地表の下: 硬い装甲板の材料を探る

Jun 22, 2023

前回の投稿では、NIJ およびその他の標準設定団体によって定義されている防弾板によって提供される保護の「レベル」を調査し、硬質装甲板の評価を調査しました。 私たちの目的は、この文脈の中で装甲板をより明確に理解することでした。 ただし、以前の投稿で明らかになったように、これらの「レベル」は任意であり、多くのプレートがその下、中間、または上にあります。 (つまり、説明に「プラス」が付いているすべてのプレート。III+、IIIA+、IV+…)

装甲板の性能特性を真に把握するには、割り当てられたレベルを知るだけでは不十分です。 表面的に理解するだけでも、そのプレートの構造に使用される材料についてのある程度の知識が必要です。

それを念頭に置いて、装甲板の材料とその性能特性の概要を説明しましょう。

硬質装甲板にはアルミナ、炭化ケイ素、炭化ホウ素の 3 つのセラミック材料が一般的に使用されています。

以下の表は、一般的なバリエーションとして AD85 および RBB4C を含む、各材料の商用グレードの平均特性を示しています。

上表において「性能」は重み付けで評価しています。 たとえば、ホットプレスされた炭化ケイ素 (SiC) と反応結合炭化ホウ素 (RBB4C) は、同じ重量を考慮した場合、スチールコアの AP の脅威に対して同等の有効性を示します。 これは、厚さ 8mm の SiC タイルと厚さ約 9.3mm の RBB4C タイルを比較していることを意味します。

硬度や圧縮強度などの機械的特性が弾道性能にどのように反映されるかという問題はまだ解決されていません。 とりあえずは置いておきます。

アルミナ一般に、密度が高いため、重量比の性能が最も低くなります。 それにもかかわらず、アルミナは、民間および法執行機関の市場向けのプレートで最も普及しているセラミック製の装甲材料です。 これは、効率的で信頼性の高い材料であり、広く入手可能であり、複雑な形状に成形するのが容易であり、そして最も重要なことに、非常に手頃な価格であるためです。 平均して、レベル IV プレート上の 10×12 インチのアルミナ打撃面のメーカーコストは約 20 ドルです。 アルミナは、SiC や B4C ベースの材料と比較して優れたマルチヒット性能も示し、プレートあたり 6 ショットが必要な NIJ 0101.06 レベル III などの仕様への準拠を大幅に支援します。

アルミナは費用対効果が高く、広く使用されているセラミック材料であり、より重いとはいえ信頼性の高いプレートが得られます。 これらのプレートは、多くの場合、優れたマルチヒット特性を示します。

炭化ケイ素 (SiC) は、幅広い脅威にわたって、価格とパフォーマンスの最も有利なバランスを提供します。 アルミナよりも大幅に軽く、あらゆる脅威に対して優れた性能を発揮します。 炭化ホウ素よりもわずかに重く、ボールやスチールコアの脅威に対してはわずかに性能が劣りますが、より優れたマルチヒット性能と、タングステンカーバイドコアの脅威に対する有効性の大幅な向上によって補われます。

SiC バリアントによりアプリケーションの範囲が拡大します。 例: (1) 反応結合した SiC は、あらゆる脅威に対してアルミナよりも優れており、純度 99% 以上のアルミナよりもわずかに高価であるだけです。 (2) Adept Armor Colossus プレートに使用されている新しい SiC-TiB2 複合材料は、スチールコアの脅威に対しては重量対性能ベースで B4C と競合し、タングステンカーバイドコアの脅威に対しては B4C を容易に上回ります。 (3) 過去数年間にわたり、性能をさらに向上させる可能性がある SiC ダイヤモンド複合材料に対する研究に大きな関心が寄せられています。

総合的なトップパフォーマンスとして、SiC は今日、軍用グレードの AP 定格プレートに好まれる材料となっており、特に最近の高性能 SiC ベースのセラミック複合材料の出現により、予見可能な将来までこの地位を維持するはずです。

