Análise do dano por impacto de projétil Magnum 44 em vidros blindados de 21 mm de espessura



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Anais do 47º
Congresso Brasileiro de Cerâmica

Proceedings of the 47th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

15-18/junho/2003 – João Pessoa - PB - Brasil



ANÁLISE DO DANO POR IMPACTO DE PROJÉTIL 44 MAGNUM EM VIDROS BLINDADOS DE 21 mm DE ESPESSURA

Branco, G. de C.P.1; Basile, E.G.1; Morrone, R.G.1; Viana, H.F.1; Cardoso, A.V.D.1; Furtado, F.B.1; Yoshimura, H.N.2

Av. Prof. Almeida Prado, 532, São Paulo, SP, 05508-901, hnyoshim@ipt.br

1 – Gepco Indústria e Comércio Ltda.

2 – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. – IPT

RESUMO


Este trabalho tem como objetivo avançar na compreensão do comportamento balístico de vidros blindados. Os parâmetros investigados foram energia do projétil, número de tiros, espessura e seqüência das lâminas de vidro. Foram preparadas amostras com três lâminas de vidro e uma de PC de 3mm, com filme de PVB entre lâminas de vidro e filme de PU entre vidro e PC. Foram preparadas amostras com diferentes seqüências de lâminas de vidro de 4, 6 e 8mm mantendo constante a espessura total em 18mm. Os conjuntos foram montados manualmente, colocados dentro de bolsas de vácuo e submetidos a ciclo de vácuo, pressão e temperatura em autoclave. Os laminados preparados com área de 50x50cm2 foram submetidos ao ensaio balístico utilizando projétil 44 Magnum. Imagens digitalizadas das amostras ensaiadas foram analisadas em um programa específico de análise de imagens para quantificação dos danos, cujos resultados foram correlacionados com os parâmetros estudados.
Palavras-chave: Vidro blindado, energia cinética do projétil, 44 Magnum

INTRODUÇÃO

A crescente onda de violência tem aumentado a demanda por estruturas blindadas para proteção do indivíduo. Em particular, a blindagem de automóveis vem sendo cada vez mais empregada, principalmente pela classe média da população. Esta blindagem, no entanto, causa um aumento no peso do veículo (na faixa de 120 a 240 kg), o que acarreta, entre outros fatores, em aumento do consumo de combustível, que tem o agravante de aumentar a emissão de poluentes na atmosfera. Esforços têm sido empenhados no sentido de se diminuir o peso da blindagem por meio do desenvolvimento de materiais e sistemas de montagem (1-3).

O vidro blindado para automóveis e veículos de transporte de valores consiste basicamente de um conjunto laminado de lâminas de vidros com uma lâmina ou mais de policarbonato (PC) no lado interno, em referência ao automóvel. Este compósito combina uma camada externa dura com uma camada interna mais flexível e tenaz, conjugando sinergisticamente as suas propriedades e obtendo um desempenho balístico superior ao de seus componentes isolados. De um modo geral, a face de impacto (primeira lâmina de vidro) têm a função de achatar o projétil e eliminar a sua conicidade e o seu movimento rotatório, para diminuir a sua capacidade de perfuração. As lâminas intermediárias de vidro atuam no sentido de absorver a energia cinética do projétil e diminuir a sua velocidade. A(s) lâmina(s) de PC atua(m) no sentido de impedir a perfuração do projétil e o lançamento de perigosos estilhaços de vidro para dentro do veículo. O principal mecanismo de absorção de energia cinética do projétil pelas lâminas de vidro é a geração de superfícies de fratura frágil, enquanto pela(s) lâmina(s) de PC é a deformação plástica. Outro mecanismo importante do compósito é a delaminação entre as lâminas, que depende das características dos filmes poliméricos adesivos utilizados para a união das lâminas de vidro e de PC, sendo os mais utilizados o polivinil butiral (PVB) e o poliuretano (PU). A grande diferença entre os coeficientes de expansão térmica do vidro e do PC é acomodada pelo filme. Outros adesivos e tratamentos superficiais são propostos na literatura (4;5).

A compreensão dos mecanismos de dano envolvidos no impacto de projéteis de armas de fogo em proteções balísticas é fundamental para o avanço no desenvolvimento de estruturas blindadas mais leves. Este trabalho tem como objetivo avançar na compreensão do comportamento balístico de vidros blindados por meio da análise dos danos causados pelo impacto de projétil de arma de fogo. Os parâmetros investigados foram a energia do projétil, a seqüência de tiros, a espessura do vidro e a seqüência de montagem das lâminas de vidro.


