ceramic, the graphite is composed of boron carbide particles. Suppressing abnormal grain growth and progressing densification of ceramics, silicon carbide strongly binds boron carbide particles by evaporation and condensation mechanisms in the firing process, so the compressive strength that is a required characteristic of protective members is increased. Can be higher.
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。 Further, according to the protective member of the present invention, when the ceramic constituting the impact receiving portion is composed of silicon carbide as a main component and the base is composed of ceramic, the ceramic is composed of silicon nitride as the main component. Since the difference between the thermal expansion coefficient of ceramics mainly composed of silicon carbide and the thermal expansion coefficient of ceramics mainly composed of nitriding coefficient is small, it is preferable that cracks hardly occur after the firing step. In addition, since the main component of the ceramic constituting the base portion is silicon nitride, the base portion has high fracture toughness, and even if a bullet or a bullet hits, cracks hardly progress.
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。 Furthermore, according to the protection member of the present invention, since the impact surface is a convex curved surface, it is possible to greatly reduce the probability that the flight direction of bullets and shells and the normal of the impact surface coincide. As a result, bullets and shells are landed so as to slide on the impact surface, so that the destructive energy is absorbed or dissipated and the protection performance can be further improved.
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。 Since the protective device of the present invention uses a plurality of protective members with high protective performance as described above, penetration of bullets and shells can be reduced with high probability.
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。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings schematically shown.
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。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing one embodiment of the protection member of the present invention, and FIGS. 2 to 3 are perspective views showing other embodiments of the protection member of the present invention. In addition, the same code | symbol is used when showing a common site | part in drawing.
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。
A
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。
The
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。
The
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。
In particular, the
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。
In addition, since the
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。
In the present embodiment, a component occupying 70% by mass or more among components constituting the material of interest is referred to as a main component. Further, in order to increase the hardness, rigidity and compressive strength, it is important to densify the ceramics constituting the
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。
The Vickers hardness, Young's modulus, fracture toughness and compressive strength of the ceramics mainly composed of boron carbide are 22 GPa to 38 GPa, 330 GPa to 500 GPa, 2 MPa ·
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。
However, when the thickness of the ceramic is thin and the test piece defined by the JIS standard cannot be cut out from the
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。 In addition, the difference between the thermal expansion coefficient of ceramics containing boron carbide as the main component (hereinafter referred to as boron carbide ceramics) and the thermal expansion coefficient of ceramics containing silicon carbide as the main component (hereinafter referred to as silicon carbide ceramics) is small. Therefore, it is preferable that cracks do not easily occur after the firing step.
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。 For example, the thermal expansion coefficients at 40 to 400 ° C. of boron carbide ceramics and silicon carbide ceramics are 4.5 × 10 −6 / ° C. or more and 6 × 10 −6 / ° C. or less, 3 × 10 −6 / ° C. or more and 4 ×, respectively. 10 −6 / ° C. or less, and these thermal expansion coefficients can be determined according to JIS R 1618-2002.
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。
Further, according to the
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。 Graphite and silicon carbide act as sintering aids in the firing process of boron carbide ceramics, graphite suppresses abnormal grain growth of boron carbide particles and promotes densification of boron carbide ceramics, and silicon carbide fires Since the boron carbide particles are firmly bonded by the evaporation and condensation mechanism in the process, the compressive strength of the boron carbide ceramic can be increased. In particular, the silicon carbide powder is preferably an α-type silicon carbide powder, and by using the α-type silicon carbide powder, the α-type silicon carbide grows into a plate shape during firing, and the α-type silicon carbide crystal. Become particles. Even if the boron carbide ceramic has a minute crack, the crack is difficult to progress due to the presence of the α-type silicon carbide crystal particles grown in a plate shape.
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。 FIG. 4 schematically shows the crystal structure of carbon, (a) is a schematic diagram showing the crystal structure of graphitizable carbon, and (b) is a schematic diagram showing the crystal structure of non-graphitizable carbon. . The crystal structure of graphite affects the pores in the crystal grains of the graphite, and when the crystal structure of the graphite is a structure in which the carbon layer surface has an orderly orientation as shown in FIG. Since the pores in the crystal particles are reduced, the compressive strength can be increased. As shown in FIG. 4B, when the graphite crystal structure is a disordered three-dimensional network structure twisted so that ribbon-like stacks with long carbon layers are entangled, pores in the graphite crystal particles increase. Therefore, the compressive strength is reduced.