ホットプレスまたは焼結炭化ホウ素 (B4C) はハイエンドのニッチな素材です。 スチールコアの脅威を阻止するという点では、他のすべてのオプションを大幅に上回ります。 しかし、その使用を制限するいくつかの欠点があります。 (1) 炭化ホウ素原料は高価であり、加工が困難です。 (2) 炭化ホウ素は、炭化ホウ素の非晶質化の問題により、同じ密度の SiC または高級アルミナと比較して、炭化タングステンコアを備えた AP 弾丸に対して性能が劣ります。 (3) 炭化ホウ素は衝撃時にガラスのような挙動を示し、非常に脆いため、クラス最高のマルチヒット性能をもたらします。 これらの理由により、.30-06 APM2 または 7.62x54mmR B32 API を停止するように設計された超ハイエンドのレベル IV および軍用プレートに最適な打撃面材料ですが、他の目的にはあまり使用されていません。

炭化ホウ素は、スチールコア AP の脅威に対する単発性能を備えた最高の材料ですが、その費用と本質的な制限により、他の役割にはあまり適していません。

反応結合炭化ホウ素は、炭化ホウ素粉末の加工と高密度化を低コストで促進するために開発されたバリアントで、炭化ホウ素と炭素粉末のプリフォームに溶融金属シリコンを浸透させることによって製造されます。 その結果、炭化ホウ素、その場で生成された炭化ケイ素、および残留金属ケイ素からなる高密度のセラミック-金属 (「サーメット」) 複合部品が得られます。 このサーメットの機械的特性と衝撃応答は、後者、つまり弱い金属シリコン相の影響を強く受けます。

ボールの脅威に対する RBB4C の弾道性能は、ホットプレスされた炭化ボロンの性能に匹敵しますが、わずかに劣るのみです。 スチールコアの AP の脅威に対しては、一般に炭化ケイ素と同等の性能を発揮します。 タングステンカーバイドコアによる脅威に対しては、パックの最下位にあります。 RBB4C はかなり高価であるため、ほとんどの AP の脅威に対して同等の性能を備えた平凡なグレードの SiC のコストよりも大幅に高いため、最近では短期間の関心と人気を博しましたが、現在では防弾チョッキでは一般的ではなくなってきています。

セラミックは装甲システムの独立した材料として使用されることはありません。 これらは常に丈夫な素材で支えられており、通常はアラミド、ガラス、または超高分子量ポリエチレン繊維から作られた複合材料です。 話を少し単純化すると、セラミック層が飛来する発射体を破壊または摩耗させ、その速度を低下させます。 裏打ち層がセラミックと発射体の破片を捕らえ、残留運動エネルギーを吸収します。

一般的なセラミック装甲裏材の特性は次のとおりです。

1960 年代後半から 1970 年代前半には、アラミドと UHMWPE 繊維複合材は存在しなかったため、すべてのセラミック製アーマーバッカーはいずれかで作られていました。グラスファイバー (e ガラス/s ガラス)またはアルミニウム合金。 当時、これらのグラスファイバーバッカーはフェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、またはエポキシ樹脂で結合および強化されていました。 これらの樹脂は依然として現在使用されている最も一般的なものであり、ガラス繊維技術はそれほど進歩していないため、この点では大きな変化はありません。

上の表から、グラスファイバー製装甲が非常に優れた機械的特性を備えていることが明らかです。 高い引張強度と優れた延性を兼ね備えており、弾道用途では、高いひずみ速度での変形に対して優れた耐性を示すことが知られています。 しかし、その密度は UHMWPE よりも約 250% 高く、ケブラーよりも >70% 高く、同じ重量ベースで他の材料と比較すると、グラスファイバー ソリューションの剥離性は非常に劣ります。 最高グレードの UHMWPE は、最高グレードのガラス繊維よりも比強度 (単位重量あたりの強度) が 3 倍を超えており、実際、重量ベースではほぼ同等の性能を発揮します。

これほど明らかに劣っていると、グラスファイバーは時代遅れになると思うでしょう。 しかし、アラミドと UHMWPE はニッチな特殊素材であるのに対し、グラスファイバーは現代の生活に広く普及しており、非常に低価格で大量に生産されています。 グラスファイバーは非常に安価であるため、その構造においてアルミナとグラスファイバーに依存する「低価格」レベル IV 装甲板のクラス全体が可能になりました。 原則として、150 ドル未満のレベル IV プレートは、そうでなければ不可能です。

