Zr系アモルファス合金成形薬筒ライナーの非凝集ジェット形成：予測モデル

金属ジェットが壊れることが好都合な場合

爆薬はしばしば、金属コーンを絞り込んで細長い針状のジェットを作り、装甲やコンクリートに狭く深い穴を開けるために用いられます。本研究は、ジルコニウム系の「アモルファス」金属という特殊材料を使ってそのジェットを新たな方法で形成する可能性を探ります。この材料は単一の滑らかな槍状にならず、高速の断片群へと自然に分裂します。深さがやや犠牲になる代わりに穴が広がるというこのトレードオフは、次世代の弾頭や防護技術にとって有用になり得ます。

異なる性質をもつ炸薬用金属

従来の成形炸薬は銅のような延性金属を用い、長く凝集したジェットを形成して狭い経路を深く掘り進みます。一方で「非凝集」ジェット—すぐに多数の断片に割れるジェット—は、例えば二発目の弾薬のために広いトンネルを開ける、あるいは複雑な構造を破壊するような、広範囲の損傷が望ましい場合に有利であることがわかっています。既存の非凝集ジェットの多くは軽い塑性金属混合物に依存しており、貫通力は高くありません。Zr系アモルファス合金（バルクメタリックグラスとも呼ばれる）は、高密度・高強度・化学反応性を兼ね備え、強力でありながら広く拡散するジェットの有望な候補です。以前の試験ではこれらの合金が離散的な粒子状ジェットを作ることが示されていましたが、なぜそうなるのかを説明する予測理論はこれまで存在しませんでした。

コーンの潰れ方を模型化する

著者らは、爆薬によってライナーが内側に押し潰されるごく小さな領域に注目した数学モデルを構築します。軸近傍では、金属流れが小さな「停止コア」を迂回し、直線ではなく曲線を描く経路を取ります。モデルはこの領域を可圧縮な円形流として扱い、脆いガラス様材料に適した物性記述（JH‑2モデル）を用います。この曲流領域で質量・運動量保存を解き、崩壊するコーンの残りの部分と整合させることで、内側から外側の流線にかけて圧力・密度・流速がどのように変化するかを予測します。これらの予測は重要な問いに結びつきます：局所的な流速が材料中の音速に達するか超える点はいつか。そこはジェットが不安定化し、粒子が前方へ真っ直ぐ進むのではなく側方へ押し出されやすくなる条件です。

隠れた限界：最大潰れ角

コーンが潰れるとき、材料の各リングは特定の角度と速度で閉じます。新しいモデルは、Zr系アモルファス合金に対して最大潰れ角が存在することを示します：この値を超えると、定常で整った流れを記述する方程式が解を持たなくなります。物理的には、これは金属が早期に破砕し、曲流領域が安定を保てず、強い側方（半径方向）速度が発生することを意味します。研究者らはこの領域に入る金属の臨界流入速度を導き、それが幾何学と材料の音速にどう依存するかを示します。また、流れ領域の大きさを特徴づける幾何比を精緻化し、モデルの数値予測を詳細計算と非常に近い一致（約0.5％程度）にまで高めています。

実時間でジェットが崩れる様子を観る

理論を検証するため、チームはVit1アモルファス合金製ライナーを用いた実際の成形炸薬を作り、高エネルギーX線カメラでジェットを撮影しながら起爆しました。起爆から約30マイクロ秒では、ジェットは従来型に似て長くほぼ連続しており、先端付近で粒子が詰まって球状の膨らみが見られる程度でした。しかし60マイクロ秒までにはジェット前方はトランペット状の空洞に開き、材料の塊が半径方向に剥がれ落ちており、非凝集ジェットの明確な兆候が観測されました。同じ材料法則を用いた数値シミュレーションは、先端の膨らみ、空洞の発展、断片の雲といったこれらの特徴を再現し、モデルが主要な物理過程を捉えていることを裏付けました。

小さな要素から全体のジェット挙動へ

モデルはライナーの各小領域とジェット内での最終的な運動とを結びつけるため、コーンのどの領域が凝集した部分を生成し、どの領域がばらばらの粒子を作るかをマッピングできます。結果として、コーンの先端や基部近傍の材料は凝集状態を保ちやすく、ジェットの先端や後部の“スラッグ”に供給されるのに対し、中間領域の材料が最も非凝集化しやすいことが分かりました。このパターンはX線画像と一致しており、ジェット本体が強く破砕する一方で尾部は比較的固まりを保つ様子が観察されます。重要なのは、この破砕が起きる理由を説明できる点です。アモルファス合金の衝突速度は銅で有効とされる従来の音速閾値を下回っていても、ガラス様の脆性特性と最大潰れ角の存在が相まってジェットの断片化を促すのです。

実務上の意義

専門外の読者にとっての主要な結論は、爆発荷重下で金属コーンがどのように破綻するか—すなわち滑らかに流れるのか粉々になるのか—が予測・設計可能だということです。本研究は設計者がライナーの形状や材料を選んで、深く狭い貫通を得るのか、より広く破壊的な開口を狙うのかを物理に基づいて決められる道具を提供します。とりわけ、Zr系アモルファス合金は制御されたジェットの破砕を自然に促すため、単一の炸薬で大きな通路を切り開くか、内部に広範な損傷を与えるための小型化された装置への道を示しています。

引用: Niu, Y., Ji, L., Jia, X. et al. Non-cohesive jet formation of Zr-based amorphous alloy shaped charge liners: a predictive model. Sci Rep 16, 5647 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35608-0

キーワード: 成形炸薬ジェット, アモルファス合金, 非凝集ジェット, メタリックガラスライナー, 爆発貫通