METODOLOGIA
A preparação das amostras de vidro blindado envolveu a utilização de lâminas de vidro plano de 4, 6 e 8 mm de espessura (Cebrace vidro Float), placa de policarbonato (PC) de 3 mm de espessura (GE Lexan), filme de polivinil butiral (PVB) de 0,38 mm de espessura e filme de poliuretano (PU) de 0,38 mm de espessura. Foram preparadas amostras com montagem de três lâminas de vidro e uma placa de PC na face oposta à direção de impacto do projétil, sendo que entre as lâminas de vidro foi utilizado um filme de PVB e entre o vidro e o PC um filme de PU. Os conjuntos foram montados manualmente, colocados dentro de bolsas de vácuo e submetidos a ciclo de vácuo, pressão e temperatura em uma autoclave. Os laminados foram preparados com área de 50 x 50 cm2.

As amostras foram submetidas ao ensaio balístico com base na norma americana NIJ 0108.01 (1985) (6), utilizando como sistema de disparo uma estativa fixa com mira laser. A amostra foi fixada em um suporte metálico com vão de ~45 x 45 cm2 com os apoios revestidos de borracha e posicionada frontal e perpendicularmente à estativa, a uma distância de 5,0 m. A velocidade do projétil foi determinada em todos os tiros por meio de um cronógrafo (Crony F-1), com distância entre sensores de 0,305 m, posicionada à frente e a 2,0 m da estativa. A cada disparo, montava-se a bala com uma determinada massa de pólvora (CBC ref. 220), pesada em uma balança digital semi-analítica (Gehaka BG 200), que era inserida em um estojo com espoleta e fechada com um projétil calibre 44 Magnum JSP; na seqüência este conjunto era calibrado em um dispositivo apropriado. Os disparos foram realizados dentro de um túnel balístico com sistema de segurança para acionamento.

A primeira série de estudo envolveu laminados com três vidros de 6 mm de espessura (amostra 666-3, o número após o hífen refere-se à espessura do PC). Nesta série verificou-se o efeito da energia cinética (E = mv2/2) do projétil na evolução do dano da estrutura blindada, variando-se a velocidade v do projétil (a massa m do projétil foi de 15,55 g). Em cada amostra foi realizado um disparo no seu centro.

Na segunda série foram preparadas amostras com diferentes seqüências de lâminas de vidro mantendo constante a espessura total das três lâminas em 18 mm. Foram preparadas as amostras 468-3, 486-3, 648-3, 666-3, 684-3, 846-3 e 864-3, onde os números à esquerda do hífen referem-se às espessuras dos vidros. Realizou-se o ensaio balístico tipo III-A da NIJ 0108.01 (1985) (6), onde foram disparados cinco tiros em cada laminado, sendo que as posições de impacto dos quatro primeiros formavam um quadrado de lado 200 mm centrado na amostra e o último tiro era dado no centro desta figura. Após cada disparo, registrou-se com uma câmara digital as imagens frontal e de trás da amostra.

Nas amostras da primeira série os padrões de trinca gerados por cada uma das lâminas de vidro foram copiados separadamente em folhas de acetato. Em cada padrão de fratura contou-se o número de trincas radiais que cruzavam círculos com raios de 10, 15 e 20 cm centrados na posição de impacto. Contou-se também o número de trincas radiais ramificadas que cruzavam estes círculos e que foram geradas nos setores adjacentes aos círculos (por ex., no círculo de raio de 15 cm foram contadas as trincas ramificadas no anel compreendido entre os círculos de raio 10 e 15 cm).

As imagens digitalizadas ou copiadas foram analisadas em um analisador de imagens (Leica Qwin) para quantificação dos danos. Determinou-se também com um paquímetro a profundidade de penetração de cada tiro na placa de PC. As amostras da primeira série foram seccionadas ao meio em uma cortadeira com disco diamantado para análise do seu perfil. Partes das regiões de dano foram analisados em um microscópio eletrônico de varredura (MEV, Jeol JSM 1200), no modo de imagens de elétrons secundários.