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。 In the boron carbide ceramics forming the protective member of the present embodiment, it is preferable that the half width from the (002) plane of graphite is 0.3 ° or less (excluding 0 °) as measured by the X-ray diffraction method. It is. Further, the crystal structure of graphite is the structure shown in FIG. 4A, and further, mechanical properties such as compressive strength, such as bending strength, Young's modulus, hardness, etc., can be increased.
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。 FIG. 5 is an example of an X-ray diffraction chart of boron carbide ceramics forming the protective member of the present embodiment. As shown in FIG. 5, the peak from the (002) plane is represented as a peak (p). Here, the half width from the (002) plane refers to the width of the diffraction angle (2θ) at the half value of the peak (p). By setting this width to 0.3 ° or less (excluding 0 °), the crystal structure of graphite becomes the structure shown in FIG. 4 (a). As a result of the reduction of pores in the graphite crystal particles, the compression strength is increased. can do. In particular, the crystal structure of graphite is a hexagonal system called 2H graphite, and is preferably a crystal structure shown by JCPDS card # 41-1487.
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。 Further, it is preferable that graphite is contained in an amount of 1 to 10% by mass with respect to 100% by mass of boron carbide ceramics, and silicon carbide is contained in an amount of 0.5 to 5% by mass with respect to 100% by mass of boron carbide ceramics. . As a result, boron (B) and carbon (C) atoms are easily moved during firing, and as a result of sufficient densification, the compressive strength, which is one of the required characteristics of the protective member, can be increased.
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。 The graphite and silicon carbide in the boron carbide ceramic can be identified by, for example, an X-ray diffraction method using CuKα rays. In addition, quantitative analysis of graphite can be performed using X-ray diffraction using the Rietveld method.
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。 Specifically, first, a calibration curve is created in advance. That is, a mixed powder of graphite powder and boron carbide powder is prepared. For mixed powders with different composition ratios, the area I (C) of the X-ray diffraction peak attributed to the (002) plane of graphite and the X-ray diffraction peak attributed to the (021) plane of boron carbide (B 4 C) After obtaining the ratio I (C) / I (B 4 C) of the area I (B 4 C) and plotting it on a graph, a calibration curve consisting of a straight line is created using the least square method. FIG. 6 is an example of a calibration curve obtained from a mixed powder of graphite powder and boron carbide powder.
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。 Next, using this calibration curve, the graphite content in the boron carbide ceramics is determined. That is, the ratio I (C) / I (B 4 C) obtained by irradiating boron carbide ceramics with X-rays can be obtained, and the content of graphite in the boron carbide ceramics can be measured from the calibration curve.
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。 Furthermore, the quantitative analysis of silicon carbide can be measured using an ICP (Inductively Coupled Plasma) emission analysis method. Specifically, the content of Si can be measured by ICP emission analysis, and all of Si can be regarded as SiC, and converted to SiC, and the converted amount can be used as the content of silicon carbide. .
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。
In the
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。 For example, the thermal expansion coefficients at 40 to 400 ° C. of silicon carbide ceramics and silicon nitride ceramics are 3 × 10 −6 / ° C. or higher and 4 × 10 −6 / ° C. or lower, 2 × 10 −6 / ° C. or higher and 3 × 10 − The coefficient of thermal expansion can be determined in accordance with JIS R 1618-2002.
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。 Further, the fracture toughness of silicon nitride ceramics can be determined according to the indenter press-fit (IF) method or SEPB method defined in JIS R 1607-1995.
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。
Further, when the
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。 Here, the solid solution amount z can be calculated as follows. That is, silicon nitride ceramics was pulverized to a particle size of 200 mesh or less, and the obtained powder was used as a sample for correcting the angle of diffraction in the powder X-ray diffraction method as a high purity α-silicon nitride powder (E-10 grade manufactured by Ube Industries). , Al content is 20 ppm or less), and uniformly mixed in a mortar. By powder X-ray diffraction method, the analysis range 2θ is 33 to 37 °, the scanning step width is 0.002 °, Cu— The profile intensity is measured with the Kα line (λ = 1.54056Å). The angle is corrected using the maximum peak value obtained from the angle correction sample.
