JP4945245B2 - 炭化ホウ素複合体およびその製造方法 - Google Patents

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関連出願の相互参照

［０００１］本特許文献は、２００３年１１月２５日に出願された共同所有の米国特許仮出願第６０／５２４，９１６号の優先権を主張するものである。さらに、本特許文献は、２００２年１０月１５日出願された共同所有の部分継続米国特許出願第１０／２７１，３１２号であり、これは、２００１年１１月２０日に出願された共同所有の部分継続米国特許出願第０９／９９０，１７５号であり、現在許可され、２００１年１０月１５日出願された共同所有の米国特許仮出願第６０／３２９，３５８号、および２０００年１１月２１日出願された第６０／２５２，４８９号の優先権を主張する。これらの共同所有の特許出願の全体の開示は、参照により明白に組み込まれている。

［０００２］本発明は、金属溶浸工程によって製造された金属−セラミック複合体、例えばケイ素溶浸複合体に関する。さらに詳細には、本発明は、炭化ホウ素充填材または補強材を有する反応結合およびケイ素化された複合体、およびそれらの炭化ホウ素複合体から製造された防弾装甲構造に関する。また、本複合体は極めて剛性があり、その低い比重の可能性と組み合わされて、半導体製造に用いられる機械などの精密装置の用途における魅力的な候補材料になる。

＜１．他の関連技術の説明＞
［０００３］多くの用途において、重量は重要な要因ではなく、鋼などの従来材料は、弾道発射体および弾片などの空からの脅威に対してあるレベルの保護を提供することができる。鋼製装甲は低コストの利点と、それらが組み込まれる装置の構造部材として働くこともできる利点を提供する。ここ数十年間、ある種の硬質セラミックがある種の装甲用途に開発された。アルミナ、炭化ホウ素、炭化ケイ素など、これらのセラミック系装甲は、同じ弾道衝撃停止力に対して鋼よりも質量が軽いという利点を提供する。したがって、（人間の）身体の装甲および航空機装甲など、できるだけ軽い質量が重要である装甲の用途において、低比重の装甲材料が必要とされる。密度が低いほど、同じ面積密度で与えうる装甲の厚さはより厚い。一般に、装甲の容積が大きいと、入射する発射体に打ち勝つ目的に適合することができるので、厚い装甲材料は薄いものよりも望ましい。さらに、より厚い装甲プレート上への発射体の衝撃は、衝撃を受けた反対側のプレート面の引っ張り応力を、より薄い装甲プレートの裏面に生じるであろう応力よりも少なくする。したがって、セラミックなどの脆い材料に関しては、装甲の裏面の過剰な引っ張り応力による脆性破壊を防止することが重要であり、さもなければ、装甲は簡単に破壊される。むしろ、それらの引っ張り応力を防止することによって、発射体の動エネルギーは、おそらく装甲体内部に完全に吸収することができ、そのエネルギー吸収は、多数の破壊の形、例えば粉砕の形で、装甲材料の非常に大きな新しい表面を形成することは明らかである。

［０００４］Ｅｚｉｓの米国特許第５，３７２，９７８号は、主として炭化ケイ素からなり、ホットプレス技術によって作られた発射体耐装甲を開示する。密度を高める目的で約３重量％までの窒化アルミニウムを加えることができる。完成された製品は、約７ミクロン未満の最適粒子サイズを有する微小構造を特徴とする。破壊は粒子間であり、エネルギーを吸収するクラックディフレクションであることを示す。さらに、材料の構造的な完全さを妥協せずに、より安価で純度の低い炭化ケイ素を使用することができることは、製造の経済性を高める。

［０００５］Ｌｉｈｌｅｉｃｈらの米国特許第４，６０４，２４９号は特に装甲車両に適した組成物を開示する。組成物は炭化ケイ素と鋼または鋼合金の複合体である。ケイ素と炭素粒子は、場合によって炭化ケイ素粒子を含んで、有機結合剤と混合され、次いで成形体をつくるために型に入れられる。次いで、成形体は約８００℃〜約１０００℃の範囲の最高温度でコークス化される。次いで、少なくとも圧力１バールの不活性雰囲気中で、温度を急速に約１４００℃〜約１６００℃の範囲へ上昇する。この温度範囲で、ケイ素と炭素は反応して炭化ケイ素を形成し、それによって多孔質体を生成する。次いで、真空室内で孔を脱気し、多孔質体を溶融鋼または鋼合金に浸漬する。金属は孔を充填し、高密度の複合体装甲材料を生成する。

［０００６］Ｗｅａｖｅｒの米国特許第３，７２５，０１５号は、用途の中でも特に、弾道発射体による侵入に対する保護のための装甲材料として有用な複合耐熱性物品を開示する。これらの組成物は、粉状耐熱材料（炭化ホウ素とすることができよう）と、約１０〜３５容積部の有機結合剤材料または元素状炭素の炭素性材料などの炭素含有物質を冷間プレスして予備成形品を形成し、この予備成形品を熱処理して炭素性材料を炭素に変換し、次いで加熱された予備成形品を、少なくとも２種の金属を収容し１７００℃〜１９００℃の温度に維持された溶融金属浴に接触させることによって調製される。溶融金属は予備成形品に溶浸し、耐火材料マトリックスは焼結し、金属成分の少なくとも１種は炭素と反応して金属炭化物を生成する。金属混合物の熱膨張係数は耐熱材マトリックスのそれに近いかまたはそれよりも僅かに大きいので、複合体の形状は本質的に亀裂および残留歪みなしに室温まで冷える。Ｗｅａｖｅｒは、最終製品に望ましい特性によって定まる因子以外に粒子サイズに固定の因子はないが、プレスされる混合物を作る粉状材料の粒子には、約３５０ミクロンの最大サイズが好ましいと述べている。さらに、彼は耐熱材料の金属成分として金属混合物に同じ金属を加えることを推奨する。例えば、彼は、炭化ホウ素が耐熱材料であるならば、約６％のホウ素を溶融金属混合物に組み込むことで、炭化ホウ素からホウ素が溶出することを防止すると述べている。

［０００７］Ｗｅａｖｅｒの米国特許第４，１０４，０６２号明細書は、弾道発射体に対する保護装甲として適した、高密度のアルミニウムで修飾した炭化ホウ素組成物を開示する。約７０〜９７重量％の炭化ホウ素に約３〜３０％のアルミニウム粉が混合される。一時的な結合剤をこの混合物に加え、成形体がプレスされる。次いで、この予備成形品は酸素のない雰囲気下で少なくとも５００ｐｓｉ（３．５ＭＰａ）、１８００℃〜約２３００℃の温度でホットプレスされる。

［０００８］Ｍｏｓｓの米国特許第３，８５７，７４４号明細書は、炭化ホウ素を含む複合体物品の製造法を開示する。詳細には、炭化ホウ素粒子の均一な混合物と一時的な結合剤を含む成形体が冷間プレスされる。Ｍｏｓｓは炭化ホウ素粒子のサイズは重要ではなく、６００グリット〜１２０グリットの範囲で任意のサイズを用いることができると述べている。成形体は約１４５０℃〜約１５５０℃の範囲の温度に加熱され、溶融ケイ素が溶浸する。ケイ素が溶融したホウ素または炭素を含むとは述べていない。結合剤は加熱作業の早い段階で除去される。次いで、ケイ素含浸炭化ホウ素体を有機樹脂裏打ち材料に結合し、装甲プレートを製造することができる。

［０００９］Ｂａｉｌｅｙの米国特許第３，８５９，３９９号明細書は、二ホウ素化チタンおよび炭化ホウ素を含む成形体に、約１４７５度の温度で、溶融ケイ素を溶浸させることを開示する。成形体は、さらに場合によって炭化することのできる一時的な結合剤を含む。二ホウ素化チタンは実質上影響を受けずに残るが、溶融ケイ素は少なくとも炭化ケイ素のいくらかと反応していくらかの炭化ケイ素をその場で生成する。得られる複合体の曲げ強度は、約１４０ＭＰａと比較的控えめであった。個人用、車両用、および航空機用装甲を含む様々な用途が開示されている。

［００１０］Ｔａｙｌｏｒらの米国特許第３，７９６，５６４号明細書は、特にセラミック装甲として意図された硬質の高密度炭化物複合セラミック材料を開示する。粒状炭化ホウ素は、結合剤と混合され、予備成形品に形状加工され、固化される。次いで、予備成形品は不活性雰囲気中で制御された量の溶融ケイ素と共に約１５００℃〜約２２００℃の温度範囲で熱処理され、溶融ケイ素は予備成形品に溶浸し、炭化ホウ素のいくらかと反応する。形成された物体は炭化ホウ素、炭化ケイ素、およびケイ素を含む。Ｔａｙｌｏｒらは、それらが大口径で高速の発射体に対する保護に必要な最適特性に欠けるにしても、それらの複合体が小口径で低速の発射体に対して保護する装甲として好適であると述べている。彼らは、ある量の炭化ホウ素相の反応を望むが、彼らは、過剰の反応がしばしば物体の亀裂を招き、したがって、過剰の加工温度および過剰に微細な粒状炭化ホウ素はこの点で有害であることを認識する。同時に、彼らは、過剰に大きなサイズの粒子は強度が低くなり弾道衝撃性能を劣化させることも認める。

［００１１］上述の装甲発明のいずれも、ひとつまたは他の欠点を有する。ホットプレスは高価であり、形状の制限がある。ホットプレスされた、または焼結されたセラミックは、反応結合した炭化ケイ素（「ＲＢＳＣ」）ほどに寸法公差を保持しない。鉄マトリックス複合材料はセラミック装甲に比べて重い。この文献でしばしば「反応結合炭化ホウ素」または「ＲＢＢＣ」と呼ばれる、炭化ホウ素の強化材を有する従来のＲＢＳＣ装甲は、ケイ素溶浸材との反応によって、微小構造が顕著に粗化するのと同時に、炭化ホウ素のいくらか、特により細かい粒子サイズの炭化ホウ素を失う。これは以下で詳細に示す。１４７５℃の比較的低い温度においてさえも炭化ホウ素は溶融ケイ素と化学反応を起こすことができる。ＳｉＣ充填材を含む複合材については、２２００℃の溶浸温度は高すぎ、粒子の拡大成長、および微小構造の有害な粗化を招きうる。

［００１２］先行の特許文献の概要が示すように、ケイ素溶浸工程によって作られた炭化ケイ素複合材および炭化ホウ素複合材は、数十年前に装甲材料の候補として提案され評価された。

［００１３］１９８７年の第３回ＴＡＣＯＭ装甲協定会議（ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ ＴＡＣＯＭ Ａｒｍｏｒ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）において、Ｖｉｅｃｈｎｉｃｋｉらは、焼結およびホットプレスされた炭化ケイ素材料に対するＲＢＳＣ材料の弾道衝撃試験を報告した。Ｖｉｅｃｈｎｉｃｋｉらは、ＲＢＳＣが実質上他の炭化ケイ素よりも劣るだけではなく、最小量の第２相および多孔質を有するより純粋なモノリシックセラミックは、多相および複合セラミックよりも良好な弾道衝撃性能を有するという全体的な結論を得た。（Ｄ．Ｊ．Ｖｉｅｃｈｎｉｃｋｉ、Ｗ．Ｂｌｕｍｅｎｔｈａｌ、Ｍ．Ｓｌａｖｉｎ、Ｃ．Ｔｒａｃｙ、およびＨ．Ｓｋｅｅｌｅ、「装甲セラミック（Ａｒｍｏｒ Ｃｒａｍｉｃｓ）−１９８７」、第３回ＴＡＣＯＭ装甲協定会議、Ｍｏｎｔｅｒｅｙ、ＣＡ（米国戦車−自動車指令（Ｕ．Ｓ．Ｔａｎｋ−Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏｍｍａｎｄ）、Ｗａｒｒｅｎ、ＭＩ、１９８７）２７〜５３頁。）

［００１４］したがって、焼結またはホットプレス炭化ケイ素に対してＲＢＳＣが価格の利点を有するにもかかわらず、市場が好んだのは焼結またはホットプレスされたモノリシックセラミック製品であった。実際に、いくつかの情報源によれば、近年、ＲＢＳＣは装甲材料として真剣に考慮する価値がないという風評が広がっている。出願人の製品が紹介されるまで、ＲＢＳＣ装甲はわずかしか市場に見当たらなかった。

［００１５］弾道衝撃事象の詳細は複雑である。弾道発射体に打ち勝つために広く支持されたひとつの理論は、装甲が発射体を破壊して、それが装甲を貫通する前にそれを衰退させることが可能でなければならないことである。候補の装甲材料の圧縮強度および硬度は重要なはずである。上述のＴａｙｌｏｒらの装甲特許は、例えば、強度と弾道衝撃性能の相関を示唆する。彼らは、最も大きな粒子のサイズが３００ミクロンを超えると、破壊の剪断係数および弾道衝撃性能が低下することに注目した。炭化ホウ素のサイズを直径約３００ミクロン以下に保つことによって、それらの反応結合した炭化ホウ素体は破壊の２６０ＭＰａほどの高さの剪断係数を得ることができ、装甲用途には強度は少なくとも２００ＭＰａにすべきであることを彼らは推奨した。

［００１６］装甲開発の業界には、候補となる装甲材料に硬度が実際に重要であり、特に装甲の硬度は少なくとも発射体の硬度程度に大きくなければならないという合意があるように見える。しかし、これらの試験中の装甲材料は、強度因子に関して機械的強度（引っ張りおよび圧縮の両方）と弾道衝撃性能間の相関を取ることは困難であった。実際に、硬度以外に、セラミック材料における良好な装甲特性の良好な予測として機能する単一の静的特性はないように思われる。代わりに、装甲開発者達が材料開発者達に提供した実際の弾道衝撃試験に基づく指針は、候補となる装甲は一般に高い硬度と高い弾性係数、低いポアソン比と低い多孔質の組み合わせを有すべきであるということであった（Ｖｉｅｃｈｎｉｃｋｉら、３２〜３３頁）。