RESULTADOS E DISCUSSÃO
A espessura média dos vidros blindados preparados foi de (21,8  0,2) mm e a massa média de (12,29  0,09) kg. Uma característica importante de blindagens balísticas é a densidade superficial (areal density), razão entre a massa e a área do laminado, que possibilita comparar blindagens com diferentes materiais e montagens. Neste trabalho a densidade superficial dos vidros blindados foi constante, pois foram mantidas constante as quantidades de lâminas de vidro (3) e de PC (1), a espessura total dos vidros (18 mm) e a espessura do PC (3 mm). A densidade superficial média dos vidros blindados preparados foi (49,1  0,3) kg/m2.

A Fig. 1 apresenta os resultados de velocidade e de energia cinética do projétil 44 Magnum JSP em função da massa de pólvora utilizada. Observou-se uma relação linear entre a velocidade do projétil e a massa de pólvora e, em conseqüência, uma relação parabólica da energia cinética. Na segunda série, a velocidade do projétil foi mantida constante em (430  9) m/s, dentro da faixa especificada para o ensaio balístico tipo III-A da NIJ 0108.01 (1985) (6) de (426  15) m/s.




Fig. 1 – Velocidade e energia cinética do projétil 44 Magnum JSP em função da massa de pólvora.


1a Série: Efeito da energia cinética (velocidade) do projétil 44 Magnum JSP

A
Fig. 2 apresenta fotos da região próxima ao ponto de impacto, onde ocorreu intenso dano. Na foto frontal (Fig. 2a) observa-se a cratera formada pelo impacto do projétil e na foto de trás (Fig. 2b) observam-se a área delaminada do PC e o ressalto causado pela penetração da onda de choque no PC.




(a) (b)

Fig. 2 – Vista frontal (a) e de trás (b) da região próxima ao ponto de impacto da amostra 666-3 submetida à velocidade do projétil de 512 m/s (2046 J).


Na menor velocidade de impacto (225 m/s, 396 J) não houve perfuração da primeira lâmina de vidro (face de impacto), mas a onda de choque propagada causou intenso dano nas três lâminas de vidro formando uma região com perfil de tronco de cone contendo inúmeras trincas cônicas concêntricas. Com o aumento da velocidade ocorreu maior penetração do projétil nas lâminas de vidro causando uma perda de massa na região do tronco de cone (zona cominuida) e definiu uma cratera na primeira lâmina de vidro. A base maior do tronco de cone definiu a área delaminada do PC. Até a velocidade de 368 m/s (1055 J) observou-se apenas um ligeiro abaulamento da lâmina de PC na região delaminada. A partir da velocidade de 439 m/s (1502 J) observou-se penetração na lâmina de PC no lado oposto ao do impacto. Esta penetração corresponde à energia absorvida por deformação plástica da lâmina de PC. Até a maior velocidade estudada (513 m/s, 2054 J), não se observou perfuração do PC.

A área delaminada do PC inicialmente cresceu com o aumento da velocidade (energia) do projétil de 225 m/s (396 J) para 322 m/s (811 J), mas em seguida manteve-se aproximadamente constante até 439 m/s (1502 J); com maior velocidade (474 m/s, 1753 J) voltou a crescer e tendeu novamente a se manter constante (Fig. 3a). A área da cratera da primeira lâmina de vidro inicialmente cresceu com o aumento da velocidade (energia) do projétil até 368 m/s (1055 J) e depois diminuiu (Fig. 3b). Esta mudança de tendência coincidiu com o início da penetração da lâmina de PC na velocidade de 439 m/s, cuja profundidade aumentou com a velocidade (energia) do projétil (Fig. 3c).



(a) (b) (c)

Fig. 3 - Área delaminada do PC (a), área da cratera (b) e profundidade de penetração do PC (c) em função da energia cinética do projétil.
Na região próxima ao impacto formam-se, além das trincas cônicas, trincas radiais, laterais e circunferencias. No encontro destas trincas formaram-se lascas de vidros na primeira lâmina que caíram facilmente com o manuseio. Em alguns casos observou-se a formação de um domo com superfície esférica constituído de partículas de vidro com formato colunar aderidas ao filme de PVB voltado para o lado do impacto (Fig. 4). Este domo se forma na direção do ponto de impacto na lâmina intermediária e/ou na terceira lâmina de vidro. A morfologia das partículas parece estar relacionada com a intersecção das trincas cônicas com as trincas radiais ou medianas, enquanto a geometria do domo pode estar relacionada com as ondas elásticas refletidas na interface vidro-PVB. Com alta velocidade (energia) do projétil, muitas vezes se observou a retro-ejeção do domo, que era arremessado a uma distância maior do que 5 metros (caia atrás da estativa).