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。 That is, the difference (Δ2θ 1 ) between the average 2θ of the upper 10 points of peak intensity obtained every 0.002 ° of α (102) that appears in the vicinity of 2θ = 34.565 ° (Δ2θ 1 ), and 2θ = 35 The difference (Δ2θ 2 ) between the average 2θ of the top 10 peak intensities obtained every 0.002 ° of α (210) appearing near .333 ° and 35.333 ° (Δ2θ 2 ) is obtained, respectively, and the average of the differences (Δ2θ Let 1 + Δ2θ 2 ) / 2 be the correction Δ2θ. Next, the angle obtained by correcting the average 2θ of the top 10 peak intensities obtained every 0.002 ° of β (210) appearing in the vicinity of 2θ = 36.055 ° by the correction Δ2θ is the peak position of β (210) ( 2θ β ). Then, the lattice constant a (Å) is calculated by substituting the peak position (2θ β ), λ = 1.54056Å, (hkl) = (210) into the following equation.
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。
sin 2 θ β = λ 2 (h 2 + hk + k 2 ) / (3a 2 ) + λ 2 l 2 / (4c 2 )
In this equation, the calculated lattice constant a (Å) and the lattice constant a (Å) −solid solution amount z described in KH Jack, J. Mater. Sci., 11 (1976) 1135-1158, FIG. From this graph, the solid solution amount z can be determined.
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。
The grain boundary phase consists RE-Al-SiO-N, Al, Si, the component ratio of RE is Al 2 O 3, SiO 2, RE 2
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。 Here, in general, an oxide containing RE-Al-Si-O promotes densification of silicon nitride and sialon. Powder materials such as Al 2 O 3 , SiO 2 , and RE 2 O 3 react as the temperature rises to generate a liquid phase that is well wetted with silicon nitride and sialon at 1400 ° C. or higher, and then dissolve silicon nitride and sialon. By doing so, a grain boundary phase composed of RE-Al-Si-O-N is formed.
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。 The volume ratio of the grain boundary phase to the ceramic affects the strength of the silicon nitride ceramic, and the ratio is preferably 4 to 20% by volume.
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。 Such a composition ratio of Al 2 O 3 , SiO 2 , RE 2 O 3 and a volume ratio of the grain boundary phase can be obtained as follows. First, each ratio (mass%) of RE and Al in ceramics is measured by ICP (Inductivity Coupled Plasma) spectroscopy, and this ratio (mass%) is set to RE 2 O 3 and Al 2 O 3 , respectively. Convert to ratio (mass%). Next, the ratio of all oxygen in the ceramics is measured by an oxygen analyzer using an oxygen analyzer (manufactured by LECO, model TC-136), and the ratio of oxygen in RE 2 O 3 and Al 2 O 3 is subtracted. The ratio of the remaining oxygen is converted into the ratio (mass%) of SiO 2 . The balance in the ceramic is regarded as Si 3 N 4, and the respective ratios (mass%) are set to the respective theoretical densities (Y 2 O 3 : 5.02 g / cm 3 , Er 2 O 3 : 8.64 g / cm 3 , Yb 2). O 3 : 9.18 g / cm 3 , Lu 2 O 3 : 9.42 g / cm 3 , Al 2 O 3 : 3.98 g / cm 3 , SiO 2 : 2.655 g / cm 3 , Si 3 N 4 : 3 .18 g / cm 3 ) to calculate the volume ratio of the grain boundary phase.
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。 Next, the ratio (mass%) of nitrogen (N) contained in the grain boundary phase is calculated using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and Al 2 O 3 , SiO 2 , RE 2 O 3 and The composition ratio of the grain boundary phase is calculated with the sum of the ratios (mass%) of nitrogen (N) as 100%. However, since the composition ratio of nitrogen contained in the grain boundary phase of the silicon nitride ceramic used in the present embodiment is a very small amount and is usually 0.1% by mass or less, it will be described as being included in RE 2 O 3 hereinafter. .
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。
The RE in the grain boundary phase may be a
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。 Further, since the Fe silicide particles in the silicon nitride ceramics affect the fracture toughness and strength of the ceramics, the Fe silicide particles contain 0.02 to 3 mass% with respect to the ceramics in terms of Fe. Is preferred.
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。 Fe silicide has a large coefficient of thermal expansion and is thought to generate residual stress on β-sialon particles and grain boundary phase, and is one of the effects and forms of fracture to improve the fracture toughness of ceramics. When grain boundary sliding occurs, it acts like a wedge that prevents the sliding of β-sialon particles, and has the effect of improving strength. The Fe silicide acts as one of the liquid phase components during firing, and is effective in improving the sinterability. The form of such Fe silicide can be confirmed by elemental analysis using a powder X-ray diffraction method or X-ray microanalyzer (EPMA), and can be quantified by ICP spectroscopy.