［００１７］本発明者らは、その防弾性能がホットプレスされた装甲などの他の装甲セラミックに比肩する材料を低コストで開発できると信じたので、候補の装甲材料としてＲＢＳＣ、さらに詳細には、ＲＢＢＣに再び戻った。

＜２．共同所有の特許に関する議論＞
［００１８］Ｗａｇｇｏｎｅｒらの米国特許第６，５０３，５７２号明細書は、反応結合または反応形成した炭化ケイ素体はケイ素と少なくとも１種の金属、例えばアルミニウムを含む溶浸材を用いて形成することができることを教示する。このようにしてケイ素相を修飾することによって、得られる複合材の物理的特性および他の重要な処理現象の成果を微調整することができる。それらの炭化ケイ素複合材料は、特に、精密装置、ロボット、工具、装甲、電子実装および熱管理、および半導体製造産業で注目されている。意図される特定の製造品目は、半導体ウェーハ取扱装置、真空チャック、静電気チャック、空気ベアリング筐体もしくは支持枠、電子実装および基板、機械工具の架橋および基底、ミラー基板、ミラー台および平坦なパネル表示据付具を含む。

［００１９］ＭｃＣｏｒｍｉｃｋらの米国特許第６，６０９，４５２号明細書は、微細粒子の反応結合した複合材料は、特に小さな武器の発泡に対して優れた弾道衝撃特性を提供できることを教示する。「微細粒子」は、約１００ミクロン以上のサイズが、複合材料の微小構造を形成する形態学的形状の約１０体積％を超えてはならないことを意味する。複合材料は、１種または複数の硬質強化物質で装填されることが好ましく、特に炭化ケイ素が好ましい。

［００２０］これらの共同所有の米国特許の教示は参照により本明細書に組み込まれている。

［００２１］本発明のひとつの目的は、軽量で硬く、強くて実質上孔のない複合材料を製造することである。

［００２２］本発明のひとつの目的は、精密装置および核エネルギー用途に有用な複合材料を製造することである。

［００２３］本発明のひとつの目的は、炭化ホウ素の割合の多いことを特徴とするケイ素溶浸工程によって複合材料を製造することである。

［００２４］本発明のひとつの目的は、処理中に、炭化ホウ素相と溶融ケイ素溶浸材の化学反応が減衰または抑制された、反応結合した炭化ホウ素複合材料を製造することである。

［００２５］本発明のひとつの目的は、炭化ホウ素とケイ素の間の化学反応を減衰させることによって、化学反応の減衰のないものよりも小さなまたは微細な粒子サイズの炭化ホウ素相を特徴とするケイ素溶浸炭化ホウ素複合材料を製造することである。

［００２６］本発明のひとつの目的は、その弾道衝撃性能が少なくともアルミナまたはホットプレス炭化ホウ素などの市販されているセラミック装甲に近い防弾装甲を製造することである。

［００２７］本発明のひとつの目的は、ホットプレスされたセラミック装甲よりも安価な防弾装甲を製造することである。

［００２８］これらの目的および他の望ましい特性は、炭化ホウ素複合体の応用と技術によって達成することができる。好ましいが唯一ではない本発明の実施形態によれば、ケイ素および１種または複数のホウ素源を含む溶融溶浸材を、少なくともいくらかの炭化ホウ素を含み、また少なくともいくらかの反応性がありまたは「遊離」炭素も含む多孔質の塊に接触させる。溶融溶浸材は圧力または真空の助けなしに多孔質の塊に溶浸し、理論的密度に近い複合体を形成する。溶浸材のケイ素成分は、多孔質の塊中の遊離炭素と反応し、マトリックス相として炭化ケイ素をその場で形成する。さらに、溶融ケイ素が炭化ケイ素成分と反応する傾向は、ホウ素源および炭素源の１種または両方とケイ素を合金化すること、またはドープすることによって、抑制または少なくとも大きく減衰させることができる。このようにして得られる複合体は炭化ケイ素マトリックス全体に分散または分配された炭化ホウ素を含む。典型的に、ケイ素および少量ではあるが検出可能な量のホウ素および炭素を含む、残った未反応の溶浸材相もいくらか存在し、同様にマトリックス全体に分配または相互分散する。したがって、これらの複合材料は短縮形でＳｉ／ＳｉＣ／Ｂ_４Ｃと記すことができる。

［００２９］炭化ホウ素補強を特徴とする反応形成された複合材は、通常の炭化ケイ素補強を特徴とするその競合品に比肩し得る剛性（例えば弾性またはヤング率）を有するが、同じ容積の充填材装填でより低い比重を示す。したがって、それらのＢ_４Ｃ補強ＳｉＣ複合材は、しばしば高い加速度で精密な動作制御を要求する装置など、低質量で高剛性を必要とする用途に有用性を見出すであろう。さらに、炭化ホウ素の極めて高い硬度と低い比重故に、それらの複合材は魅力的な装甲材料の候補である。

［００３０］本発明に含まれる他の実施形態において、炭化ホウ素補強を特徴とする複合体はケイ素化工程によって作ることができる。ここで、予備成形品は、実質上溶融ケイ素金属と反応する形の炭素を含まず（例えば遊離炭素がない）、または少なくとも反応するのに十分な量の遊離炭素を含まない。ケイ素を含む溶融金属は、その場で炭化ケイ素相を形成することなく、多孔質の塊または予備成形品に溶浸する。

［００３１］特に装甲の実施形態において、本発明者らは、既知の硬度要件を比較的微細粒子の微小構造と組み合わせるとき、非常に望ましい装甲材料が製造できることを見出した。この微小構造を達成するために、溶浸中の化学反応の程度を最小にすること、および微小構造の生成（再結晶化または焼結の他の形）を最小にすることが重要である。この目的のために、発明者らは、溶浸すべき予備成形品の硬質充填材料を構成する物体（例えば粒子）のサイズを制限することを推奨する。一般に、充填材粒子のサイズは、直径約３００〜３５０ミクロン以下に保つべきであり、小口径武器の発射に打ち勝つ非常に良好な性能は、全ての形態学的形状もしくは少なくともセラミック相の少なくとも９０体積％が約１００ミクロンのサイズに保たれるときに実現される。したがって、装甲用途に設計された、本炭化ホウ素複合材料により得られる微小構造は、限られたサイズの充填材粒子を特徴とし、多孔質の塊中または予備成形品中に提供された硬質相を構成する物体の相互接続性が制限された微小構造である。言い換えれば、充填材料を構成する物体は、過剰の焼結もしくは再結晶などによって、または過剰のその場で形成されたＳｉＣによって、少量またはごく僅かな量のお互いの相互接続性も有すべきではない。

＜定義＞
［００３２］本明細書に用いられる「面密度」は、単位面積あたりの装甲系の質量を意味する。

［００３３］本明細書に用いられる「弾道衝撃停止力（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｓｔｏｐｐｉｎｇ ｐｏｗｅｒ）」は、全面密度の単位あたりのＶ_５０発射体の速度を意味する。

［００３４］本明細書に用いられる「遊離炭素」は、溶融ケイ素と反応して炭化ケイ素を形成することを意図された炭素を意味する。この用語は、通常元素の形の炭素を指すが、必ずしも元素状炭素の形に制限されない。

［００３５］本明細書に用いられる「不活性雰囲気」は、溶浸材または溶浸すべき多孔質の塊もしくは予備成形品と実質上非反応性である雰囲気を意味する。したがって、この定義は、別のわずかに還元性もしくはわずかに酸化性であると考えることのできるガス状構成成分を含む。例えば、約４％の水素を含み、残りが窒素であるフォーミングガスは、水素が充填材料を還元しない限り、また、窒素が溶浸材または充填材料を認められるほど酸化しない限り、本開示の目的において不活性雰囲気と考えることができる。

［００３６］本明細書に用いられる「質量効率（Ｍａｓｓ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）」は、試験される所与の目標面密度と同じ弾道衝撃性能を与えるために必要な、均質な圧延鋼装甲の面密度（比で表した）を意味し、比で表される。

［００３７］本明細書に用いられる「反応結合した炭化ケイ素」または「ＲＢＳＣ」は、反応結合、反応形成、反応性溶浸、または自己結合によって製造されたセラミック複合体を指す。

［００３８］本明細書に用いられる「反応結合した炭化ホウ素」または「ＲＢＢＣ」は、複合材の充填材または補強（すなわち相が結合している）が炭化ホウ素を含む、反応結合した炭化ケイ素複合材の種類もしくは部分集合を意味する。

［００３９］本明細書に用いられる「反応結合」、「反応形成」、「反応性溶浸」、または「自己結合」は、ケイ素を含む溶浸材と反応して、少なくともいくらかのその場で生成した炭化ケイ素を含むセラミック複合体を形成することの可能な形で炭素を含む、多孔質の塊の溶浸を意味する。

［００４０］本明細書に用いられる「ケイ素化」は、ケイ素金属を含む溶融溶浸材で多孔質の塊を溶浸させ、ケイ素金属を含むマトリックスを有する複合体を製造することを意味し、少なくともケイ素構成成分は多孔質の塊の構成成分と実質上非反応性である。したがって、「ケイ素化炭化ホウ素」は、炭化ホウ素およびケイ素金属を含む複合体を指すが、実質上ケイ素金属の反応からその場で形成された炭化ケイ素を含まない。

［００４１］本明細書に用いられる「総面密度」は、セラミック装甲材料の面密度に、装甲系を構成する成分の組み立て部分と考えることが適切である他の材料の面密度を加えたものを意味する。他の材料の例は、セラミック装甲プレートの裏打ちまたは収容のためにしばしば用いられるファイバー補強ポリマー材料とすることができよう。

本発明の実施形態

［００５１］本発明によれば、複合材の補強成分として、非常に硬い非常に硬質の材料を大きな割合で生成するために、好ましくは高容積比の、または１種または複数の極めて硬い炭化ケイ素などの硬質材料と組み合わせた炭化ホウ素を含み、実質上孔のない、機械的に強い複合材料が製造される。さらに、例えば炭化ホウ素相の反応抑制など処理条件の注意深い制御によって、優れた材料、特に優れた装甲製品を製造することができる。さらに、本発明によって製造された複合体は、ホットプレスおよび焼結体よりも熱処理の際に良好な寸法公差を維持する。

［００５２］上述のように、本発明によって考えられるある種の用途に非常に望ましい硬度を有する炭化ケイ素および炭化ホウ素の２種の候補材料を、焼結などの従来の手法によって完全に高密度化することは困難である。それらの材料はホットプレスが容易であるが、ホットプレスは、例えば、その費用、および多くの機械加工なしに製造できる幾何形状に制約を受ける欠点を有する。

［００５３］したがって、特に経済性および製造の柔軟性の理由から、本発明の複合体は、ケイ素を含む溶融溶浸材が炭素および炭化ホウ素を含む少なくとも１種の硬質セラミック材料を含む多孔質の塊に接触する、通常「反応形成」または「反応結合」と呼ばれる反応性溶浸技術によって製造することができる。溶融ケイ素系材料は、多孔質の塊または予備成形品中の相互接続された孔に溶浸する。溶融ケイ素は、炭化ホウ素成分が溶融ケイ素と化学的に反応する傾向を減衰させるのに十分な量の１種または複数のホウ素源を含む。溶融ケイ素が１種または複数の炭素源も含むときは特に好ましく、その存在はまたこの化学反応の抑制を助けるようである。溶浸と同時に、ケイ素は多孔質の塊または予備成形品中の炭素と反応して炭化ケイ素を形成し、この炭化ケイ素は典型的に「ベータ」ＳｉＣの多形体を有する。溶浸材の量は、一般に、多孔質の塊または予備成形品中の炭素が完全に炭化ケイ素と反応する量提供され、充填材料とその場で形成された炭化ケイ素との間に残ったあらゆる空隙空間を充填するのに十分な追加の溶浸材が提供される。得られる複合材料はその場で形成された炭化ケイ素のマトリックスを特徴とする。充填材および残渣の未反応溶浸材量はマトリックス全体に分散される。残渣の溶浸材はしばしば相互接続されるので、それはしばしば複合材のマトリックスの部分と考えられる。

［００５４］好ましい処理条件に関して、この種の溶浸に適合性のある雰囲気は真空またはアルゴンなどの不活性雰囲気を含むが、真空が好ましい。真空は「極度の」または高い真空度である必要はなく、機械的な「粗引き」ポンプで与えられる程度で完全に十分である。溶浸は高温でより堅牢になる傾向があるが、それはさらに激しくもなり、特に炭化ホウ素成分の望ましくない副反応が発生する。さらに、高温で溶浸材を空間的に拘束することはより困難である。さらに、より高い処理温度は、過度の粒子成長がより推進する傾向にある。これらの全ての理由のため、好ましい処理温度は、一般に、低くても信頼性のある溶浸が保たれる温度である。粗引き真空環境中で炭化ホウ素含有粒子状の塊中にケイ素系金属を溶浸させるためには、約１４５０℃〜１６００℃の範囲の温度で十分なはずである。