(a) (b)


Fig. 4 – Imagens de MEV do domo observada de topo (a) e inclinada (b).
A Fig. 5 apresenta fotos de amostras 666-3 submetidas a diferentes velocidades (energias) do projétil observadas pela face de impacto. Também são apresentados individualmente os padrões de trincas reproduzidos das três lâminas de vidro. (A região central não foi reproduzida em decorrência da dificuldade de visualização.) A maioria das amostras apresentou padrão contendo trincas radiais partindo da região de impacto e trincas circunferenciais. Apenas a primeira lâmina (face de impacto) da amostra submetida à menor velocidade (225 m/s) apresentou padrão diferente, onde se observou várias trincas na forma de anel aproximadamente concêntricas ao ponto de impacto e as poucas trincas radiais pararam nestas trincas (Fig. 5a). A partir da velocidade do projétil de 439 m/s, na qual se iniciou a penetração na lâmina de PC, observou-se a formação de um padrão circular de trincas com raio variando entre ~11 e 17 cm (Fig. 5c). Este padrão circular é composto tanto de trincas circunferenciais quanto de trincas radiais defletidas de sua trajetória, em resposta à flexão para trás do laminado. As trincas circunferenciais foram observadas principalmente na primeira lâmina, enquanto as demais lâminas apresentaram principalmente trincas radiais defletidas.




Vidro 1

Vidro 2

Vidro 3










(a) 225 m/s – 396 J









(b) 368 m/s – 1055 J









(c) 474 m/s – 1753 J

Fig. 5 – Amostra 666-3 submetida a diferentes velocidades de impacto do projétil. (O vidro 1 é a face de impacto, o vidro 2 é a lâmina intermediária e o vidro 3 é adjacente à lâmina de PC.)
A Fig. 6 apresenta a quantidade de trincas radiais que cruzaram os círculos de raio 10, 15 e 20 cm de cada lâmina de vidro. Observou-se que, em geral, em baixas velocidades (até 368 m/s) a lâmina de vidro intermediária é que sofreu maior dano por trincas radiais, enquanto em altas velocidades (acima de 474 m/s) a lâmina da face de impacto apresentou maior número de trincas radiais no raio de 10 cm. O aumento da quantidade de trincas com o aumento do raio do círculo que se observa em algumas resultados da Fig. 6 decorre da bifurcação/ramificação das trincas. A Fig. 7 apresenta as quantidades somadas de trincas radiais e ramificadas nas três lâminas de vidro em função da energia cinética do projétil. Observou-se que no raio de 10 cm a quantidade de trincas radiais aumentou linearmente com a energia cinética do projétil, enquanto nos raios de 15 e 20 cm ocorreu uma tendência de saturação com o aumento da energia (Fig. 7a). A quantidade de trincas radiais que cruzam os diferentes círculos é resultado de um balanço entre a quantidade de trincas ramificadas e a quantidade de trincas que param de propagar (por falta de energia, pelo bloqueio por trincas circunferenciais ou ainda por deflexão de sua trajetória). A quantidade de trincas ramificadas cresce rapidamente com o aumento da energia cinética do projétil (Fig. 7b).












(a) 368 m/s – 1055 J

(b) 439 m/s – 1502 J

(c) 513 m/s – 2054 J

Fig. 6 – Quantidade de trincas radiais (QTR) em função do raio do círculo de análise por lâmina de vidro. (O vidro 1 é a face de impacto.)