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。 The Fe silicide is interspersed as particles having a particle size of 50 μm or less, preferably 2 to 30 μm in the grain boundary phase composed of β-sialon particles or RE-Al—Si—O—N. and, FeSi 2, FeSi, Fe 3 Si, is preferably present in the form of Fe 5 Si 3, it is preferable that particularly FeSi 2 (JCPDS # 35-0822).
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。
Since such a
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。 FIG. 7 is a perspective view showing another embodiment of the protective member of the present invention.
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。
In the
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。
In particular, when the material constituting the reinforcing
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。 In the present embodiment, the same material does not need to be the same components up to the sintering aid and unavoidable impurities, and means that the main components are the same components.
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。
Since the
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。 The above-mentioned protective members are classified into two types according to their performance, and include reactive protective members that contain explosive substances inside and that explode substances strike against the explosives when a projectile such as a bullet or a bullet hits, and bullets. There are passive protective members that prevent penetration of flying objects such as shells and shells, and it is particularly preferable to use them as passive protective members.
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。
In the protective member of the present embodiment, it is preferable that the
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。 Since the protective member according to the present embodiment has high protective performance as described above, a plurality of protective members are fixed on a suitable base, and a bulletproof vest, a blade-proof vest, a blade-proof shield, a bag with a bulletproof function, It is also suitable for use in a protective device such as a helmet and a protective device such as a bulletproof plate.
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。
Here, as an example of the protective member of the present embodiment, a manufacturing method in the case where the ceramics constituting the
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。 First, a boron carbide powder having an average particle size (D 50 ) of 0.5 to 2 μm is prepared. The boron carbide powder to be prepared is composed of powder having a molar ratio of boron (B) to carbon (C) (B / C ratio) having a stoichiometric ratio of 4, ie, boron carbide (B 4 C). In addition to the powder, the molar ratio (B / C ratio) is 3.5 or more and less than 4, or the molar ratio (B / C ratio) is larger than 4 and 10 or less, such as B 13 C 2 A mixed powder or a powder mixed with carbon, boric acid, boric anhydride, iron, aluminum, silicon, or the like may be used.
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。 When these powders are used, by adding graphite powder and silicon carbide powder as sintering aids to these powders, sintering can be performed without applying mechanical pressure during firing. The boron carbide powder is desirably a fine powder having an average particle diameter of 0.5 to 2 μm, but a powder having a large average particle diameter of about 20 μm, for example, or boron carbide powder obtained by pre-grinding this powder is also used. Is possible. Here, the preliminary pulverization is preferably performed by a jet mill or the like that does not use a pulverizing medium in order to reduce contamination with impurities.
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。 In order to contain graphite in an amount of 1% by mass to 10% by mass with respect to boron carbide ceramics and silicon carbide in an amount of 0.5% by mass to 5% by mass with respect to boron carbide ceramics, the graphite powder is used as described above. What is necessary is just to make 1 mass% or more and 10 mass% or less of silicon carbide powder with respect to the powder total, and 0.5 mass% or more and 5 mass% or less with respect to the said powder total.
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。 In order for the graphite contained in boron carbide ceramics to have a half-value width of 0.3 ° or less (excluding 0 °) from the (002) plane measured by the X-ray diffraction method, the (002) plane Graphite powder having a half-width from 0.34 ° or less (excluding 0 °) may be used. When the half width of the graphite powder is wide, the crystallinity of the graphite powder is low, and when the half width is narrow, the crystallinity of the graphite powder is high. In order to obtain graphite powder with high crystallinity, it is only necessary to limit the distance that carbon atoms can move in the step of graphitizing from carbon. Specifically, the orientation of carbon may be controlled during this step. As such graphite powder, for example, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) powder may be used.
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。 As the sintering aid, in addition to graphite powder and silicon carbide powder, at least one of zirconium boride, titanium boride, chromium boride, zirconium oxide and yttrium oxide may be added to promote sintering. .
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。 Second, the prepared boron carbide powder and sintering aid are put into a mill such as a rotary mill, a vibration mill, a bead mill, etc., and wet-mixed with at least one of water, acetone, and isopropanol (IPA). Is made. As the grinding media, media coated with an imide resin on the surface or media made of various ceramics such as boron nitride, silicon carbide, silicon nitride, zirconium oxide, or aluminum oxide can be used. A medium made of boron nitride ceramic as a material or a medium whose surface is coated with an imide resin is preferable. Moreover, you may add a dispersing agent before a grinding | pulverization in order to reduce the viscosity of the obtained slurry.