［００５５］炭化ホウ素は、立方センチメートルあたり約２．４５〜２．５５グラムのその低い理論的密度のために、物品の質量が重要である場合、特に魅力的な充填材料の候補である。（報告された理論的密度の範囲は、炭化ホウ素が本質的にライン化合物ではなく、代わりに限られた化学量論的範囲を示す理由のためであろう。）炭化ホウ素のヤング率は炭化ケイ素のそれ（約４５０ＧＰａ）に匹敵するので、炭化ホウ素は炭化ケイ素よりも高い比剛性を有する。高い比剛性は、精密な動作および動作の制御を必要とする用途、特に大きな負荷または高い加速度が係わる用途において価値のある特性である。さらに、炭化ホウ素は、炭化ケイ素よりもさらに硬い。したがって、炭化ホウ素を補強または充填材料とすることを特徴とするＲＢＳＣ複合体（すなわち「ＲＢＢＣ」）は、炭化ケイ素を充填材料として有するＲＢＳＣ複合材に比べて、より高い硬度でありながらより低い比重を提供する。

［００５６］代替の実施形態において、本発明は、「ケイ素化ＳｉＣ」を作る工程と類似の「ケイ素化」工程によって作られた炭化ホウ素複合材を含む。ここで、通常、市販の純粋な元素状ケイ素であるケイ素を含む溶融溶浸材は、少なくともいくらかの炭化ホウ素を含むセラミック材料の多孔質の塊に接触し、一般に真空または不活性ガス（例えばアルゴン）環境であると考えられる処理条件下で溶融溶浸材に濡れることができる。炭化ホウ素を含むセラミック材料は、粒子のゆるんだ質量など、実質上非接続粒子の形とすることができ、または、軽度に焼結された、もしくは「素焼き」材料の形とすることができ、または重度に焼結して少量の相互接続された多孔質を有することができる。ＲＢＳＣ工程とは異なり、ここで多孔質の塊中の炭素源は実質上欠乏する。したがって、ケイ素化はＲＢＳＣ工程ほど堅牢な溶浸工程ではない。したがって、約１５００℃〜約２０００℃など、いくらか高い溶浸温度、および／または真空環境（例えば不活性環境とは逆に）が要求されるであろう。しかし、装甲用途のケイ素化炭化ホウ素を作るには、以下でさらに深く論じる理由のため、おそらく、より高い溶浸温度、および予備成形品のより重度の焼結を避けるべき（例えば、充填物をより相互接続させるために）であると本発明者らは推奨する。

［００５７］しかし、多くの従来のケイ素溶浸条件下で、炭化ホウ素は少なくともいくらか溶融ケイ素と反応性がある。それらの反応の反応生成物の１種は多くが、その場で形成される炭化ケイ素であるが、炭化ホウ素装填を最大にすることを試みる場合、炭化ホウ素が実質上溶浸材に影響されずに残ることができるならば、すなわち、ケイ素が炭化ホウ素と反応しなかったならば、望ましいことである。反応結合の実施形態において、本発明は、いくらかのホウ素を溶融ケイ素に溶解し、それによってケイ素と炭化ホウ素との反応活性を低減することによって、この問題を解決する。純粋のケイ素は、それが多孔質の塊または予備成形品中の炭化ホウ素相と反応すると、結局ホウ素と炭素で飽和されるであろうが、この手法は、この多孔質の塊または予備成形品が「犠牲」にならないかぎり好ましいことではなく、最終的な商業的物品が製造されない。多くの場合、多孔質の塊または予備成形品の炭化ホウ素補強とケイ素溶浸材との反応は、得られる炭化ケイ素複合体の亀裂を招いた。代わりに、溶浸材が多孔質の塊または予備成形品に接触する前に、ホウ素源をケイ素系溶浸材に提供することが好ましい。ケイ素に溶解することのできる任意のホウ素含有物質は本発明の内容において有用になり得るが、元素状ホウ素および炭化ホウ素は特に好ましい。

［００６０］ホウ素源材料をケイ素溶浸材に加える技術はいくつも考えることができる。本発明による好ましい手法は、溶浸すべき予備成形品を支持し、炭化ホウ素を含む多孔質予備成形品からなるキルン装置によって溶浸材を予備成形品に供給することである。詳細には、ケイ素含有溶浸材は少なくともいくらかの炭化ホウ素を含むキルン装置（以降は「フィーダーレール」または「ビーム」と呼ぶ）を溶浸することができる。キルン装置は、多孔質状態、例えば予備成形品として、または「溶浸済み」状態、例えば複合体として提供することができる。溶浸後、最終的に商業的物品になることを意図した、しばしば「対象」予備成形品と呼ばれる予備成形品は、キルン装置上に支持される。ケイ素含有溶浸材はキルン装置の少なくともいくらかの炭化ホウ素に溶解し、炭素および／またはホウ素で飽和される。次いで、この溶融ケイ素がキルン装置に接触する対象予備成形品に溶浸し続けるとき、溶浸ケイ素は対象予備成形品の炭化ホウ素と非常に僅かしか反応しないであろう。ケイ素がキルン装置の炭化ホウ素と反応した結果生じるキルン装置の亀裂は、ケイ素が対象予備成形品中へ継続して溶浸することに対して過度に影響しないはずである。無論、支持キルン装置は本質的に炭化ホウ素を含む必要はない。ホウ素が溶浸材中のケイ素成分に溶解することのできる多くのホウ素含有物質は満足することができるはずであるが、酸化ホウ素などの物質は熱処理条件下で十分な耐火性がないであろう。さらに、ホウ素源がキルン装置中に配置される必要はなく、溶融ケイ素が対象予備成形品の炭化ホウ素と接触する前に、それは合金化され、またはせいぜい溶浸材のケイ素成分中に任意の点で導入されるであろう。本発明者らは、例えば溶浸のための「レイアップ（ｌａｙ−ｕｐ）」を作るとき、溶融ケイ素溶浸材を収容する容器の底に、例えばフィーダーレールの間にゆるい粉体として分散させて、炭化ホウ素粒子を提供することが有用であることを見出した。さらに、本発明者らは、少なくともＲＢＢＣ実施形態において、溶浸すべき多孔質の塊または予備成形品上に窒化ホウ素被覆を存在させることが炭化ホウ素反応の抑制に役立つことに注目した。

［００６１］炭化ホウ素ケイ素化工程など、多孔質の塊または予備成形品中の反応可能な炭素に依存しないケイ素溶浸材については、ホウ素源に加えて、溶融ケイ素に炭素源を添加して、ケイ素が炭化ホウ素から炭素を溶解させる傾向を抑制することも望ましいことであろう。無論、炭化ホウ素はホウ素源と同様に炭素源を提供するが、多くの元素状炭素の形など、独立の炭素源を提供することが望ましい。これらは粉体、例えば、グラファイト粉の形で提供することができ、フィーダー予備成形品を作る材料に混合することができ、またはケイ素溶浸材に混合することができ、これらはしばしば粉体状または塊の形状で提供される。また、ホウ素源とは独立した炭素の添加は、いくらか反応抑制の対策になり得る。

［００６２］約１５５０℃の処理温度で、僅かな量の元素状ホウ素、おそらく僅かに１重量％程度の炭素が溶融ケイ素に溶解するであろうことに注目すべきである。いずれにしても、これらの量は実質上炭化ホウ素補強の溶融ケイ素への溶解または反応を抑制するのに十分なはずである。

［００６３］本発明の好ましい実施形態は、弾道発射体を停止する装甲としての、本炭化ホウ素複合材料の特定の用途に関する。入射する発射体に打ち勝つために、それらのセラミック装甲は通常少なくとも２層の完全に異なる材料から構成されることを特徴とする。すなわち、それらの弾道衝撃装甲系の成分は、最小でも典型的に互いに接合されたセラミック層と裏打ち層を特徴とする。名前が示唆するように、裏打ち層は発射体の進行方向に対して、セラミック層の後方に配置される。ときどき、１層または複数層の保護材料もセラミック層の前に配置されるが、これらは通常セラミックが日常の取扱い（または取扱いの誤り）によって破壊することを保護するためである。セラミック層の目的は、衝突する発射体を平坦化、粉砕、侵食等などによって「処理」することである。裏打ち層の役割は、次いで処理された発射体、ならびにセラミック層の後方に飛び散る破片を「捕捉」することである。典型的に、裏打ち層は粉々に破損することなく大きく変形することができる。裏打ち層は、アルミニウム、鉄もしくは鋼、チタン等の金属または合金から作ることができ、車両用装甲では車両自体の構造となることができる。軽量な装甲が必要な場合、裏打ち層は典型的に繊維補強ポリマー（ＦＲＰ）材料である。これらの裏打ちに用いられる繊維は、ポリエチレン、アラミド、ガラス繊維を含む。周知のＦＲＰ裏打ち材料は、ＡｌｌｉｅｄＳｉｇｎａｌ Ｉｎｃ．（現在はＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．が所有し、直角に交差積層された２層の単方向延伸鎖ポリエチレン繊維テープから構成され、不織布の熱可塑性複合材になるロール状製品を指す）によって登録された商品名「ＳｐｅｃｔｒａＳｈｉｅｌｄ」があるが、いくつかのそれらのＦＲＰ裏打ち材料が市場で入手可能である。

［００６４］装甲は、一般にプレートの形をとるが、プレートは平坦な規則的な多角形である必要はない。しばしば、装甲プレートは保護すべき下地構造に整合するように形状加工される。例えば、身体装甲は装着者の形状、例えば人間の胴体に良好に整合するように、１次元または複数次元に湾曲される。

［００６５］装甲技術の多くの当業者によれば、装甲材料に求められたものは、衝突する発射体をそれが装甲系に侵入する前に破壊し侵食するものである。Ｖｉｅｃｈｎｉｃｋｉら（引用）は、少なくとも発射体と同じ硬度を有することは、装甲にとって硬度に関して要求される全てであるが、必要な「閾値」レベルを超えて硬度をさらに増加させても性能レベルは顕著に増加しないことを示した。

［００６６］したがって、上で示唆した動作制御用途に加えて、炭化ホウ素複合材は装甲材料の魅力的な候補になるはずであり、実際に従来技術が示すように、他の技術者は以前、炭化ホウ素複合材料を装甲として用いることを試みた。装甲はしばしば総重量で規定されるため、同じ質量からより厚く装甲を作ることができる（これが望ましいことは前に述べた）ためで、低い容積比重を有する装甲系が探求された。炭化ホウ素の極度に高い硬度のひとつの重要性は、非硬質相、例えば金属が、炭化ホウ素および金属を含む複合体中に多量許容され、複合体に要求される全体の硬度を満たしながら、例えば、強度または靭性などの他の特性を向上できることである。

［００６７］本発明の炭化ホウ素複合材料の全体的な硬度は、複合材料の構成成分の硬度およびその容積割合に比例する。高性能の装甲材料の開発に関して、本発明の装甲の実施形態は、重要と考えられる全体的な硬度を満足するのに十分な、高容積の炭化ホウ素などの硬質セラミック相の装填を達成し、かつ、複合体を構成する最大粒子または結晶、特にセラミック結晶のサイズを制限することに焦点を合わせる。これをさらに正確に述べれば、炭化ホウ素複合体の微小構造を構成する実質上全ての形態学的な形状は、サイズが約３５０ミクロンよりも小さくなければならないことである。実質上これらの全ての形状は、約２１２ミクロンより小さいことがさらに好ましく、少なくとも９０体積％が約１００ミクロンより小さいことがさらに好ましい。炭化ホウ素複合体は、そのセラミックの形態学的形状の少なくとも９０体積％が、約５５ミクロンを超えないサイズを有することが特に好ましい。

［００６８］多孔質の塊または予備成形品に使用される充填材料の粒子サイズのそれらの上限は、技術の中でも特に充填体の篩かけによって達成することができる。例えば、１７０メッシュおよび２００メッシュ（米国規格）スクリーンは、それぞれ最大サイズ約９０ミクロンおよび７５ミクロンの粒子を生成する。同様に、４５メッシュ、５０メッシュおよび７０メッシュ（米国規格）篩スクリーンは、それぞれ最大サイズ約３５０ミクロン、３００ミクロン、および２１２ミクロンの粒子を通過させる。炭化ホウ素複合体は、その形態学的形状の少なくとも９０体積％が、約５５ミクロンを超えないサイズを有することが特に好ましい。

［００６９］複合体中の硬質相の量を最大にするひとつの技術は、典型的に硬度の高い充填材料の形で、硬質相に高容積装填された多孔質の塊または予備成形品を製造することである。高度に装填された予備成形品は、小さな粒子がより大きな粒子の間の空間に入り込み、または納まることができるように、充填材料粒子を分散して用いることによって製造することができる。最大粒子のサイズを本質的に上限を設けまたは制限することと、予備成形品中に硬質充填材の装填を最大にすることの２つの因子は互いに矛盾するので、同一材料において両方のパラメータの調整には注意が必要である。幸い、本発明は、充填材のサイズを制限する、例えば、少なくとも充填材の９０体積％を直径約１００ミクロンよりも小さくするような方法によって充填材のサイズを制限しながら、硬質充填材が高度に充填された予備成形体を得ることに比較的成功した。最大粒子が約１００ミクロンという、より控えめな上限でさえも、ＳｉＣおよび／またはＢ_４Ｃなどの硬質セラミック相に６５体積％またはそれ以上を装填した予備成形品を製造することが可能である。

［００７０］以下の実施例に用いられる「より大きな」硬質セラミック充填材のいくつかは、以下の粒子サイズ分布を有する。グレードＦ２４０ ＣＲＹＳＴＯＬＯＮ（登録商標）ＳｉＣ（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ／Ｎｏｒｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ、Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ、ＭＡ）は、その全構成成分粒子の９０体積％が約５５ミクロンより小さく、９７％が約７０ミクロンよりも小さい。グレードＦ３２０ ＣＲＹＳＴＯＬＯＮ（登録商標）ＳｉＣはその粒子の９０体積％が約３７ミクロンより小さく、９７％が約４９ミクロンよりも小さい。これらの結果はＥｐｐｅｎｄｏｒｆ−Ｐｈｏｔｏｓｅｄｉｍｅｎｔｏｍｅｔｅｒに基づいて計算された。ふるい分析によれば、２２０グリットのＴＥＴＲＡＢＯＲ（登録商標）Ｂ_４Ｃ（ＥＳＫ、Ｋｅｍｐｔｅｎ、Ｇｅｒｍａｎｙ）はその粒子の８５％が約７５ミクロンよりも小さく、実質上その全ての構成粒子は約１０６ミクロンよりも小さい。

