現在、世界各国は、車両や兵士個人の防弾性能を高めるため、様々な新型防弾材料の開発と最適化に取り組んでいます。高性能繊維複合材料は、軽量、高強度、優れた耐弾道性などの特徴を持ち、最も研究され、成長が早く、最も有望な防弾材料です。米国に代表される軍事先進国は、高性能防弾繊維とその複合材料の開発に特に力を入れています。米国陸軍研究所や国防省が出資する大学などの国防科学研究機関は、近年、多くの研究活動を行っています。本稿では、主に海外におけるアラミド繊維、炭素繊維、PBO繊維の研究開発、応用状況、性能レベルについて紹介します。
1. アラミド繊維
アラミド繊維は、高い比強度と高い破断伸びという特性を有しています。同じ面密度において、アラミド／樹脂複合材の弾道抵抗はガラス繊維／樹脂複合材の2～3倍に達します。多くの分野で使用可能で、ガラス繊維／樹脂複合材の全面的な代替となります。
米国クレムソン大学統合陸軍研究所などの機関は、従来の有限要素法を用いて防弾繊維マットの数値解析を行い、材料の貫通抵抗や衝撃に対する全体的なたわみ、変形、損傷への反応を調べています。研究チームの研究者は、平織り繊維強化ポリマーマトリックス複合材料の弾道衝撃/爆発保護計算および解析モデルをさらに最適化し、アップグレードしました。2014年には、PPTA（ポリパラフェニレンテレフタルアミド）ベースの材料の微細構造と性能の関係を研究し、さまざまなスケールのさまざまな微細構造特性がPPTAベースのフェルトに与える影響を決定するためのマルチ長さスケール計算法を開発しました。布またはPPTA繊維強化ポリマーマトリックス複合材料が巨視的な弾道貫通抵抗に与える影響。
イタリアのカッシーノと南ラツィオ大学は、平織りフェルトと熱硬化性樹脂を組み合わせて積層体を作製し、作製した複合装甲に対してウォーカー数値モデル予測と弾道性能試験を実施しました。米国陸軍研究所らは、平帯状の透明ナイロンモノフィラメントを補強材として用い、その屈折率を合わせた透明エポキシ樹脂をマトリックスとして、光透過率約40%の複合材料を作製しました。この材料の弾道試験では、得られた材料のV50値が305m/sを超えており、エポキシ樹脂やポリカーボネートのV50値をはるかに上回ることが示されました。
米国のサンディア国立研究所は、弾性繊維糸のねじれが横方向の衝撃特性に及ぼす影響を研究し、衝撃によって引き起こされるオイラー横波速度を高速カメラで測定した。その結果、オイラー横波速度は繊維糸のねじれ数とともに増加し、より高い弾道性能を意味することが示された。したがって、弾道繊維マットにねじれた繊維糸を使用すると、材料の弾道特性を改善できる。アラミド繊維と超高分子量ポリエチレン繊維の弾道特性に対する磁場の影響を研究した。研究者らは、アラミド繊維と超高分子量ポリエチレン繊維を2組の反対側にある希土類磁石で挟み込み、磁場の反発が材料の弾道特性に及ぼす影響をテストした。結果は、磁気反発によって弾丸がアラミド繊維の前面パネルに入るのを阻止できることを示している。
アラミド繊維のナノ改質や複合材料へのナノフィリングも、弾道特性の向上につながります。研究者らは、繊維表面に垂直にZnOナノワイヤーを成長させることで界面強度を強化しました。この繊維の界面強度は、素繊維と比較して96.9%向上し、引抜試験のピーク荷重は6.5倍に増加しました。ZnOナノワイヤーは繊維の引抜性能を向上させ、ひいては材料の弾道衝撃保護レベルも向上させます。
研究者らは、ナノ粒子充填剤が耐衝撃性複合材料に及ぼす影響を研究し、粉砕炭素繊維とナノ粒子（カーボンナノチューブとコアシェルゴム粒子）を充填した繊維複合材料に対してV50弾道試験を実施した。その結果、ナノコアシェルゴム粒子充填剤は、キャビテーション効果により衝撃時のエネルギー吸収に効果的であり、弾道性能も大幅に向上することが示された。カーボンナノチューブ充填剤は、マトリックス-繊維界面性能を向上させることができ、弾道性能も大幅に向上させる。この2つは、複合材料のV50耐弾道性能を高めることができる。複合材料に粉砕炭素繊維を1％質量分率で添加し、ナノ粒子を1％添加すると、基準サンプルと比較して、それぞれV50を7.3％（カーボンナノチューブ）と8％（コアシェルゴム粒子）増加させることができる。
2. 炭素繊維
炭素繊維のヤング率は通常、従来のガラス繊維の3倍以上であり、軍事装備の軽量化や生存性の向上に重要な応用可能性を秘めています。2015年、米国ジョージア工科大学は、ポリアクリロニトリル（PAN）紡糸技術に基づいてゲル紡糸連続炭素繊維を製造するための新しいプロセスを開発しました。製造されたPANベース炭素繊維の平均引張強度は5.5〜5.8GPaです。、引張弾性率は354〜375GPaであり、引張弾性率は航空宇宙で広く使用されているIM7タイプのPANベース炭素繊維よりも25％〜36％高くなっています。最高の値の組み合わせです。今後、材料とプロセスを最適化することで、PANベース炭素繊維の強度と弾性率が同時に向上します。
3. PBO繊維
PBO繊維はもともとアメリカ空軍によって開発され、後に日本企業によって製品化されました。PBO繊維は、アラミド繊維に代わる将来の超高性能繊維として知られています。この繊維はアラミド繊維よりも密度が低いですが、その機械的特性と耐環境性は他のアラミド繊維をはるかに上回っています。
2006年、カリフォルニア大学はアメリカ陸軍と契約を結び、ザイロン繊維の弾道性能を測る弾道試験を実施しました。その結果、ザイロン繊維はケブラー繊維29よりも優れた性能を示し、防護服に使用した場合、防護性能と機動性を効果的に向上させることが示されました。PBO繊維は軽量、高強度、高弾性率といった利点を持つものの、防護用途での使用中に機械的特性が劣化するという制約がありました。この問題を解決するため、研究者らは超臨界CO2化学試薬拡散によるPBO繊維後処理プロセスを開発し、機械的特性の低下速度を低減し、耐用年数を延ばしました。マサチューセッツ大学アマースト校の研究者らは、超臨界CO2後処理後のPBO繊維の安定化を研究しました。超臨界CO2を抽出剤として用い、PBO繊維に残留するリン酸と水を抽出しました。また、これを媒体として様々な物質を導入することでリン酸を中和し、水と酸によるPBO繊維の劣化を弱めました。
弾道繊維の積層は性能低下の要因となる可能性があります。研究者らは、弾道PBO繊維の性能低下に対する折り畳みの影響を調査し、この破損メカニズムが装甲防御性能に与える影響を実験的に明らかにしました。また、折り畳みが弾性繊維の内部構造に及ぼす影響についても調査しました。日本の研究者らはPBO繊維に関して多くの研究を行っており、例えば、高弾性率PBO繊維の引張強度と疲労強度を向上させる熱処理の研究や、高弾性率PBO繊維の引張強度に対するせん断速度の影響について研究しています。