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。 Third, the obtained slurry is dried to produce granules containing boron carbide as a main component (hereinafter referred to as boron carbide granules). Prior to this drying, the slurry is passed through a mesh smaller than 200 mesh to remove coarse impurities and debris, and iron and its compounds are removed by removing iron with a magnetic iron remover. It is preferable to do. In addition, a binder such as paraffin wax, polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyethylene oxide (PEO), acrylic resin is added to the slurry in an amount of 1 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the powder in the slurry. It is preferable to mix, since it is possible to suppress the occurrence of cracks and cracks in the molded body in the molding step described later. As a method for drying the slurry, the slurry may be heated in a container and dried, or may be dried by a spray drying method using a spray dryer or the like, or may be dried by other methods. .
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。 Fourth, water, a dispersing agent, boron carbide powder, and a sintering aid such as phenol resin are added to silicon carbide powder, mixed and pulverized with a ball mill to form a slurry, and a binder is added to and mixed with this slurry, followed by spraying. Granules mainly composed of silicon carbide (hereinafter referred to as silicon carbide granules) are prepared by drying.
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。 The boron content with respect to silicon carbide ceramics is affected by the boron carbide powder to be added, so that the boron content is 0.1% by mass or more and 0.5% by mass or less with respect to 100% by mass of silicon carbide ceramics. The boron carbide powder content may be 0.12 mass% or more and 0.64 mass% or less with respect to the silicon carbide powder.
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。 Fifth, silicon carbide granules and boron carbide granules are sequentially filled into a mold, and a relative density of 45 to 70% is obtained using a known molding method such as a dry pressure molding method or an isotropic pressure molding method. A desired shape is obtained. In order to produce a protective member having a structure that can more sufficiently restrict the penetration of flying objects such as bullets and shells, it is preferable that the surface that becomes the impact surface after firing is a convex curved surface.
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。 Sixth, the binder is degreased at a temperature of 500 to 900 ° C. in a nitrogen atmosphere or a vacuum atmosphere.
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。 Seventh, a firing furnace heated by a resistance heating element made of graphite is used as a firing furnace, and a degreased body is disposed in the firing furnace. Preferably, they are placed in a firing container that can enclose the entire degreased body (hereinafter referred to as a firing jig). This is because foreign matter that may adhere to the degreased body from the atmosphere in the firing furnace (for example, carbon pieces scattered from a graphite heating element or a carbon heat insulating material, or other inorganic materials incorporated in the firing furnace) This is for the purpose of reducing the adhesion of small pieces of the heat insulating material made, and for reducing the scattering of volatile components from the molded body. The material for the firing jig is desirably graphite, and may be a material such as silicon carbide or a composite thereof. Furthermore, it is preferable to surround the entire degreased body with the firing jig.
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。 Eighth, the degreased body placed on the firing jig is placed in a firing furnace and held in a temperature range of 1800 ° C. or higher and lower than 2000 ° C. for 10 minutes to 10 hours in argon gas, helium gas or vacuum. (After the first step), the mixture is held at a temperature of 2000 ° C. or higher and 2350 ° C. or lower for 10 minutes to 20 hours (second step) to be densified to a relative density of 90% or higher. The heating rate is preferably 1 to 30 ° C./min. Here, the holding in the first and second steps means the total time spent in a predetermined temperature range. For example, the holding time, the temperature rising time, and the temperature falling time are holding times. include. In addition, since it decomposes | disassembles a boron carbide and an additive component when it hold | maintains at 2000 degreeC or more, it is desirable to hold | maintain in argon gas or helium gas.
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。 In order to further promote densification, pressurization may be performed with a higher pressure gas when the open porosity becomes 5% or less. As this pressurizing method, it is preferable to use a method of pressurizing at a gas pressure of 1 to 300 MPa by a high pressure GPS (Gas Pressure Sintering) method or a hot isostatic press (HIP) method, and relative to this. In particular, the density can be increased to 95% or more. Moreover, you may sinter by the method of applying a mechanical pressure like the hot press method and SPS (Spark Plasma Sintering) method as needed.
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。
According to the manufacturing method described above, it is possible to obtain the protective member of the present embodiment in which the ceramic constituting the
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。
When the reinforcing
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。
Next, as another example of the protective member, a manufacturing method in the case where the ceramic constituting the
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。 First, silicon carbide granules are prepared by the same method as described above.