［００７１］本発明で規定した微細粒子サイズの制限は、実際に高い機械強度の代用、または少なくとも複合材料の機械強度の下限を設定する代用になり得る。粒子サイズの制限は、必要であるが、脆い材料に高い強度を与える十分条件ではないので、伝統的に、高い強度目標の達成は、製造されたセラミックまたは複合体の品質計量のひとつであると考えられた。一般に、脆い複合材料、特に溶浸によって製造された脆い複合材料では、欠陥の多くは、得られる複合体の機械的強度に重大な影響を及ぼす。これらは、予備成形品中の不均一な充填材料分布、例えば、多孔質および／または未反応炭素もしくは他の反応物が予備成形品中に残る、予備成形品の不完全な溶浸、充填材料またはその場で製造されたあらゆる炭化ケイ素の熱処理中の過剰の粒子成長を含む。それらの欠陥はおそらく材料の防弾性能も損なうであろう。

［００７２］本発明の炭化ホウ素複合材料の微小構造が、より大きな、相互接続の多い微小構造を有する、ケイ素溶浸技術で作られた従来技術の複合体とは異なるモード（例えば、粒内に対して粒界）で破壊する場合があり得る。正確な理由または動作機構が何であれ、本発明者らは、限られた粒子サイズおよび限られた接続性のセラミック相のＲＢＢＣ材料が、弾道発射体、特に小さな武器発射からの発射体の停止に非常に効果的であることを見出した。

［００７３］本発明の炭化ホウ素複合体の硬質充填材成分はケイ素成分よりはるかに硬い（例えば、それぞれＢ_４Ｃの約２９００〜３５８０ｋｇ／ｍｍ^２のヌープ硬度に対してＳｉの約１１００ｋｇ／ｍｍ^２（ビッカース））ので、複合体の全体の硬度は各相の相対量に大きく依存する。したがって、本複合材料の最終使用物品が弾道発射体に対して保護するための装甲であるとき、特に残渣の溶浸材相成分がケイ素よりも柔らかい場合、複合体が大きな容積比の硬質相を含むことが重要であり、その内容は以下で詳細に論じる。反応形成された炭化ケイ素複合材料において、炭化ケイ素のいくらかはその場で製造される。したがって、多量の炭素を含む多孔質の塊中にケイ素を溶浸させることによって、炭化ケイ素で高度に装填された複合体を形成することが可能である。また、以下でより詳細に論じる理由により、この手法は好ましくない。代わりに、炭素ではなくむしろ充填材料の硬質セラミック相で高度に装填された多孔質の塊または予備成形品を反応させながら溶浸させることが望ましい。代替の実施形態において、反応性炭素が殆どない又は全くない硬質充填材料で高度に装填された予備成形品は、溶融ケイ素、またはケイ素含有金属で溶浸（例えば、「ケイ素化」）される。

［００７４］多孔質の塊または予備成形品が炭化ホウ素を含むとき、溶融溶浸材のケイ素は炭化ホウ素と反応することができるので、追加の炭素源は必要ではない。これはＴａｙｌｏｒら（および他の研究者）が上で論じた‘５６４特許で採用した手法である。得られる複合体の硬度および／または炭化ホウ素装填を最大にすることが目的であれば、この手法は望ましくない。特に、炭化ホウ素は炭化ケイ素よりも高い硬度とより低い比重を有している。したがって、炭化ケイ素（プラスホウ化ケイ素）を製造するための炭化ホウ素とケイ素との反応は、低硬度であり高比重の物質と交換に高硬度の物質を手放す。したがって、炭化ホウ素成分の反応を最小にするのが望ましいことであろう。したがって、装甲系のように、高い硬度と低い比重の物体が望ましく、反応結合した複合体中の充填材料として炭化ホウ素が用いられる場合、炭化ホウ素以外の炭素源が多孔質の塊または予備成形品中に存在すべきである。

［００７５］ケイ素化工程において、反応性炭素は多孔質の塊中に少量しか存在せず、または全然存在しない。しかし、少なくとも少量の炭素が存在しないと、溶融ケイ素は多孔質の塊の炭化ケイ素から炭素を溶解させるであろう。したがって、溶融ケイ素が溶浸すべき多孔質の塊と接触する前に、おそらく飽和点まで溶融ケイ素に炭素源を供給することが望ましい。この濃度を超えると、過剰の炭素はその場で形成されるＳｉＣとして沈澱するであろう。再び、最初に溶融ケイ素が元素状炭素または炭化ケイ素などの炭素源と接触することによって、ケイ素は溶液中にいくらかの炭素を取り込むことができる。炭素源は、ケイ素溶浸材へのホウ素源の提供に用いられる技術と同じ技術で提供することができる。多孔質の塊または予備成形品の炭化ホウ素からの炭素を溶解するこの溶融ケイ素の問題は、通常、ケイ素を飽和しこの反応を抑制するのに十分以上の反応性炭素が存在するので、一般に反応性溶浸系、例えば、ＲＢＢＣには問題ではない。

［００７６］多孔質の塊または予備成形品中の充填材料の容積装填を最大化する技術は周知であり、通常、より小さな粒子がより大きな粒子の間の隙間に充填しやすいようなサイズ分布を有する複数の充填材料体、例えば粒子を混合する形が用いられる。しかし、粒子サイズの分布の程度にはサイズ分布の限界がある。例えば、化学反応の可能性がある場合、これらのケイ素溶浸系には炭化ホウ素が存在するので、より小さな粒子はその大きな総表面積のためにより大きな粒子よりも反応性が高くなる傾向がある。尺度の他の端のある点で、大きなサイズの充填材料粒子は複合体の強度を低下させ始め、材料への臨界サイズの欠陥の導入に起因する脆性破壊機構によって劣化するであろう。さらに、強度に関係するか否かにかかわらず、大きなまたは比較的大きな粒子を含むＲＢＳＣ体は優れた装甲材料ではなかったという不確かな証拠が従来技術にある。したがって、本発明は、比較的微細な炭化ホウ素粒子を反応結合作業中に溶浸させることができ、入ってくるケイ素溶浸材との反応に消費されない技術を提供することによってこの問題を克服する。微細粒子のＲＢＢＣを作る可能性は装甲用途に有益であるばかりではなく、多くの精密装置用途に有益である。特に、微細粒子サイズの複合材料によって獲得した高い強度は重要ではなくても、微細粒子サイズは、より細かな形状を材料に研磨または機械加工することを可能にする。

［００７７］任意の既知の技術を用いて、ケイ素を含む溶融溶浸材で溶浸することのできる多孔質予備成形品を製造することができるが、１種または複数の充填材で高度に装填した予備成形品、特に比較的薄い予備成形品をより良好に製造できると思われる技術は、液体相を用いる、例えば、沈降成形、スリップ成形、またはチクソトロピー成形である。しかし、乾燥プレスなど、他の周知のセラミック加工技術も、組成物の特殊性および形成される物品に応じて、完全に満足することができる。

［００７８］最近、反応形成炭化ケイ素体を作るのに用いられる溶浸材金属を合金化することが知られており、形成された物体の金属相はケイ素以外の構成成分を含む。（例えば共同所有の米国特許第６，５０３，５７２号参照。）例えば、本炭化ホウ素複合材系において、溶浸材はケイ素、ホウ素、および銅の合金を含み、形成された炭化ホウ素複合体中に金属銅もしくは銅合金、または銅−ケイ素金属間化合物を含む相を生成することができる。それらの合金溶浸材相を含む物体は、しばしば溶浸材相として本質的に純粋なケイ素を有する類似の物体よりも柔らかいが強靭である。硬度が低下するにもかかわらず、合金化された溶浸材相を有する反応結合炭化ホウ素複合材は、やはり装甲材料として良好に機能するはずである。例えば、圧縮強度または強靭性の特性は、特に高い硬度と組み合わせたとき、良好な防弾特性に貢献する重要な要因である。例えば、強化された靭性は、得られる装甲製品の改善された多重打撃能力に貢献することができ、および／または、市場における日常の取扱いにとっても重要な、改善された耐久性に貢献することができよう。また、ケイ素化工程では溶浸材への他の（ケイ素ではない）金属の添加も容易である。

［００７９］再び、本発明の多孔質の塊は、常にいくらかの量の炭化ホウ素を含む。ケイ素溶浸材をホウ素源でドープすること、および必要であれば炭素源でドープすることなどの、先進的な技術がないと、多孔質の塊の炭化ホウ素成分は溶融ケイ素と反応して炭化ケイ素プラスホウ化ケイ素を生成する傾向がある。本発明において、炭化ホウ素が溶融ケイ素とは決して多量に反応しないように系を設計した。したがって、炭化ホウ素成分は実質上不活性充填材料であると考えることができる。炭化ホウ素に加えて、多孔質の塊は１種または複数のそれらの他の充填材料を組み込むことができる。これは、局部的な処理条件下で実質上溶融溶浸材とは反応性のない充填材料であることを意味する。特に好まれるそれらの充填材料の１種は、溶融ケイ素が酸化物などの他の不活性材料よりも容易に炭化ケイ素に濡れるので、炭化ケイ素である。しかし、局部的な処理条件下で炭化ホウ素または炭化ケイ素ほどの濡れ性がないが、溶融ケイ素による多孔質の塊全体への濡れ性と溶浸を達成する、少なくともいくらかの量の他の充填材料を混合することは可能なはずである。それらの代替の充填材料の例は、二ホウ化チタン、窒化ケイ素、および窒化アルミニウムを含む。特に多孔質の塊が反応性炭素源を含み、特にこの炭素源が充填体上の被覆の形などのように相互接続されているならば、「濡れ性のない」充填材料（例えば、酸化アルミニウム）の一定量を混合し、溶融ケイ素による多孔質の塊の濡れ性と溶浸性を達成することも可能である。

［００８０］溶浸される多孔質の塊を構成する充填材料は、粒子、小板、フレーク、ウイスカー、連続繊維、微小球、凝塊等を含む多くの異なる形態で提供することができる。粒子は経済性および入手可能性の理由からしばしば好まれる。

［００８１］視覚検査では不可能であるが、Ｘ線回折技術を用いて、補強または充填材料として存在することのできる任意の炭化ケイ素から反応形成された炭化ケイ素マトリックスを識別することが可能である。詳細には、反応形成された炭化ケイ素は、少なくとも本処理条件下では典型的にベータ多形体である。対照的に、大部分の市販されている特に通常グレードの炭化ケイ素は、充填材料として最も使用されるアルファ形である。したがって、複合体に存在する各々の相対量に関して、少なくとも概略の量的データを得ることができる。

［００８２］広範囲のサイズの充填材料体、例えば、数ミリメートルからミクロン程度のサイズの範囲の物体は、反応形成工程を用いて成功裏に溶浸することができる。再び、目標が防弾装甲に貢献する物体の製造であるとき、充填体および複合体のセラミック成分を構成する実際に全ての形態学的特徴は、約３００〜３５０ミクロン、好ましくは約２１２ミクロン以下のサイズに保たなければならない。

［００８３］以前に、発明者らは形態学的特徴（例えば結晶等）のサイズは約１００ミクロン程度以下に保つことを推奨した。しかし、ある種の反応条件が以下の節で説明する制御に維持されれば、約１００ミクロンよりもいくらか大きい粒子を使用することが可能であり、なお良好な弾道衝撃性能を達成する。

［００８４］多孔質の塊を構成する充填材物体の最大サイズを制限することに加えて、充填材料の多孔質の塊は、特に溶浸の間、過剰の温度に暴露してはならない。この点に関して、本発明は、約１５５０℃の温度で、炭化ホウ素とホウ素ドープケイ素溶浸材の反応を起こさずに、炭化ホウ素粒子（プラス添加された炭素）の多孔質の塊の溶浸に成功した。ここで、「過剰」はセラミック粒子が認識できる程度成長することのできる温度も指す。例えば、炭化ケイ素のベータからアルファ結晶学的形への転移は約２０５０℃で起きる。結晶学的転移は、しばしば広い粒子成長を伴い、これは微小構造の粗化として観察することができる。正確な条件に応じて、僅かに高い温度（おそらく、約２１００℃）へ加熱し、かつ、この再結晶を防止することが可能であるが、この温度で炭化ホウ素成分に何が起きるかは未知である。さらに、約２０００℃を超える温度で溶浸または溶浸された塊の後処理を行うべきではないことを推奨すべきであろう。再び、本炭化ホウ素複合材の製造に関する限り、目的を達成する最低の温度が一般に好ましい。

［００８５］さらに、反応結合複合材系において、硬質相の高容積割合は大量のその場で形成される炭化ケイ素相の生成からではなく、代わりに、硬質セラミック充填材料を高度に充填した塊を設計することによって達成すべきである。例えば、溶浸すべき多孔質の塊はその場で炭化ケイ素を形成する炭素源として遊離の、または元素状炭素を含むことが好ましい。この遊離炭素の量は、多孔質の塊の約１０体積％を超えず、好ましくは約５〜６％を超えない量に制限すべき（一般に）である。したがって、一般に、その場で製造された炭化ケイ素の量は、最終複合体の約２４体積％を超えず、好ましくは約１２〜１４％を超えない量に制限すべきである。溶浸工程中の過剰の反応に起因する問題の中で、ケイ素と炭素の化学反応の発熱性質による温度の急上昇がある。それらの温度の急上昇は局所的熱膨張に起因する亀裂を招く。また、元素状炭素の炭化ケイ素への変換は、約２．３５倍の容積膨張を伴う。したがって、大量の容積変化が亀裂を発生させ得る観点から、大量の反応も有害である。

