| 说明书全文 |
本発明は、 火工材料 （pyrotechnic material）及び、特に赤外線（IR）照射源としての使用に適した火工材料に関する。
例えば米国特許第4,624,186号明細書に記載された既知の物質は、発火性のペースト（incendiary paste）がプレスされ、赤外線を照射する薄片を形成する、例えば金属箔又は紙等の薄い基体を含む。 発火性のペーストは、その燃焼速度を上昇させるか又は減少させ、それにより薄片の赤外線照射特性を制御するために、発火性の高い又は低い材料で構成される。 ここでペーストは、主に赤外線照射源として作用する。 ペーストは、薄い基体を被覆するために使用するプレス工程が材料の赤外線照射特性を正確に制御することができず、そのため得られた材料は正確に制御できるものでもなく、再現性のあるものでもないため、不利である。
本発明の目的は、制御かつ再現しうる赤外線照射特性を有する赤外線エミッター（IR emitter）としての使用に適した火工材料を提供することである。
本発明によれば、繊維性の、炭素含有支持体の片面又は両面の実質的に全面に可燃性材料層が蒸着しており、該層が、使用時に、蒸着した全表面を実質的に同時に点火ができる火工材料が提供される。
使用の際に、可燃性層による炭素含有支持体の表面の一瞬の点火（flashignition）により、支持体の燃焼表面が暴露され、これは、次いで燃焼を続け、赤外線照射源として作用する。
支持体が燃焼している間は、赤外線の照射特性、例えば波長及び強度の分布を、支持体の炭素含量を調節することによりある程度制御することができる。 本発明の支持体は、可燃性層が消費された後の期間、残存していることは明らかに必須のことであり、これを達成するためには、支持体の炭素含量は２０ｇ／ｍ 2 〜４００ｇ／ｍ 2の範囲に、好ましくは５０ｇ／ｍ 2 〜１５０ｇ／ｍ 2の範囲になければならないことが見出されている。 好ましい支持体は、繊維の硬化層（consolidated layer）、例えばフェルト製の又は織られた炭素織物（carboncloth）、例えば炭素処理されたレーヨン織物を含んでいてもよい。 更に、蒸着により提供される可燃性層の物理学的特徴の高度な制御により、 火工材料の放射特性を信頼性を持って再現することが可能になる。
蒸着の更なる利点は、可燃性の材料層が、炭素を含むか又は炭素で被覆した支持体からなる独立かつ露出した繊維上に直接蒸着することである。 このことは、界面における支持体の炭素含量及び可燃性材料の混合（intermingling）を最大化し、両者間の広範かつ緊密な（intimate）接触領域を提供する。 得られた火工材料は自発性の発火に対してかなりの耐性を示すが、緊密な接触のため、あらゆる選択された位置における可燃性層の制御された点火は層全体に実質的に同時に広がる。 緊密な界面における接触及び結果としての可燃性層を通した点火の移動は、可燃性材料層と炭素含有支持体との間に酸化物のあらゆる阻害性の薄膜が形成することを防ぐための、通常は本質的に無酸素な環境、例えば真空又は低圧かつ不活性な雰囲気中で行われる蒸着工程の性質によりさらに強化される。 更に、蒸着は、織物タイプの基本材料の有利な特性（例えば柔軟性、強度及び強靭性（toughness））は、 火工製品の製造の間、実質的に低下しないことを保証する。
可燃性材料層の厚さ及び組成は、点火の可燃性材料層を通じた信頼性のあるかつ急速な進行を保証し、支持体表面の燃焼を確立するのに十分なエネルギーを生成するように選択される。 層が厚すぎる場合には、界面から可燃性材料層自身への過度の熱伝導が起こり、結果として反応がゆっくり進行するため、要求される支持体の急速な点火は得られないだろう。 一方、薄すぎる場合には、層の燃焼により生じる熱が不十分のため、支持体を点火することができないだろう。 これらの理由から、支持体の片方又は両面に蒸着する可燃性材料層の厚さは、表面当たり５μｍ〜２００μｍ、特に好ましくは表面当たり２０μｍ〜８０μｍであるべきである。 支持体は多孔性かつ圧縮性であるので、支持体上に実際に蒸着したあらゆる層の厚さの測定は不正確であろう。 それゆえ、本明細書で引用する層の厚さは、実際は、例えば吸着タイプの非多孔性の対照の支持体であって、繊維性の炭素含有支持体に隣接した蒸着チャンバー（deposition chamber）内に置かれた支持体に同時に蒸着した層の厚さである。
可燃性の金属材料は可燃性材料層としての使用に特に適している。 なぜならば蒸着方法を用いて蒸着したとき、金属製材料は多孔性の大きい層を形成するからである。 この多孔性の層は、酸化反応が起こる大幅に強化された表面領域を提供し、可燃性層へ急速に広がる点火を促進する。
可燃性金属層は、単一の金属、分離した層として、合金（alloy）として又は金属間化合物（intermetallic）若しくは独立した合金／金属／金属間化合物層のあらゆる組合わせとして蒸着する２種類以上の金属を含んでいてもよい。 代わりに、テルミットタイプの多層物であって、金属及び金属酸化物の交互の層からなり、該酸化物は蒸着系の反応チャンバー中への酸素の供給を調節することにより形成するものであってもよい多層物、例えばアルミニウム及び鉄の酸化物の交互の層からなるものを使用してもよい。