(a) (b)

Fig. 7 – Quantidade total de trincas radiais (a) e ramificadas (b) em função da energia cinética do projétil nos círculos de raio 10, 15 e 20 cm.
2a Série: Efeito da seqüência de montagem das lâminas de vidro

Todas as amostras ensaiadas passaram no ensaio balístico tipo III-A da NIJ 0108.01 (1985) (6), pois nenhuma apresentou perfuração da lâmina de PC. Observou-se entretanto desempenho diferente entre as amostras. As Figs. 8 e 9 apresentam os resultados de área delaminada, profundidade de penetração do PC e área da cratera da face de impacto. Em termos de área delaminada acumulada, os piores desempenhos (maiores áreas) foram observados nos laminados 468-3 e 648-3 e o melhor desempenho foi observado no laminado 864-3. A amostra 468-3 teve desempenho pior do que o apresentado na Fig. 8, pois sua área delaminada alcançou as bordas da amostra. Esta amostra apresentou também o pior desempenho em termos de profundidade média de penetração do PC (Fig. 9a). Este resultado parece estar associado com a sua menor área média de cratera (Fig. 9b). A amostra 486-3 também apresentou resultado similar. A amostra 648-3, apesar da grande área delaminada, apresentou bom desempenho quanto à profundidade de penetração, provavelmente em decorrência da maior área da cratera (Fig. 9). A observação das seqüências de tiro mostrou que há uma tendência da área delaminada por tiro aumentar fortemente quando há interação entre duas áreas adjacentes, como pode ser observado no terceiro tiro da seqüência apresentada na Fig. 10 da amostra 666-3 e confrontado com o resultado da Fig. 8a. A amostra 864-3 apresentou menor área delaminada total em decorrência de ter apresentado pequena área delaminada por tiro (Fig. 8a) e a sobreposição das áreas ocorreu apenas no último tiro.
(a) (b)

Fig. 8 – Área delaminada do PC por tiro (a) e acumulada (b) das amostras com diferentes seqüências de lâminas de vidro de 4, 6 e 8 mm de espessura.



(a) (b)

Fig. 9 – Valores médios de profundidade de penetração do PC (a) e área da cratera (b) (a barra de erro corresponde a um desvio-padrão). Amostras 1 a 7 são, respectivamente, amostra 468-3, 486-3, 648-3, 666-3, 684-3, 846-3 e 864-3.

Fig. 10 – Seqüência de tiros da amostra 666-3.


CONCLUSÕES
Nas condições deste trabalho, observou-se que na série de variação de energia cinética do projétil há uma velocidade a partir da qual se inicia a penetração da lâmina de PC. Abaixo desta velocidade, o diâmetro da cratera aumenta com a energia do projétil e acima ele diminui. A profundidade de penetração do PC aumenta com o aumento da energia cinética, e a área delaminada do PC também tende a aumentar, mas em etapas. A quantidade de trinca radial e suas ramificações também aumentam com a energia cinética do projétil. Na série com diferentes seqüências de lâminas de vidro, observou-se que o desempenho balístico é favorecido quando se usa lâmina de vidro mais espessa na face de impacto em decorrência do menor dano por delaminação do PC e menor profundidade de penetração do PC, que está associada com a maior área da cratera.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a D.S. Morais, K.C. Correa, F.B. Prandini, E.E. Cunha e G. Gomes pelo auxílio na análise de imagens e a A.L. Molisani pela análise no MEV.



REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS





  1. Smith, C.A. Patente US 5.567.529, 1996.

  2. Charrue, H.; Rifqi, F.; Crepet, R. Guillement, C. Patente US 5.773.148, 1998.

  3. Manheim, J.R. Patente US 4.879.183, 1989.

  4. Molari Jr., R.E. Patente US 4.126.730, 1978.

  5. Molari, Jr. R.E. Patente US 4.198.468, 1980.

  6. NIJ 0108.01 (1985), Ballistic Resistant Protective Materials.

ANALYSIS OF 44 MAGNUM PROJECTILE IMPACT DAMAGE ON THE BULLETPROOF GLASS WITH 21 mm THICKNESS


ABSTRACT

The aim of this work is to study the ballistic behavior of bulletproof glasses. The parameters investigated were the kinetic energy of projectile, the number of shots, the thickness and the sequence of glass laminae. Samples with three glass laminae, one 3mm PC lamina, a PVB film between each two glass laminae and a PU film between the glass and the PC were prepared. Samples with different sequences of 4, 6, and 8mm glass laminae, with total thickness fixed at 18mm were prepared. The manually prepared assembles were subjected to a cycle of vacuum, temperature and pressure using an autoclave. The prepared laminates with 50x50cm² area were subjected to a ballistic test using the 44 Magnum projectile. Digitized images of tested samples were analyzed with an appropriated software to evaluate their damage. The results were related to the parameters investigated.




Key-words: Bulletproof glass, projectile kinetic energy, 44 Magnum

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