［００８６］しかし、本発明者らが注目したことは、多くの従来技術の反応結合の文献は、直前に上で警告したような、発明者らが「過剰反応」を伴うと認識した処理条件を明らかに開示することである。結果は、過剰の粒子成長と、個々の粒子または形態学的形状（例えば粒子）が合体若しくは融合して大きな粒子になることである。例えば、図８Ａを参照されたい。この粗い微小構造とは対照的に、本発明者らは、良好な弾道衝撃性能を有し図８Ｂに示したものと類似の微小構造を有する、ケイ素を溶浸した装甲用の複合材料を製造した。この微小構造は、最小の化学反応、少ないか皆無のＳｉＣ再結晶、しばしば「凝集」と呼ばれる合体が最小であることを特徴とする。これらの２つの図は、充填材粒子としてＳｉＣであり、Ｂ_４Ｃではないことが特徴であるが、図示されている点を否定しないことを指摘すべきである。したがって、ケイ素溶浸技術によって最小の硬質充填材粒子の相互接続性を示すこれらの微小構造（当初個々の物体として提供された）を有するセラミックリッチの複合材料の製造を継続することができる限り、充填材の粒子サイズを１００ミクロン程度以上に増加することができ、やはり装甲用途において許容できる弾道衝撃性能が得られることを本発明者らは主張する。例えば、充填材粒子のサイズを約２１２ミクロンまで、またはおそらく３００〜３５０ミクロンの範囲まで増加することが可能であろう。

［００８７］したがって、得られる本発明の装甲級炭化ホウ素複合材料の微小構造は、多孔質の塊または予備成形品中に提供された、炭化ホウ素を構成する物体および他の硬質相の相互接続性が制限された物体の１種である。言い換えれば、充填材料を構成する物体は、過剰焼結もしくは再結晶化、または過剰のその場で形成されるＳｉＣ形成によるものなど互いに少量の、または僅かな量の相互接続性も有すべきではない。

［００８８］必要ではないが、本発明の反応結合実施形態のために多孔質の塊または予備成形品に加えられる炭素源は、通常グラファイトなどの元素状炭素の形をとる。多くの用途、特に高い硬度を要求するものにおいて、得られる複合体の炭化ケイ素は少なくとも部分的に相互接続されることが望ましい。この成果は、多孔質の塊または予備成形品中の炭素が相互接続されているならばより容易に達成される。さらに、多孔質の塊または予備成形品中の相互接続された炭素は速度および信頼性の点で溶浸を助ける。好ましい実施形態において、炭素は樹脂として多孔質の塊に導入される。次いでこの混合物は所望の形状に成形することができる。樹脂の硬化は自立型多孔質の塊、例えば予備成形品を与える。典型的に非酸化性雰囲気中の後続の熱処理、または中間の焼成工程の間に、樹脂は相互接続した炭素の形に熱分解して少なくとも約１体積％の炭素を含む予備成形品を生成する。樹脂の溶浸および熱分解サイクルは、炭素含有量の増加が必要であれば、１回またはそれ以上繰り返すことができる。

［００８９］反応結合炭化ホウ素複合体は一般にホットプレス炭化ホウ素体よりも安価に製造される。複数のＲＢＢＣ体を同時に熱処理することができるばかりでなく、工具（典型的にグラファイト）はホットプレス作業に用いられるものよりも長時間耐える。

［００９０］前述のように、本ＲＢＢＣ複合材料は、正確な正味寸法公差の獲得で表現しまたは測定して、例えば、身体装甲用途のための湾曲したタイルとして、ホットプレスされた炭化ホウ素装甲タイルよりも良好に正味のサイズと形状に製造することができる。また、本発明者らは、本ケイ素化炭化ホウ素材料が、ホットプレス炭化ホウ素よりも良好な寸法再現性を示すことを期待する。

［００９１］より厳しい寸法公差は、性能の優位性を表すものである。詳細には、装甲製造、特に重量に敏感な用途の装甲は、典型的に、規定された最大重量または面密度で、Ｖ_５０発射体速度数で測定し、ある最小弾道衝撃保護レベルに見合うように規定または確認される。（情報として、本発明文献中の弾道衝撃試験用語はＭＩＬ−ＳＴＤ−６６２Ｆに記載された用語と同じ意味を有する。）目的は高い弾道衝撃性能と低い面密度であり、その両方の因子は厚さに関するが互いに反対に変化するので、装甲プレートはできるかぎり均一な厚さが望まれる。これは、Ｖ_５０値が、許される厚さ範囲の下限、すなわち、許容される最も薄いプレートで達成すべきであるが、最大重量は厚さ範囲の上限によって決定される事実から、特に正しいと言える。

［００９２］セラミック装甲プレートの形状全体が規格内にある限り、研磨または機械加工によって熱処理する間に進展した不均一性を回復することは少なくとも理論的に可能である。しかし、それらの後処理作業は、通常高価であり、身体装甲市場における市場的な実現可能性は少ない。したがって、セラミック装甲体は熱処理された状態のままで均一な厚さを持たなければならない。

［００９３］意図した形状に対して、形成されたセラミック装甲体の形状の整合性も重要である。所望の形状を忠実に再現する、複雑に形状加工された曲線を有するセラミック装甲プレートを作成する能力は、装甲製品の形状と適合要件を満たすために大きな価値を持つことができる。焼結またはホットプレスされた装甲セラミックよりも良好な厚さの均一性を示すＲＢＢＣ材料は、焼結またはホットプレスされた製品よりも良好な形状再現性を示すことが期待される。類似の結果がケイ素化炭化ホウ素材料にも期待される。

［００９４］以下の非制限的な実施例は、本発明をさらに例示する。

（参考例１）
［００９５］この参考例は、炭化ホウ素補強を含むＳｉ／ＳｉＣ複合体、すなわち、Ｓｉ／ＳｉＣ／Ｂ_４Ｃの反応性溶浸による製造を例示する。さらに詳細には、この参考例は、樹脂性前駆体から誘導された相互接続炭素相、および炭化ケイ素と炭化ホウ素粒子を含む予備成形品へのケイ素含有溶融物の溶浸を例示する。

［００９６］予備成形品は、沈降成形工程によって調製した。詳細には、約２８部の水を１００部のセラミック粒子および８部のＫＲＹＳＴＡＲ３００結晶フルクトース（Ａ．Ｅ．Ｓｔａｌｅｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．）に加えてスラリーを作製した。セラミック粒子の内容は、約６６ミクロンのメジアン粒子サイズを有する２２０グリットＴＥＴＲＡＢＯＲ（登録商標）炭化ホウ素（ＥＳＫ ＧｍｂＨ、Ｋｅｍｐｔｅｎ、Ｇｅｒｍａｎｙ製、ＭｉｃｒｏＡｂｒａｓｉｖｅｓ Ｃｏｒｐ．、Ｗｅｓｔｆｉｅｌｄ、ＭＡによって販売される）と、約１３ミクロンのメジアン粒子サイズを有する５００グリットのＣＲＹＳＴＯＬＯＮ未焼成炭化ケイ素（Ｓｔ．Ｇｏｂａｉｎ／Ｎｏｒｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）（グレード５００ＲＧ）の略等しい重量比からなった。固体および液体はプラスチックジャーに加え約４０時間ロール混合した。スラリーを約７６０ｍｍの真空中で約５分間脱気した。成形の約１５分前にスラリーを再びロール混合して、あらゆる沈澱した粒子を懸濁させた。

［００９７］グラファイト製支持プレートを振動台上に置いた。成形すべき所望の形状の空洞を有するゴム型を界面活性剤で濡らした（Ｓｉｌ−Ｃｌｅａｎ、Ｐｌａｓｔｉｃ Ｔｏｏｌｉｎｇ Ｃｏ．、Ｅｘｔｏｎ、ＰＡ）。次いで、濡れたゴム型をグラファイトプレート上に置いて乾燥させた。スラリーを空洞中に注いだ。振動を開始した。

［００９８］沈降の間、周期的に成形品の頂部に残る液体をスポンジで吸い取った。粒子が完全に沈澱した後（約３時間）、振動を停止した。グラファイトプレート、ゴム型、および内部の成形品を振動台から約−２０℃の温度に保った冷凍機へ移した。成形品を約６時間完全に冷凍し、それによって自立の予備成形品を形成した。

［００９９］冷凍機から、冷凍された予備成形品を離型し、グラファイト製の硬化トレーに置いた。次いで、グラファイトトレーおよび予備成形品を直ちに室温の窒素雰囲気炉に置いた。炉を点火し、約１０℃／時間の速度で約５０℃の温度まで加熱し、約５０℃で約８時間保持し、次いで、約１０℃／時間の速度で約９０℃の温度まで加熱し、約９０℃で約８時間保持し、次いで、約１０℃／時間の速度で約１２０℃の温度まで加熱し、約１２０℃で約４時間保持し、次いで、約５０℃／時間の速度で約６００℃の温度まで加熱し、約６００℃で約２時間保持し、次いで、約１００℃／時間の速度で室温まで冷却するようにプログラムした。この焼成作業はフルクトースを熱分解し、約２．７重量％の炭素を含む良好に結合した予備成形品を生成した。

［０１００］上述の工程を用いて２個の「ビーム」またはフィーダーレール予備成形品および多くのタイル予備成形品を製造した。各タイル予備成形品は、約１７４グラムの質量を有し、約１００ｍｍ平方×約９ｍｍ厚さの全体寸法を有した。各レール予備成形品は図１に描いた断面を有し、長さ約２２０ｍｍ×幅約１５ｍｍ×厚さ約２５ｍｍの寸法を有した。タイル予備成形品の溶浸の間、これらのレールは溶融溶浸材をタイル予備成形品へ導きその中へ導く導管として働くであろう。

［０１０１］溶浸工程を制限する装備を調製した。

［０１０２］図２Ａおよび２Ｂに示すように、寸法約７９０ｍｍ×約２３０ｍｍ×約５１ｍｍ深さのグレードＡＴＪのグラファイトトレー３１（Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｃｏｒｐ．、Ｃａｒｂｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｄｉｖ．、Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ、ＯＨ）の内部表面をＭｏｄｅｌ９５ Ｂｉｎｋｓ噴霧ガンを用いて窒化ホウ素スラリーまたはペイント３３を噴霧塗布した。窒化ホウ素ペイントは、約１８００グラムのＬＵＢＲＩＣＯＡＴ窒化ホウ素ペースト（ＺＹＰ Ｃｏａｔｉｎｇｓ、Ｏａｋ Ｒｉｄｇｅ、ＴＮ）を脱イオン水で約１ガロン（３．７リットル）に希釈して調整した。２種の窒化ホウ素の比較的薄い層は、塗布間にほぼ室温の空気乾燥を挟んで塗布された。

［０１０３］次いで、窒化ホウ素を塗布したトレーを長さ約８２５ｍｍ×幅約２７０ｍｍ×高さ３２０ｍｍの内部寸法を有する大きなグラファイト室３５に置いた。また、室は平行列のグラファイト製のドエル（ｄｏｗｅｌ）棒を支持する手段を特徴とした。

［０１０４］ここで詳細に図２Ｂを参照すれば、重さ約４８グラム、寸法約７９０ｍｍ×約２３０ｍｍの２プライのＰＡＮＥＸ（登録商標）３０の低酸化炭素布４４（グレードＰＷ０３、平織り、１１５ｇ／ｍ^２、Ｚｏｌｔｅｋ Ｃｏｒｐ．、Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ、ＭＯ）を、塗布されたグラファイトトレー３１、３３の床に置いた。各々約１９０グラムの質量および長さ約２００ｍｍの４個の炭化ホウ素レール予備成形品４２を布の上に置き、トレーの長さ寸法に平行に配置した。次いで、約０．５重量％のＦｅ（最大）を含み残りＳｉを含む塊の形のケイ素２１（グレードＬＰ、Ｅｌｋｅｍ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏ．、Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ、ＰＡ）を個々の予備成形品レールの間の炭素布の上に多少とも均一に分配した。計算は、元素状炭素を完全に反応させ、布、フィーダーレール予備成形品、及びタイル予備成形品の間隙を充填するために、約１５１０グラムのケイ素溶浸材が必要であることを示した。ただし、約１０％の追加のケイ素が装備に提供された。

［０１０５］窒化ホウ素３３で噴霧塗布された直径約０．２５インチ（６ｍｍ）の寸法のグラファイトドエル棒４９をグラファイト保持具または支持具４７中に置いた。総計１５個の、同様に窒化ホウ素３３で噴霧コーティングした四角のタイル予備成形品４１（図には４個だけが示される）を２個のレールの端を横断してトレーの各半分に置いた。窒化ホウ素は過剰溶浸を防止する障壁材料として働く傾向があるので、炭化ホウ素予備成形品に接触されるタイルの表面は塗布しなかった。

［０１０６］室の頂部は、雰囲気の交換が可能な多数の直径約１ｃｍの貫通孔３６を特徴とする、緩く固定した（気密封止ではない）グラファイト蓋３４で覆った。孔は動かない負荷として働くグラファイトブロック４０で場所に固定された一片のグラファイトフェルト３８で覆い、それによって装備を完成した。