結局のところ、ガラス繊維はセラミック装甲板での使用に適した唯一の安価な複合材料であるため、時代遅れではありません。また、ガラス繊維バッカー構造により、全クラスの低コスト装甲板の開発が可能になりました。

アラミド、一方、硬質装甲板の裏材としてはほとんど時代遅れになっています。 それは厄介な位置を占めています。 これはグラスファイバーよりもかなり高価であり、現在グラスファイバー構造に依存している最も安価な装甲板にとっては魅力的ではありません。 逆に、その性能は UHMWPE に大きく劣るため、現在ではすべての高性能装甲板は UHMWPE のみまたは主に UHMWPE で作られたバッカーで作られています。 2023年現在、アラミドを裏材として利用した新しいプレートは珍しいです。 それらは完全に存在しないことになりますが、少数の「レガシー モデル」がまだ生産されています。

UHMWPE繊維により、並外れた比強度を備えた複合材料が可能になり、比強度はセラミック装甲裏地層の性能に直接反映されます。 この材料の性質については他にも多くのことが書かれていますが、セラミック装甲システムの UHMWPE バッカーは、たとえ高コストであっても、より良いグレードの UHMWPE は非常に優れているため、特定の性能レベルで最も軽量なプレートを可能にする、と言うだけで十分でしょう。高い。 さらに、UHMWPE は通常、複合部品では比較的「柔らかい」樹脂システムと組み合わせられるため、特にこの理由により、UHMWPE 複合材料で作られたバッカーは、グラスファイバーやアラミドで作られたバッカーよりも変形したり剥離したりする可能性があります。 (他の理由は、UHMWPE 繊維の直径が細いことと、一方向 UHMWPE 層の厚さが薄いことと関係しています。)

結論セラミック装甲板には他にもたくさんの機能があります。 接着剤、樹脂、フォーム層など、これらすべてがさまざまな形でパフォーマンスに影響を与える可能性があります。 (そして、それら、特にタイル配列プレートについては、後日さらに詳しく書く予定です。) しかし、セラミック装甲板の 2 つの主な構成要素はセラミックとその裏打ちであり、他のすべてが平均的または名目上のものであると仮定すると、上記の情報だけから、セラミックとバッカー材料のさまざまな組み合わせがどのように積み重なるかを確認することができます。

エンジニア特有の失敗モードは、材料に夢中になり、それを客観的に評価できなくなることです。 セラミック装甲板の構造では、材料の選択は要件によってのみ決まります。 可能な限り軽量のプレートが必要な場合は、B4C+UHMWPE 構造を探すことになります。ただし、タングステンカーバイドコアの脅威に打ち勝つためにプレートが必要な場合は除きます。その場合は、B4C ではなく SiC を検討します。または、プレートが必要な場合を除きます。 6 発のマルチヒット要件をクリアするには、99% 以上のアルミナでも検討する価値があるかもしれません。 同様に、グラスファイバーが他の方法では不可能な価格帯でプレートを実現できる場合、または非常に低い (25 mm 未満) 背面変形要件に準拠する AP 定格のプレートを構築する必要がある場合、グラスファイバーは完全に時代遅れというわけではありません。 材料がどのように機能するかを簡単に理解できれば、独自の装甲板が実際にどのように役立つかについてのモデルを構築したり、可能な限り賢明な購入決定を下したりできます。

著者について:Jake Ganor は、兵士のパフォーマンスと生存性を向上させるための最先端の防弾チョッキ ソリューションやその他のテクノロジーを開発する会社である Adept (www.ade.pt) の CEO です。 彼の著書『Body Armor and Light Ballistic Armor Materials and Systems』は Amazon で購入でき、過去 2 年間、この分野の分野で最も売れている著作となっています。 拡張第 2 版は 2023 年末までに発行される予定です。

次回コメントするときのために、このブラウザに名前、メールアドレス、ウェブサイトを保存してください。