セラミックアーマー

セラミック装甲は、装甲車両や個人装甲に使用され、その高い硬度と圧縮強度により弾丸の貫通を防ぐ装甲です。最も基本的な形態では、2 つの主要コンポーネントで構成されています。1 つは「ストライク フェイス」と呼ばれる外面のセラミック層で、これは延性繊維強化プラスチック複合材または金属層で裏打ちされています。セラミックの役割は、(1) 衝突時に弾丸を破砕するか弾丸先端を変形させる、(2) 粉砕されたセラミック層を貫通する弾丸の残骸を侵食して減速させる、(3​​) 延性ポリマーまたは金属裏打ちによって吸収できるより広い領域に衝撃荷重を分散させることです。セラミックは、一定の耐性に対して金属合金よりも軽量であるため、軽量であることが重要な場合によく使用されます。最も一般的な材料は、アルミナ、炭化ホウ素、およびそれほどではないが炭化ケイ素です。^{[1] [2]}

1918 年にはすでにセラミック装甲の潜在能力が実証されており、ネヴィル・モンロー・ホプキンス少佐は鋼鉄に薄いエナメル層を加えると弾道特性が大幅に改善されることを発見しました。これが初めて実戦で使用されたのはベトナム戦争^[3]のときで、ヘリコプターが小火器の攻撃を頻繁に受けた時でした。1965 年にはヘリコプターの乗組員にセラミック装甲が支給され、操縦席には「ハードフェイス複合材」装甲キットが追加されました。翌年には、一体型セラミックベストと機体搭載装甲パネルが配備されました。「ヒューイ」ヘリコプターでは、これらの改良により死亡者が 53%、非致命的負傷が 27% 減少したと推定されています。

セラミック装甲の設計は、モノリシックプレートから3次元マトリックスを採用したシステムまで多岐にわたります。セラミック装甲に関する最初の特許の1つは、1967年にグッドイヤーエアロスペース社によって出願されました。これは、薄いアルミニウムシートにアルミナセラミック球を埋め込み、各層の球が周囲の層の球の間の隙間を埋めるように層状に重ねたものであり、体心立方充填構造に似ています。システム全体は、ポリウレタンフォームと、厚いアルミニウム、多層UHMWPE、パラアラミド繊維、または30% PALF + 70%エポキシ複合裏地で固定されていました。^[4]この開発により、マトリックスベースの設計の有効性が実証され、他のマトリックスベースのシステムの開発が促進されました。これらのほとんどは、円筒形、六角形、または球形のセラミック要素と、装甲専用ではない合金の裏地を組み合わせています。^[1]対照的に、モノリシックプレートアーマーは、鋼板の代わりに従来の防弾チョッキに挿入された 先進的なセラミックの単一のプレートに依存しています。

金属とは異なり、セラミックは装甲システムにおいて単独の材料として使用されることはありません。常に金属または繊維強化プラスチック複合材料の延性裏地または支持層と組み合わされており、このセラミック面のアセンブリはセラミック装甲と呼ばれます。セラミック材料はガラスと同様に、硬度と圧縮強度は高いですが、引張強度は低いです。セラミックタイルを高強度で延性に優れた金属または複合裏地材料に接着すると、衝撃を受けたときの引張破壊が遅れたり緩和されたりし、セラミックが圧縮で破壊されます。^[2]

セラミック装甲システムは、粉砕と侵食という 2 つの主なメカニズムによって小火器の発射体や運動エネルギー貫通体を撃退します。硬鋼または炭化タングステン製の発射体がセラミック装甲システムのセラミック層に当たると、ドウェルと呼ばれる現象で瞬間的に停止します。セラミック層の厚さと硬度に応じて、発射体のコアは粉砕されるか、破砕されるか、または鈍化します。発射体の残骸は速度を落としながら粉砕されたセラミック タイルを貫通し続け、これにより残骸が侵食され、エネルギー、長さ、および質量が減少します。セラミック層の後ろにある金属または繊維強化プラスチック複合層が、発射体の破片または侵食された残骸を止め、通常は塑性変形によって残留運動エネルギーを吸収します。裏打ち材が薄すぎたり弱すぎたりして残留運動エネルギーを吸収できない場合、または発射体が粉砕されずに侵食された発射体の残骸が質量と運動エネルギーを多く保持している場合、貫通が発生します。したがって、セラミック層とその裏打ち層はどちらも同等に重要です。