［０１０７］次いで、完成した装備をほぼ室温（例えば、約２０℃）の真空炉中に置いた。機械的粗引きポンプを用いて空気を抜き、その後、残りの約１００ミリトル未満の圧力の粗い真空を維持した。次いで、レイアップ（ｌａｙ−ｕｐ）を室温から約２００℃／時間の速度で約１３５０℃の温度に加熱した。約１３５０℃の温度を１時間維持した後、温度を約２００℃／時間の速度でさらに約１５５０℃の温度に上昇させた。約１５５０℃の温度を１時間維持した後、温度を約１００℃／時間の速度で約１４５０℃の温度に下げた。この温度を保持することなく、レイアップの温度を約２５℃／時間の速度で約１３００℃の温度までさらに下げ、続いて直ちに約２００℃／時間の速度でほぼ室温まで冷却した。

［０１０８］この加熱スケジュールに続いて、室およびその内容物を真空炉から回収し、分解して検査した。ケイ素溶浸は溶融し炭素布に溶浸し、それによって炭素布を炭化ケイ素布に変化させた。また、溶融ケイ素溶浸材はレール予備成形品を通って四角いタイル予備成形品にも溶浸し、その中の元素状炭素と反応して、炭化ホウ素補強を有する高密度の炭化ケイ素マトリックス複合体を形成した。予備成形品の各々は線状接触でレールに支持されたので、Ｓｉ／ＳｉＣ／Ｂ_４Ｃ複合材タイルをフィーダーレール複合材料から分離するのは、低〜中間の手の力で十分であった。

（参考例２）
［０１０９］予備成形品の作製に炭化ケイ素粒子を使用せず、炭化ホウ素の粒子サイズ分布を、実質上全ての粒子が約４５ミクロンよりも小さくなるように修正したことを除いて、参考例１の技術を実質上繰り返した。熱分解工程に続いて、予備成形品は約７５体積％の炭化ホウ素粒子と約４体積％の炭素を含んだ。

［０１１０］溶浸の後、セラミック材料は公称７５体積％のＢ_４Ｃ、９体積％の反応形成ＳｉＣ、および１６体積％の残りのＳｉ（すなわち、Ｓｉ／ＳｉＣ／Ｂ_４Ｃ複合材）を含んだ。研磨した断面をＮｉｋｏｎ Ｍｉｃｒｏｐｈｏｔ−ＦＸ光学顕微鏡を用いて検査した。材料の光学顕微鏡写真を図３に示す。ケイ素溶浸材へのホウ素源の添加を含む処理条件を注意深く選択することによって、僅かな粒子の成長と相互連結が起き、従って比較的微細な微小構造の維持が可能であったことが明らかに確認される。例えば、顕微鏡写真は、溶浸工程の結果として、ＳｉとＢ_４Ｃの間の反応を殆ど視認できないことを示している。

（参考例３）
［０１１１］ケイ素溶浸材をレイアップに供給する前に、単層のＴＥＴＲＡＢＯＲ（登録商標）炭化ホウ素粒子（２２０グリット、ＥＳＫ）をフィーダーレール間の炭素布上に散布したことを除いて、参考例２の技術を実質上繰り返した。加えた炭化ホウ素を相殺し、約１０％の過剰のケイ素供給を維持するために、参考例１のように、付随してケイ素の量を増加させた。

（比較例１）
［０１１２］この例は、微細粒子炭化ケイ素充填材で高度に装填された炭化ケイ素複合材装甲プレートの作製を示す。この例は熱処理装置の部品のいくつかの再使用をさらに示す。

［０１１３］装甲「胸当て」および４個の「フィーダーレール」予備成形品は沈降成形工程によって調製した。詳細には、約２４部の脱イオン水を１００部のＣＲＹＳＴＯＬＯＮ未焼成炭化ケイ素（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ／Ｎｏｒｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ、Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ、ＭＡ）と約６部のＫＲＹＳＴＡＲ３００結晶フルクトース（Ａ．Ｅ．Ｓｔａｌｅｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．、Ｄｅｃａｔｕｒ、ＩＬ）に加えてスラリーを作製した。炭化ケイ素粒子は、約６５重量％のグレードＦ３２０（メジアン粒子サイズ約２９ミクロン、塊状の形態）と、残りのグレード５００ＲＧ（メジアン粒子サイズ約１３ミクロン、丸い形態）とからなった。固体および液体をプラスチックジャーに加え約４０時間ロール混合した。スラリーを約７６０ｍｍの真空中で約５分間脱気した。成形の約１５分前にスラリーを再びロール混合して、あらゆる沈澱した粒子を懸濁させた。

［０１１４］グラファイト製支持プレートを振動台上に置いた。成形すべき所望の形状の空洞を有するゴム型を、ＪＯＹ皿洗い洗剤（Ｐｒｏｃｔｏｒ ａｎｄ Ｇａｍｂｌｅ、Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ、ＯＨ）の１０重量％の水溶液からなる界面活性剤で濡らした。次いで、濡れたゴム型をグラファイトプレート上に置いて乾燥させた。スラリーを空洞中に注いだ。振動を開始した。

［０１１５］粒子が完全に沈澱した後（約３時間）、振動を停止した。成形品の頂部に残る液体をスポンジで吸い取った。グラファイトプレートおよびその上のゴム製モールド中の成形品を振動台から約−１５℃の温度に保った冷凍機へ移した。

［０１１６］成形品が完全に冷凍されたならば、ゴム型を冷凍機から取り出し、その中に含まれる冷凍された成形品を離型し、乾燥および素焼き用グラファイト製硬化トレーに置いた。硬化トレーは胸当てプレート予備成形品の外側面の形状に加工した。次いで、グラファイトトレーおよび予備成形品を室温の窒素雰囲気炉に置いた。炉を点火し、約４０℃／時間の速度で約９０℃の温度まで加熱し、次いで約９０℃で約２時間保持し、次いで、約１００℃／時間の速度で約６００℃の温度までさらに加熱し、約６００℃で約２時間保持し、次いで、約２００℃／時間の速度で室温まで冷却するようにプログラムした。この焼成作業はフルクトースを熱分解し、約２重量％の炭素を含む良好に結合した予備成形品を生成した。

［０１１７］胸当て予備成形品の炭素含有量はＫＲＹＳＴＡＲ３００結晶フルクトースの７０重量％の水溶液を再溶浸することによって増加した。詳細には、予備成形品をフルクトース溶液に総計約２０時間浸漬した。溶液を予備成形品中にさらに迅速に溶浸させるため、最初の約２時間、約６０ｐｓｉ（４１０ｋＰａ）の過剰空気圧力を溶液に加えた。１５分間空気加圧を停止した後、同じ圧力に戻した。過剰圧力をさらに２時間維持した後、圧力を大気圧に戻し、残る２０時間予備成形品を溶液に浸漬した。次いで、胸当て予備成形品をフルクトース溶液から取り出し、湿った布で拭き、過剰のフルクトース溶液を除去した。次いで、上述と同じ熱処理計画に従って予備成形品を再熱分解した。第２熱分解工程は、予備成形品の全体質量に３％を加えた。

［０１１８］胸当て予備成形品は、約７００グラムの質量を有し、長さ約３１８ｍｍ×幅約２４１ｍｍ×厚さ約４．４ｍｍの全体寸法を有した。胸当ては長さと幅寸法が僅かに湾曲した。フィーダーレール予備成形品は、断面に関して、四角いタイル予備成形品を溶浸する参考例１に用いたサイズと同じであった。

［０１１９］次いで、溶浸用レイアップを調製した。

［０１２０］図４Ａおよび４Ｂを参照すれば、寸法約７９０ｍｍ×約２３０ｍｍ×約５１ｍｍ深さのグレードＡＴＪのグラファイトトレー３１（Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｃｏｒｐ．、Ｃａｒｂｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｄｉｖ．、Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ、ＯＨ）
の内部表面を、実質上参考例１に説明したものと同じようにして、窒化ホウ素スラリーまたはペイント３３を噴霧塗布した。

［０１２１］次いで、窒化ホウ素を塗布したトレーを、トレーよりも僅かに大きな長さと幅の寸法を有するが、装甲プレートの長い寸法を収容するのに十分な高さを有するより大きなグラファイト室３５に置いた。また、室は平行列のグラファイトドエル棒３９を支持する手段３７を特徴とした。

＜炭素布および炭化ケイ素フィーダーレールの溶浸＞
［０１２２］ここで詳細に図４Ｂを参照すれば、重さ約２５グラム、寸法約７９０ｍｍ×約２３０ｍｍの単一ＰＡＮＥＸ（登録商標）３０の低酸化炭素布４４（グレードＰＷ０３、平織り、１１５ｇ／ｍ^２、Ｚｏｌｔｅｋ Ｃｏｒｐ．、Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ、ＭＯ）を、塗布したグラファイトトレー３１、３３の床に置いた。各々約１９０グラムの質量を有する４個の炭化ホウ素レール予備成形品３２を、布４４の幅を横切って、各トレーの半分に一対で配置して置いた。約０．５重量％のＦｅ（最大）を含み残りＳｉを含む十分なケイ素（グレードＬＰ、Ｅｌｋｅｍ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏ．、Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ、ＰＡ、塊の形）を炭素布の表面上に散布して、布と、レール、およびレール上に配置されたあらゆる予備成形品を完全に溶浸させた。室の頂部は、雰囲気の交換を許容する多数の直径約１ｃｍの貫通孔３６を特徴とする、緩く固定した（気密封止ではない）グラファイト蓋３４で覆った。孔は動かない負荷として働くグラファイトブロック４０で場所に固定された一片のグラファイトフェルト３８で覆い、それによってレイアップを完成した。

［０１２３］次いで、完成したレイアップをほぼ室温で（例えば、約２０℃）真空炉中に置いた。機械的粗引きポンプを用いて空気を抜き、その後、残りの約１００ミリトル未満の圧力の粗い真空を維持した。次いで、レイアップを室温から約２００℃／時間の速度で約１３５０℃の温度に加熱した。約１３５０℃の温度を１時間維持した後、温度を約２００℃／時間の速度でさらに約１５５０℃の温度に上昇させた。約１５５０℃の温度を１．５時間維持した後、温度を約１００℃／時間の速度で約１４５０℃の温度に下げた。この温度を保持することなく、レイアップの温度を約２５℃／時間の速度で約１３００℃の温度までさらに下げ、続いて直ちに約２００℃／時間の速度でほぼ室温まで冷却した。

［０１２４］この加熱スケジュールの後、室およびその内容物を真空炉から取り出した。ケイ素溶浸材は溶融して炭素布とレール予備成形品に溶浸し、それによって、炭素布を炭化ケイ素布へ変換し、高密度の炭化ケイ素複合材フィーダーレールを形成した。重量測定法から、炭化ケイ素布に溜まった約７７０グラムの未溶浸ケイ素があることがわかった。次いで、グラファイト室の内容物は、炭化ケイ素複合材装甲胸当てを作製するのに再使用した。

＜胸当て予備成形品の溶浸＞
［０１２５］約０．５重量％のＦｅ（最大）および残りＳｉを含む約１７７５グラムの他のケイ素２１（グレードＬＰ、Ｅｌｋｅｍ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏ．、Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ、ＰＡ）を炭化ケイ素複合材（例えば溶浸された）レール間の炭化ケイ素織物上に分配した。直径約０．２５インチ（６ｍｍ）の寸法の、窒化ホウ素３３で噴霧塗布したグラファイトドエル棒３９をグラファイト保持具または支持具３７中に置いた。同様に窒化ホウ素３３で噴霧コーティングした４個の胸当て予備成形品１１を、２個のレールの端を横断してトレーの各半分に置いた（図４Ａ参照）。レールに接触する各予備成形品の表面は塗布しなかった。室の頂部を前述のように被覆してレイアップを完成させた。

［０１２６］次いで、グラファイト室およびその内容物を、炭素布と炭化ケイ素フィーダーレール予備成形品の溶浸に用いた方法と実質上同じ方法で熱処理した。

［０１２７］この加熱計画に続いて、室およびその内容物を真空炉から回収し、分解した。ケイ素溶浸は溶融し、複合材フィーダーレールおよび装甲胸当て予備成形品中に溶浸し、高密度の炭化ケイ素マトリックス複合体を形成した。各胸当てプレートは、レールによってその幅寸法の線接触で支持されたので、形成された胸当て複合体をフィーダーレールから分離するのは軽い手の力で十分であった。胸当ての窒化ホウ素塗布中にいくつかの点を通って染み出たいくらかのケイ素溶浸材の小塊を除去するには、軽いサンドブラストだけを必要とした。

（比較例２）
［０１２８］炭化ケイ素粒子が炭化ホウ素粒子の代わりに用いられたことを除いて、参考例２の技術を実質上繰り返した。しかし、参考例２のように、炭化ケイ素混合物の粒子サイズ分布は、実質上全ての粒子が約４５ミクロンよりも小さいようにした。熱分解工程に続いて、予備成形品は約７５体積％の炭化ケイ素粒子と約４体積％の炭素を含んだ。

［０１２９］溶融Ｓｉで溶浸した後、得られる物体は８４体積％のＳｉＣ（元の７５および反応で形成された９）と１６体積％のＳｉ（すなわちＳｉ／ＳｉＣ複合材）からなった。材料の典型的な微小構造（光学顕微鏡写真）を図５に示す。

［０１３０］光学顕微鏡写真において、元のＳｉＣと反応形成したＳｉＣの相違を識別することはできなかった。参考例２の反応結合Ｂ_４Ｃのように、図５に示した反応結合ＳｉＣセラミックはＳｉＣの相互連結と集団化を少しも示さず、したがって比較的微細な微小構造を維持することが可能であった。