金属性材料の可燃性層をどのように構成するかということとは無関係に、選択した金属は、好ましくは、炭素含有支持体の燃焼を開始するために点火したとき、空気中で容易に反応して十分な熱を発生するものである。 この理由及び入手が容易であるため、可燃性材料層はマグネシウムを含むことが特に好ましい。 金属性材料層は、代替の金属又はその合金、特に空気と活発に反応する、例えばアルミニウム、ホウ素、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ナトリウム、リチウム及びジルコニウムを含んでいてもよい。 表面当たり４０μｍ〜６０μｍのマグネシウム又はマグネシウム合金の層が特に好ましく、例えば炭化ビスコースレーヨン織物の片面又は両面に蒸着させる。
火工材料の貯蔵寿命を延長し、可燃性材料の引火特性を安定化するために、可燃性材料層の上に保護層を堆積してもよい。 保護コーティングは、より反応性の低い金属、例えばチタン又はアルミニウム（より可燃性の高い金属、例えばマグネシウムを使用する場合）からなる、０．１μｍ〜１０μｍの厚さ、好ましくは１μｍ以下の厚さの蒸着層から構成されることが適当であり、又、通常のスプレー又は浸漬堆積技術の使用により可燃性材料層上に堆積した非金属コーティングから構成されていてもよい。
最も有用な火工材料は、更に、支持体に堆積した酸化剤を含んでいてもよい。 この酸化剤は、点火の可燃性層を通した移動速度を増強すること、雰囲気中の酸素が制限される条件下の場合（例えば、材料を閉鎖された容器内で使用する場合）に支持体の燃焼の継続を可能にすること、及び燃焼時間をある程度制御することにより、支持体の赤外線照射特性を制御することに利用することができる酸素源を提供する。
支持体が、例えば炭素織物等の液体を吸収することができる繊維の強化された層を含む場合、溶液中で酸化剤を支持体に堆積することは好都合である。 適当な酸化剤は、例えば金属の硝酸塩、亜硝酸塩、塩素酸塩及び過塩素酸塩等の水溶性の無機塩である。 炭素織物を硝酸カリウムの５％（ｗ／ｗ）水溶液に通した場合、その燃焼時間は増加するが、リン酸カリウムの５％（ｗ／ｗ）水溶液に通した場合は、燃焼時間は減少する。
炭素含有織物に対する適当な前処理の使用、例えば、 酸化剤として鉛酸化物を有する繊維性の活性化された炭素支持体を誘導する炭化工程の間に、酢酸鉛又は銅を支持体材料に導入することにより、別の工程で酸化剤を堆積する必要なしに酸化剤含有支持体を得ることができるということは当業者に理解されるであろう。
本発明に従う火工材料及びその用途の態様を、添付した図面に関する実施例によってのみ記載する。
図１は、 火工材料の断面図を示している。
図２は、図１記載の火工材料の露出した炭素繊維の電子顕微鏡写真を示している。
図３は、図１記載の材料の全赤外線照射量の、相対強度の経時変化を示している。
図１について言及すると、 火工材料は、可燃性層（２）、（３）を有する炭素化されたビスコースレーヨン支持体（１）から構成され、各可燃性層は約４０μｍの厚さのマグネシウムから構成され、支持体の各面（４）、（５）の実質的に全面に蒸着している。 更に、保護コーティングとしてのチタン層（６）、（７）が、可燃性層（２）、（３）の露出した表面（８）、（９）上に、約０．５μｍの厚さで蒸着されている。
支持体（１）は、２．５ｃｍ×１０ｃｍ×１５０μｍ、１００ｇ／ｍ 2の繊維を含むビスコースレーヨンテープから形成される。 テープは、以下に示す４段階からなる通常の熱分解による炭素化法：
物理的に吸着した溶媒、水又はモノマーを除去する前炭素化（precarbonisation）工程、
酸素、窒素及びハロゲンを除去している間に、炭素ユニット（carbon unit）間で結合及び架橋を起こす炭素化工程（３００℃〜５００℃）、
結合した炭素の相互接続を増加させる脱水素工程（５００℃〜１２００℃）、及び材料がより結晶化した構造を達成し、欠陥が次第に除去されるアニーリング（annealing）工程からなる方法を使用し、１２００℃付近で銅塩の活性化剤及びカリウム塩の酸化剤前駆体の存在下で炭素化する。 形成した支持体（１）は、非常に多孔性であり、かつそのなかに吸収された酸化剤として鉛酸化物を有する。
層（２）、（３）、（６）、（７）は、通常の真空蒸着装置（図示せず）を用いて蒸着されている。 蒸着源（deposition source）材料は、離れた蒸気化ボート（vaporising boat）（図示せず）上に位置していてもよく、ボートを加熱するか又は、アルゴンガス等の不活性雰囲気中で電子ビームを用いて蒸着源の表面をスキャンすることにより蒸気化してもよい。 代わりに、蒸着源はマグネトロンスパッタリング又は誘導コイル蒸発（inductive coil evaporation）に付される材料の棒（bar）を含んでいてもよい。
マグネシウムを支持体（１）の露出した表面に直接蒸着し、可燃性材料層（２）、（３）を形成する。 図２は、１４００倍に拡大した電子顕微鏡写真であり、５μｍのマグネシウムの放射状の蒸着物（１１）を有する、支持体表面上の露出した炭素化繊維（１０）を示している。
したがって、製作された火工材料は、使用前に、端を切り取り、あらゆる被覆されていない支持体（１）を除去してもよい。
図１に示した材料の放射発光強度の典型的な経時変化は図３に示されている。 |