車両用セラミック装甲では、裏材は構造用鋼が最も一般的で、圧延均質装甲であることが多いが、アルミニウムが使用されることもある。ボディアーマーでは、セラミック装甲の設計者はセラミック装甲板をできるだけ軽量で快適にするために努力しており、裏材は通常、軽量の超高分子量ポリエチレン繊維複合材であるが、アラミド繊維複合材であることもある。また、低価格のセラミック装甲板やヘリコプターの乗組員などの固定着用者用の装甲板では、グラスファイバーが使用されることもある。

高性能爆薬対戦車弾に対しては、セラミック要素が成形炸薬によって生成された金属ジェットの形状を破壊し、貫通力を大幅に低下させます。

セラミックプレートは、ソフト防弾チョッキのインサートとしてよく使用されます。ボディアーマーに使用されるセラミックプレートのほとんどは、国立司法研究所の タイプ III 保護を備えており、ライフルの弾丸を阻止できます。セラミックプレートは複合装甲の一種です。インサートプレートは、スチールまたは超高分子量ポリエチレンで作られることもあります。

セラミックプレートは通常、ソフトアーマーベストの外側の層に差し込まれています。プレートは前面と背面に 1 つずつ、合計 2 つある場合もあれば、前面または背面のいずれかに 1 つのユニバーサルプレートがある場合もあります。ベストによっては、保護を強化するために側面に小さなプレートを使用できるものもあります。

アメリカ軍が支給するセラミックプレートは、強化型小火器防護インサート(ESAPI) と呼ばれます。

NIJ レベル III セラミック装甲板の重量は、標準サイズが 10 x 12 インチ (25 x 30 cm) の場合、およそ 4.4 ～ 8 ポンド (2.0 ～ 3.6 kg) です。さまざまなサイズや保護レベルを備えた他のタイプの板もあります。たとえば、MC プレート (最大カバー範囲プレート) は、標準のセラミック板よりも 19% 広いカバー範囲を提供します。

セラミック材料、材料処理、セラミック貫通力学の進歩は、学術的および産業的活動の重要な分野です。セラミック装甲研究のこの複合分野は広範であり、おそらくアメリカセラミックス協会によって最もよく要約されています。ACerS は、長年にわたり毎年装甲会議を開催し、2004 年から 2007 年の議事録をまとめました。^[5]ベストに関連する特別な活動分野は、小型セラミック部品の新たな使用です。胴体サイズの大きなセラミックプレートは製造が複雑で、使用中にひび割れが生じます。モノリシックプレートはまた、衝撃による破断領域が大きいため、マルチヒット容量が限られています。これらが、新しいタイプの装甲プレートの動機です。これらの新しい設計では、剛性、柔軟性、または半柔軟性のセラミック要素の 2 次元および 3 次元配列を使用します。ドラゴンスキンボディアーマーはこれらのシステムの 1 つですが、米国陸軍による多数のテストに合格せず、却下されました。球状および六角形の配列に関するヨーロッパの開発により、ある程度の柔軟性とマルチヒット性能を備えた製品が生まれました。^[6]セラミック素子の端に柔軟性と一貫した弾道性能を備えたアレイ型システムの製造は、活発な研究分野です。さらに、高度なセラミック加工技術アレイには、接着剤による組み立て方法が必要です。新しいアプローチの1つは、フックとループファスナーを使用してセラミックアレイを組み立てることです。^[7]