（比較例３）
［０１３１］この比較例は、反応性溶浸工程による複合体の製造を示し、複合体は炭化ホウ素補強を特徴とする。工程は、以下を除いて参考例１に類似していた。

［０１３２］炭素布およびフィーダーレールを最初に自己溶浸させ、別の熱処理を用いて溶浸されたレールからの総計８個のタイルを同時に溶浸した。炭化ホウ素成分の場所に、フィーダーレール予備成形品は広範囲の補強として炭化ケイ素を特徴とした。さらに正確には、フィーダーレール予備成形品は比較例１に述べたものと実質上同じ組成物を有した。２層の代わりに単一層の炭素布を用いた。最初の溶浸（布とレール）のためのケイ素溶浸材の量は、元素状炭素と完全に反応し、レールおよび布を構成する補強体、例えば、粒子と繊維の間の空隙を充填するのに計算される必要な量よりもいくらか過剰であった。この最初のケイ素溶浸から得られる物体は炭化ケイ素複合材布およびフィーダーレールであった。重量測定分析から、炭化ケイ素布に滞留する約８００グラムの未溶浸ケイ素があることがわかった。

［０１３３］８個の予備形成タイルを溶浸する後続の熱処理のために、約６０２グラムの塊状ケイ素２１（グレードＬＰ、Ｅｉｋｅｍ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏ．、Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ、ＰＡ）を炭化ケイ素複合材レール（例えば、溶浸された）の間の炭化ケイ素織物の上に分配した。参考例１のように窒化ホウ素を塗布した８個の予備成形タイルを溶浸されたレール上に置き、参考例１のように窒化ホウ素を塗布したグラファイトドエル棒で支持した。

［０１３４］両方の溶浸作業のための加熱計画は、参考例１に述べたものと実質上同じであった。

［０１３５］この第２溶浸に続いて、室およびその内容物を真空炉から回収した。ケイ素溶浸材は溶融し、炭化ケイ素複合材レールを通ってタイル予備成形品へ溶浸し、高密度のＳｉ／ＳｉＣ／Ｂ_４Ｃ複合体を形成した。溶浸したタイルを回収した際に、各レールとの各接触点からタイルの中に展延する直径約１〜２ｃｍのゾーンがあることが観察された。これらのゾーンは、残りの溶浸されたタイルよりうすい異なる暗部（ｓｈａｄｅ）があり、各々、通常の暗部／非暗部の境界から複合材タイルの内部に向かって展延する長さ約２ｃｍの亀裂を特徴とした。

［０１３６］典型的な微小構造を示す図６において、Ｓｉ−Ｂ_４Ｃ反応が起きていることが示されている。構造の粗化（例えば、Ｓｉマトリックス内の大きなセラミック集団）が明らかに確認される。以前のいくつかの仕事のように、Ｓｉ−Ｂ_４Ｃ反応が起きることが許されれば、微小構造は顕著に粗化される。（例えば、上で参照したＢａｉｌｅｙおよびＴａｙｌｏｒらの米国特許を参照されたい。）粗い微小構造は、より大きなサイズの傷を有するセラミックを招き、したがって強度はより低くなる。

＜機械的および物理的特性の特徴付け＞
［０１３７］作製工程の後、本反応結合セラミック複合材料の様々な機械的および物理的特性を測定した。密度はＡＳＴＭ規格Ｂ３１１による水浸漬技術によって求めた。弾性特性はＡＳＴＭ規格Ｄ２８４５に従って超音波プラスエコー技術によって測定した。硬度は、ＡＳＴＭ規格Ｅ９２による２ｋｇ負荷でのビッカース尺度で測定した。４点曲げの曲げ強度は、ＡＳＴＭ手順第Ｄ７９０を用いた比較例１の複合材料を除いて、ＭＩＬ−ＳＴＤ−１９４２Ａに従って求めた。破壊靭性は４点曲げシェブロンノッチ技術およびネジ駆動Ｓｉｎｔｅｃｈ ｍｏｄｅｌ ＣＩＴＳ−２０００汎用試験機械を用い、１ｍｍ／分のクロスヘッド速度での変位制御下で測定した。寸法６×４．８×５０ｍｍの試験片を、６ｍｍ寸法に平行な負荷方向、および内部および外部負荷スパンはそれぞれ２０ｍｍおよび４０ｍｍで試験した。幅０．３ｍｍのダイアモンド刃で切断したシェブロンノッチは６０°の包括角を有し、各試験片の中間長に位置した。試験片の寸法は、Ｍｕｎｚらの解析による２種の計算方法の間で解析差を最小にするように選択した（Ｄ．Ｇ．Ｍｕｎｚ、Ｊ．Ｌ．Ｓｈａｎｎｏｎ、およびＲ．Ｔ．Ｂｕｂｓｅｙ、「シェブロンノッチ試験片の４点曲げ試験における最大負荷からの破壊靭性計算（Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｌｏａｄ ｉｎ Ｆｏｕｒ Ｐｏｉｎｔ Ｂｅｎｄ Ｔｅｓｔｓ ｏｆ Ｃｈｅｖｒｏｎ Ｎｏｔｃｈ Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ）」、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｆｒａｃｔｕｒｅ、１６Ｒ１３７〜４１（１９８０））。

［０１３８］本反応結合セラミックの密度、ヤング率、曲げ強度、および破壊靭性を表Ｉに提供する。適切な場合、結果は平均＋／−１標準偏差として提供される。

［０１３９］ＳｉＣ系材料の密度は、比較的低い密度を有するＳｉ相の存在のためモノリシックＳｉＣよりも約６％低い。低下した密度は、装甲など重量が規定される用途にとって重要である。Ｂ_４Ｃ形材料は非常に低い密度を有し、モノリシックＢ_４Ｃのそれに類似している。

［０１４０］反応結合ＳｉＣおよび反応結合Ｂ_４Ｃセラミックのヤング率は本質的に同じであり、他の高性能セラミック材料と有利に比較し得る。特定の結果は、それぞれ〜４５０、〜４５０および１２０ＧＰａの高密度ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、およびＳｉについてのヤング率値に基づいて予測された通りである。特に、重量規定に基づいて、反応結合Ｂ_４Ｃは非常に高いヤング率を有する。

［０１４１］硬度は装甲材料にとって非常に重要な因子である。以前の仕事は、発射体が破壊されるとき、高い質量効率が硬質装甲貫通発射体に対してのみ得られ、効率的に発射体を破壊するためには装甲は硬度が高くなければならないことを示した。（例えば、Ｍ．Ｌ．Ｗｉｌｋｉｎｓ、Ｒ．Ｌ．Ｌａｎｄｉｎｇｈａｍ、およびＣ．Ａ．Ｈｏｎｏｄｅｌ、「軽量装甲プログラムの第５回進展報告（Ｆｉｆｔｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｒｅｐｏｒｔ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ａｒｍｏｒ Ｐｒｏｇｒａｍ）」、報告Ｎｏ．ＵＣＲＬ−５０９８０、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＣＡ、Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ、Ｊａｎ．１９７１、また、Ｃ．Ｈｓｉｅｈ、「セラミック面のアルミニウム装甲パネルの開発研究（Ｃｅｒａｍｉｃ−Ｆａｃｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｒｍｏｒ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｉｅｓ）」、報告Ｎｏ．ＪＰＬ−Ｄ−２０９２のＡｐｐｅｎｄｉｘ ９、ジェット推進研究所（Ｊｅｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）、Ｆｅｂ．１９８５を参照されたい。）

［０１４２］しかし、結果は試験方法と技術に大きく依存するので、多くの公開された文献中の硬度データを比較するのは困難である。したがって、本発明では多くの異なる市販材料を確保した。次いで、真の比較を行えるように、硬度測定を市販材料と本発明の新しい反応結合セラミックの両方について同一のやり方で実施した。結果を表ＩＩに提供する。

［０１４３］反応結合ＳｉＣおよびＢ_４Ｃセラミックは、工具鋼発射体およびＷＣ／Ｃｏ発射体の両方を超える非常に高い硬度を有する。両方の場合、Ｓｉ／ＳｉＣおよびＳｉ／ＳｉＣ／Ｂ_４Ｃ複合材は、多少とも構成成分の重量平均硬度を反映する硬度を有する。特に、モノリシックＢ_４Ｃの非常に高い硬度のため、反応結合Ｂ_４Ｃは非常に高い硬度値を有する。

＜弾道衝撃試験＞
［０１４４］第１回弾道衝撃試験は、市販されているホットプレス炭化ホウ素に対する比較例１のＳｉＣを充填したＲＢＳＣ複合材料の評価に焦点を合わせた。候補のセラミック装甲材料は一側部が約１００ｍｍの四角いタイルの形で提供した。試験したタイルの中のいくつかは比較例１の炭化ケイ素胸当てと実質上同じ組成物であった。

［０１４５］比較例１のセラミック複合材料は約８０体積％の炭化ケイ素からなり、残りはケイ素であった。その塊の密度は約３．０ｇ／ｃｃであり、そのヤング率は約３６０ＧＰａであった。さらに、組成物と処理がこの比較例１に非常に類似しているこのＲＢＳＣ体は、約２７０ＭＰａの４点曲げ強度を有した。

［０１４６］試験用の装甲ターゲットを製造するために、セラミックタイルをＳｐｅｃｔｒａＳｈｉｅｌｄ（登録商標）ポリマー複合材裏打ち層（ＡｌｌｉｅｄＳｉｇｎａｌ Ｉｎｃ．、Ｍｏｒｒｉｓｔｏｗｎ、ＮＪ）に取り付けた。この材料は、樹脂マトリックスに埋め込まれた２層の単一方向性の繊維からなる幅５４インチ（１３７０ｍｍ）のロールとして供給され、１層の繊維が他の層の繊維に直交する。ロールから幅１２インチ（３０５ｍｍ）のシートを多数切断した。次いで、適切な数のこれらのシートを、約１５０ｐｓｉ（１．３ＭＰａ）の印加圧力、約１２１℃の温度で約６０分間オートクレーブ中で積層し、固め、それによって硬いポリマー複合材プレートを形成した。固化に続いて、５４×１２インチ（１３７０×３０５ｍｍ）のプレートから約１２インチ（３０５ｍｍ）平方の寸法の裏打ちプレートを帯鋸または水ジェットを用いて切断した。裏打ちプレートの中央部の約５インチ（１２０ｍｍ）平方の領域を１２０グリットのサンドペーパーを用いて軽く研磨した。接合すべき表面をイソプロピルアルコールで洗浄した後、候補の装甲タイルを裏打ちプレートの中央に２層の厚さ７６ミクロンのウレタンフィルム接着剤を用いて接合した。接合は、約１２１℃の温度に維持された完全な真空下の炉中で約３０分間硬化し、それによって弾道衝撃試験片を形成した。

［０１４７］裏打ちプレートの重量は使用した積層体の数によって変化し、セラミックタイルの重量はセラミックタイルを研磨した厚さの寸法によって変化した。しかし、各々の場合、総面密度（セラミックタイルに裏打ち材料をプラスした密度）はほぼ同じ量に維持した。

［０１４８］弾道衝撃試験用の目標を以下のように組み立てた。弾道衝撃試験片は、身体装甲の野外戦術用ベスト（ＯＴＶ）を模擬するためのリップストップナイロンとカモフラージュ用のコーデュラ被覆を備える２８層のＫＭ２（６００デニール）ブランケットの前に置いた。ＯＴＶ模擬体および試験片は、約３５℃の温度で約６時間処理した１００ｍｍ厚さのＲｏｍａ Ｐｌａｓｔｉｌｉｎｅ模型粘土ブロックの前に置いた。試験片およびＯＴＶ模擬体は導管テープで粘土ブロックに固定し、粘土ブロックを試験台に固定された鋼の支持構造で支え、目標を完成した。

［０１４９］２個の異なる種類の７．６２ｍｍ発射体を用いて、目標を斜め角度ゼロ度で速度を変化させて撃った。表ＩＩＩは第１の射撃に対する比較弾道衝撃試験結果を示し、表ＩＶは他の射撃に対する結果を報告する。この試験に用いられる弾道侵入抵抗の基本的な単位は、目標の部分侵入と完全な侵入が等しく起こり得る発射体の速度Ｖ_５０である。Ｖ_５０を総面密度に関して正規化すると、本開示において「弾道衝撃停止力」と呼ぶ因子を与える。

［０１５０］これらの結果は極めて有望であり、市販されている主要なセラミック装甲のいくつか（例えば、ホットプレス）と性能的に競合し得る反応結合ＳｉＣ装甲を製造できるであろうことを示唆した。したがって、本発明者らは、この手法の開発を継続し、本炭化ホウ素複合材料に至った。

＜弾道衝撃試験：第２回＞
［０１５１］この第２回弾道衝撃試験において、参考例２の本ＲＢＢＣ材料を候補の装甲として評価し、比較例２のＳｉＣ充填ＲＢＳＣ材料ならびに市販のホットプレスＢ_４Ｃ（対照）と比較した。一連の試験の中で、弾道発射体として弾丸群に対して反応結合ＳｉＣおよび市販のホットプレスＢ_４Ｃを試験し、第２回の試験の組において、装甲貫通（ＡＰ）群に対して反応結合Ｂ_４ＣおよびホットプレスＢ_４Ｃを試験した。

［０１５２］第１回の弾道衝撃試験のように、１００ｍｍ×１００ｍｍのセラミックタイルを３００ｍｍ×３００ｍｍの繊維補強ポリマープレートに接着した。

＜弾道衝撃特性＞
［０１５３］弾道衝撃試験の結果は表ＶおよびＶＩに提供する。反応結合ＳｉＣおよび市販のホットプレスＢ_４Ｃ（対照）について、７．６２ｍｍのＭ８０弾丸の群に対する試験結果を表Ｖに提供する。反応結合Ｂ_４Ｃおよび市販のホットプレスＢ_４Ｃについて、７．６２ｍｍのＡＰＭ２の群に対する試験結果を表ＶＩに提供する。各々の場合において、表は、系の面密度、目標の質量効率、ホットプレスＢ_４Ｃ対照に関して正規化した質量効率を提供する。表における質量効率は、同じ衝撃に対する均一なロール鋼製装甲（ＲＨＡ）についての入手可能なデータに基づいて求めた。詳細には、質量効率は、同じ性能を与えるために必要なＲＨＡの面密度を試験ターゲットの面密度で除して計算した。