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。 Second, silicon carbide granules are filled into a predetermined mold, and a desired shape having a relative density of 45 to 70% is obtained by using a known molding method such as a dry pressure molding method or an isotropic pressure molding method. To do. In order to produce a protective member having a structure that can more sufficiently restrict the penetration of flying objects such as bullets and shells, it is preferable that the surface that becomes the impact surface after firing is a convex curved surface.
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。 Third, the temperature is raised in a nitrogen atmosphere for 10 to 40 hours, held at 450 to 650 ° C. for 2 to 10 hours, and then naturally cooled and degreased.
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。 Fourth, for example, silicon carbide ceramics can be obtained by holding at a temperature of 1800 to 2200 ° C. for 1 to 10 hours in an inert gas atmosphere. Hot pressing may be performed at 50 MPa.
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。
Fifth, in the case where the
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。 Here, the sum of the powders of Al 2 O 3 , SiO 2 , and RE 2 O 3 as additive components is 100% by volume when the total of the silicon nitride powder and the powder of these additive components is 100% by volume. What is necessary is just to make it become 4-20 volume%.
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。 There are two types of silicon nitride, α-type and β-type, due to the difference in crystal structure of silicon nitride. The α type is stable at low temperatures, the β type is stable at high temperatures, and the phase transition from α type to β type occurs irreversibly at 1400 ° C. or higher.
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。 Here, the β conversion is the sum of the peak intensities of the α (102) diffraction line and the α (210) diffraction line obtained by the X-ray diffraction method, I α , β (101) diffraction line and β ( 210) A value calculated by the following equation, where I β is the sum of the peak intensities with the diffraction line.
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。
β conversion rate = {I β / (I α + I β )} × 100 (%)
The β conversion rate of silicon nitride-based powder affects the strength and fracture toughness value of silicon nitride ceramics. The reason why the silicon nitride-based powder having a β conversion ratio of 40% or less is used is that both the strength and the fracture toughness value can be increased. Silicon nitride-based powder having a β conversion ratio exceeding 40% becomes the core of grain growth in the firing step, tends to be coarse and have a small aspect ratio, and both strength and fracture toughness values are reduced. In particular, it is preferable to use a silicon nitride-based powder having a β conversion rate of 10% or less, whereby the solid solution amount z can be made 0.1 or more.
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。 The media used for pulverizing the silicon nitride-based powder can be media made of various ceramics such as silicon nitride, zirconia, and alumina. However, media made of silicon nitride ceramics that are difficult to mix impurities or the same material composition are used. Is preferred.
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。 Note that the silicon nitride powder is pulverized until the particle size (D 90 ) at which the cumulative volume is 90% when the total cumulative volume of the particle size distribution curve is 100% is 3 μm or less. This is preferable from the viewpoints of improvement in cohesiveness and formation of needles in the crystal structure. The particle size distribution obtained by grinding can be adjusted by the outer diameter of the media, the amount of the media, the viscosity of the slurry, the grinding time, and the like. In order to reduce the viscosity of the slurry, it is preferable to add a dispersant, and in order to pulverize in a short time, it is preferable to use a powder having a particle size (D 50 ) of 1 μm or less that has a cumulative volume of 50% in advance.
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。 Sixth, the obtained slurry is passed through a mesh finer than 200 mesh and then dried to obtain granules containing silicon nitride as a main component (hereinafter referred to as silicon nitride granules). Moreover, it is preferable for moldability to mix organic binders, such as paraffin wax, polyvinyl alcohol (PVA), and polyethyleneglycol (PEG), with respect to 100 mass% of powder at the stage of a slurry. The drying may be performed by a spray drying method using a spray dryer or the like, or may be another method.
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。 Seventh, after the silicon nitride granule is filled into the mold, the silicon carbide ceramic obtained by the above-described method is placed on the silicon nitride granule, and is heated to 1700 ° C. or higher and 1800 ° C. by hot pressing in a nitrogen atmosphere. The pressure is kept at 1 to 2 hours while applying a pressure of less than 20 to 40 MPa.
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。
According to the manufacturing method described above, it is possible to obtain a protective member in which the ceramic constituting the receiving
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。
Further, when the reinforcing
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。
Furthermore, the protective device of this embodiment arrange | positions the
1:防護部材
2:受衝部
3:基部
4:結合層
5:補強部
1: Protective member 2: Receiving part 3: Base part 4: Bonding layer 5: Reinforcing part
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