［０１５４］弾道衝撃結果は、より低コストの反応結合セラミックを用いる装甲設計がホットプレスセラミックを用いる同じ設計の装甲と等価の質量効率を有したことを示す。これは、様々な用途に対してコスト効率のよい装甲製品の製造を可能にした。図７Ａおよび７Ｃにおいて、例えば、航空機装甲および個人装甲タイルをＳｉＣ充填ＲＢＳＣから作製した。図７Ｂの車両用装甲プレートはＲＢＢＣから作製した。

（参考例４）
［０１５５］以下のことを除いて、実質上参考例１の手順を繰り返した。

［０１５６］予備成形品において、セラミック粒子は公称７０：３０の比に混合された公称４５ミクロンと公称１２ミクロン（メジアン粒子サイズ）の炭化ホウ素粒子（ＥＳＫ ＧｍｂＨ、Ｋｅｍｐｔｅｎ、Ｇｅｒｍａｎｙ）から構成された。

［０１５７］凍結工程に続いて、直ちに沈降成形工程からのゲートを帯鋸などで取り除いた。

［０１５８］約６００℃で炭化する前に、成形からの残渣の水を乾燥工程で除去した。詳細には、凍結した予備成形品をグラファイト製硬化トレー上に置き、約１１０℃の温度に維持した空気雰囲気対流炉中に置いた。予備成形品を約１１０℃の温度で約３０〜６０分間維持した後、炉の温度を約１８０℃に上げた。約１８０℃の温度で少なくとも１時間維持した後、硬化トレーと予備成形品を炉から取り出し、約２０℃まで冷まし、炉は再び約１１０℃の温度まで冷却した。

［０１５９］反応性溶浸を実施する構成において、グラファイト製トレー３１の内部表面を窒化ホウ素スラリーまたは塗料で噴霧塗布する代わりに、これらの内部は窒化ホウ素スラリーに浸漬したＳＡＦＦＩＬアルミナ繊維シート材料（Ｓａｆｆｉｌ Ｌｔｄ．、Ｃｈｅｓｈｉｒｅ、ＵＫ）で裏打ちし、次いで乾燥した。

［０１６０］炭素布上に分配した塊の形状のケイ素は、その中に炭化ホウ素粒子（予備成形品に用いたものと同じ種類）およびＴＨＥＲＭＡＸカーボンブラック粉（グレードＮ−９９１、Ｃａｎｃａｒｂ、Ｍｅｄｉｃｉｎｅ Ｈａｔ、Ａｌｂｅｒｔａ、Ｃａｎａｄａ）を混合して有した。予備成形品材料約１７．４ｋｇを溶浸するために、約１０．６ｋｇのケイ素と、約０．４２ｋｇの炭化ホウ素粒子と、約０．１１ｋｇのカーボンブラックが必要であった。

（実施例５）
［０１６１］この実施例は、実質上反応性炭素を含まない予備成形品にケイ素系金属を溶浸することによる炭化ホウ素／ケイ素複合体の製造を示す。言い換えれば、この実施例は、ケイ素化した炭化ホウ素複合体の形成を示す。

［０１６２］適切なサイズのグラファイト製トレーの内部表面を、参考例４で述べた窒化ホウ素に浸漬したアルミナ繊維シート材料で裏打ちし、乾燥した。次いで、参考例４で述べた約７０グラムの炭化ホウ素セラミック粒子混合物を、予備形成の形成によらず、代わりに単純に乾燥粒子を裏打ちしたグラファイト製トレー中に注ぎ、乾燥粉を一種のピラミッド形状に整えることによってゆるく形状加工した。次いで、このセラミック粒子の山の中央に、約１２５グラムの塊状ケイ素金属（Ｅｌｋｅｍ）を保持するのに十分大きな窪みを形成した。次いで、裏打ちしたグラファイト製トレーとその内容物を、ゆるく固定されたグラファイト製蓋を備えるさらに大きなグラファイト製室の中に置き、これを室温および大気圧の真空炉の中に置いた。炉を封止し、真空粗引きし、温度を約２００℃／時間の速度で、約２０℃から約１５２５℃の温度まで上昇させた。約１５２５℃の温度で約４時間維持した後、温度を約２００℃／時間の速度で降下させた。約１００℃以下の温度で、真空炉中の圧力を大気に戻し、炉を開き、グラファイト室を取り出して分解した。

［０１６３］ケイ素が溶融し、炭化ホウ素粒子の多孔質の塊を溶浸して複合体を形成したことが観察された。複合材料の細かくして研磨した断面を光学顕微鏡中で金属組織学的に検査した。これらの顕微鏡写真はそれぞれ図９Ａおよび９Ｂに示され、それらは主としてケイ素金属と思われる金属マトリックス中に分散された炭化ホウ素粒子を示す。

（実施例６）
［０１６４］この実施例は、ケイ素化した炭化ホウ素複合体の製造を示す。

［０１６５］乾燥プレス作業によって炭化ホウ素予備成形品を調製した。詳細には、約３重量％のメチルセルロース１重量％水溶液を２２０グリットＴＥＴＲＡＢＯＲ炭化ホウ素粒子（ＥＳＫ ＧｍｂＨ、Ｋｅｍｐｔｅｎ、Ｇｅｒｍａｎｙ）に加え、Ｅｉｒｉｃｈミキサーなどで完全に混合した。次いで、この混合物の一定量を鋼製型に装填し、約４０００ポンド（１８００ｋｇ）の負荷でプレスして、約４インチ（１００ｍｍ）平方および約３／８インチ（１０ｍｍ）厚さのタイルを製造する。次いで、プレスされたタイルを約１００℃で乾燥して水を除去し、次いで約０．５気圧のアルゴン下、約２０５０℃の温度で約１０分間素焼きにしてメチルセルロースの一時的結合材を除去し、炭化ホウ素粒子を軽く焼結する。

［０１６６］次いで、素焼きにした炭化ホウ素予備成形品は、実質上参考例１と同じようにして溶浸する。得られるケイ素化した炭化ホウ素体は、いくらかのホウ素および炭素とのケイ素金属のマトリックス、およびケイ素金属マトリックス中に埋め込まれた炭化ホウ素を含む。炭化ホウ素は溶浸工程によって実質上化学的に影響を受けず、例えば、溶融溶浸材による溶解または化学的攻撃の兆候を示さない。

（実施例７）
［０１６７］この実施例は、ケイ素化した炭化ホウ素製造の他の実施形態を示す。

［０１６８］フルクトースの代わりにメチルセルロースを用いること以外は参考例１のようにして予備成形品組成物をバッチで沈降成形し、タイル予備成形品を調製する。次いで、沈降成形タイルをアルゴン雰囲気下、参考例１の加熱計画を用いて約１２０℃の温度で加熱し、水を除去する。約１２０℃の温度で約４時間保持した後、次いで予備成形品を約２００℃／時間の速度で約２０５０℃の温度に加熱して一時的な結合材を除去し、Ｂ_４ＣおよびＳｉＣ粒子を軽く焼結する。

［０１６９］次いで、素焼きにした炭化ホウ素予備成形品を、溶浸が約１７５０℃で行われること以外は実質上参考例１と同じようにして溶浸する。得られるケイ素化した炭化ホウ素体は、いくらかのホウ素および炭素とのケイ素金属のマトリックス、およびケイ素金属マトリックス中に埋め込まれた炭化ホウ素を含む。

［０１７０］本発明の炭化ホウ素複合材料は、例外的な硬度と剛性、小さな比重および比較的高い曲げ強度を有する。本開示は主に防弾装甲としての本材料の潜在的な用途に焦点を合わせたが、それらはロボット、工具、および他の精密装置産業など、剛性と小比重が重要な材料特性であるところに多くの用途を見出すはずである。また、本複合材料は、磨耗または磨耗抵抗性部品として魅力的であろう。ホウ素汚染の可能性が問題にならない場合、本発明の炭化ホウ素複合材料は、空気ベアリング筐体または支持枠、機械工具架橋および基底、ミラー台および平坦なパネル表示据付具など半導体製造産業に用途を見出すことができよう。本複合材料は、望ましいミラー基板を作製することができよう。さらに、これらの炭化ホウ素複合材は核産業、特に中性子吸収が重要である用途に用途を見出すことができよう。

［０１７１］小さな比重と高い硬度の望ましい特性を有する本発明のセラミック装甲は、小武器の射撃に対して、例えば、身体装甲、および航空機装甲として特に有用なはずである。また、本炭化ホウ素材料は、船舶および地上車両への、例えば、より激しい爆撃に対する装甲としての用途を見出すであろう。

［０１７２］当業者であれば、付随の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、上に開示され例示されたような発明に多くの変形および修正を加えることが可能であることを容易に認識するであろう。

［００４２］図１は、実施例１に説明されるフィーダーレールの断面図である。 ［００４３］図２Ａは、実施例１の炭化ホウ素補強炭化ケイ素複合材タイルの調製に用いられる装備の前面図である。 図２Ｂは、実施例１の炭化ホウ素補強炭化ケイ素複合材タイルの調製に用いられる装備の側面図である。 ［００４４］図３は、実施例２によって製造されたＲＢＢＣ材料の断面を研磨した光学顕微鏡写真である。 ［００４５］図４Ａは、比較例１による炭化ケイ素複合材胸当てを調製するのに用いられる装備の平面図である。 図４Ｂは、比較例１による炭化ケイ素複合材胸当てを調製するのに用いられる装備の正面図である。 ［００４６］図５は、比較例２によって製造されたＳｉＣ充填ＲＢＳＣ材料の断面を研磨した光学顕微鏡写真である。 ［００４７］図６は、比較例３によって製造されたＲＢＢＣ材料の研磨した断面の光学顕微鏡写真である。 ［００４８］図７Ａは、本発明の装甲材料の実施形態のいくつかの用途を示す図である。 図７Ｂは、本発明の装甲材料の実施形態のいくつかの用途を示す図である。 図７Ｃは、本発明の装甲材料の実施形態のいくつかの用途を示す図である。 ［００４９］図８Ａは、粗い微小構造を示すＲＢＳＣ複合材料の光学顕微鏡写真である。 図８Ｂは、ＳｉＣセラミック構成成分の限られた相互接続性の１種を示すＲＢＳＣ複合材料の光学顕微鏡写真である。 ［００５０］図９Ａは、実施例５によって製造されたケイ素化炭化ホウ素複合材料の断面を研磨して約５０倍に拡大して撮影した光学顕微鏡写真である。 図９Ｂは、実施例５によって製造されたケイ素化炭化ホウ素複合材料の断面を研磨して約２００倍に拡大して撮影した光学顕微鏡写真である。

Claims (12)

1. ケイ素金属を含む合金を含み、該ケイ素金属中に少なくとも１種のホウ素を含む物質と少なくとも１種の炭素を含む物質が溶解しているマトリックス成分と、
   炭化ホウ素を含む補強成分とを含む複合材料であって、
   前記補強成分が前記マトリックス全体に分散され、前記炭化ホウ素が前記合金によって影響を受けず、かつ
   前記複合材料はβ−ＳｉＣを含まない複合材料。
2. 前記補強成分が複数の充填材料体を含み、前記充填材料体の少なくとも９０体積％が直径５５ミクロンよりも小さい請求項１に記載の複合材料。
3. 前記補強成分が前記複合材料の少なくとも６５体積％を構成する請求項１に記載の複合材料。
4. 防弾装甲の構成材であって、前記構成材が、少なくとも１層のセラミック層と、前記セラミック層の後方に配置され接合された少なくとも１層の裏打ち層とを含み、
   前記セラミック層が、
   （ａ）ケイ素を含む合金と、前記ケイ素に溶解したホウ素とを含むマトリックス、および
   （ｂ）前記マトリックス全体に分散された複数の炭化ホウ素充填体を含む少なくとも１種の補強材料を含む、
   少なくとも１種の炭化ホウ素複合体を含み、
   前記構成材がβ−ＳｉＣを含まない防弾装甲構成材。
5. 前記合金が、前記ケイ素に溶解した炭素を含む少なくとも１種の物質をさらに含む請求項４に記載の防弾装甲構成材。
6. 前記炭化ホウ素充填体の少なくとも９０体積％が、１００ミクロンよりも小さい請求項４に記載の防弾装甲構成材。
7. 前記複合材料が前記溶浸材相を３０体積％以上含まない請求項４に記載の防弾装甲構成材。
8. 炭化ホウ素を含む少なくとも１種の充填材料を含む多孔質の塊または予備成形品（但し、該多孔質の塊または予備成形品は実質上遊離炭素を含まない。）を提供するステップと、
   炭素を含む少なくとも１種の物質が溶解している、ケイ素を含む溶融溶浸材を提供するステップと、
   次いで、真空中または不活性雰囲気中で、前記溶融溶浸材を少なくとも１種の前記多孔質の塊または予備成形品に接触させるステップと、
   前記溶融溶浸材を前記多孔質の塊または予備成形品中に溶浸させ、それによって前記溶浸材を含むマトリックス中に分散された前記炭化ホウ素を含む複合体を形成するステップと、
   前記溶融溶浸材を固化するステップとを含む複合体の製造方法。
9. 前記溶浸が２０００℃を超えない温度で行われる請求項８に記載の方法。
10. 前記補強材料が少なくとも前記複合体の６５体積％を占める、請求項４に記載の防弾装甲構成材。
11. 前記炭化ホウ素を粒子として提供する、請求項８に記載の方法。
12. 前記溶融溶浸材がさらに、前記ケイ素に溶解したホウ素を含む少なくとも１種の物質を含む、請求項８に記載の方法。

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