Desenvolvimento de compósito cerâmica/polímero resistente a impactos balísticos de projéteis de fuzil



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Anais do 45º Congresso Brasileiro de Cerâmica 090070

30 de maio a 2 de junho de 2001 - Florianópolis – SC.


DESENVOLVIMENTO DE COMPÓSITO CERÂMICA/POLÍMERO RESISTENTE A IMPACTOS BALÍSTICOS DE PROJÉTEIS DE FUZIL

Boukouvalas, N.T.; Prof. Dr. Wiebeck, H.; Prof. Dr. Valenzuela-Diaz, F. R.;

Prof. Dr. XAVIER, C.

Av. Prof. Lineu Prestes, 580 - Conjunto das Químicas - Semi-Industrial

CEP 05508-900 São Paulo - SP F: (0XX11) 818-2226 Fax: 211-3020

e-mail: nictb1@yahoo.com ou nictb@ig.com.br

Dep. Engenharia Química - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

RESUMO
Devido ao crescente aumento dos assaltos feitos com fuzis a carros de transporte de valores, faz-se necessário o desenvolvimento de materiais mais leves que os tradicionais para a devida proteção dos ocupantes dos veículos. O compósito referido é composto de duas partes: a frontal, de material cerâmico; e a base, de material polimérico. Foram realizados ensaios balísticos com projéteis 7,62mm, com velocidade de impacto aproximada de 800 m/s. A alumina APC 2011 apresentou resultado não satisfatório, enquanto que a alumina A-16 SG, com espessura de 11 mm, foi capaz de fragmentar projéteis. O compósito mostrou-se adequado ao uso em veículos com efetiva proteção contra o projétil utilizado nos nossos ensaios, sendo necessário somente redimensionar o conjunto para que a proteção se estenda a outros tipos de projéteis.
Palavras -chaves: Blindagem, alumina, compósito

INTRODUÇÃO
Quando se pretende proteção contra projéteis balísticos, primeiramente deve-se saber que tipo de proteção, ou seja, contra quais tipos de projéteis. Para os projéteis de baixa velocidade com pontas não cônicas, proteções feitas com multicamadas de tecidos de aramida e as feitas com compósitos feitos a partir dos tecidos de aramida com polímeros tipo poliéster insaturado, epóxi ou poliuretano, são eficientes na proteção. No caso dos projéteis de fuzil tipo 7.62, com velocidades de impacto da ordem de 800 m/s, os materiais anteriormente citados são inadequados, pois necessitariam ter espessura muito grande para fornecer proteção. Nesse caso, para prover a esses tipos de materiais eficiência adequada, utilizam-se placas cerâmicas frontais. Estas placas são responsáveis pela fragmentação dos projéteis. Cabe à proteção posterior, polimérica, a função de absorver a energia do impacto dos fragmentos gerados.

MAYSELESS et al. apud XAVIER (1), examinando o fenômeno de impacto de projéteis em peças cerâmicas e o mecanismo de penetração, propuseram a seguinte seqüência de eventos:



  1. O impacto do projétil com a face cerâmica da blindagem cria ondas de choque com pressões extremamente altas, acima de 4 X 106 bar a 915 m/s.

  2. A onda de choque viaja através do projétil e da peça cerâmica com as respectivas velocidades sônicas dos materiais. Tomando como exemplo aço e cerâmica B4C, com velocidades sônicas para o aço = 4876,8 m/s e para o B4C = 14630,4 m/s, a grande diferença nas velocidades sônicas resulta no encontro das ondas no interior do projétil. O choque das ondas causa a fratura do projétil.

  3. Como os fragmentos do projétil viajam dentro da peça cerâmica fraturada, a área de carga resultante sobre o suporte traseiro decresce abaixo do diâmetro do projétil.

  4. O suporte traseiro deve então ter a habilidade de absorver a energia dos fragmentos do projétil e da peça cerâmica por deflexão dinâmica e desacelerar as partículas.

Poliamidas aromáticas são formadas por reações que levam à formação de ligações amídicas entre anéis aromáticos. Na prática, diaminas aromáticas e cloretos diácidos aromáticos são empregados em um solvente amídico. Desses polímeros, fibras de excepcional resistência ao calor e à chama com alta tenacidade são produzidos. Como as fibras de poliamidas aromáticas exibem propriedades físicas excepcionais, o termo genérico “aramidas” foi adotado em 1974 pela “U.S. Federal Trade Commission” para designar fibras de poliamidas aromáticas, que foram definidas como: aramida, fibras manufaturadas as quais a substância de formação das fibras é uma longa cadeia de poliamida sintética, na qual pelo menos 85% das ligações amídicas ––(CO—NH)— são ligadas diretamente a dois anéis aromáticos. As aramidas comerciais usualmente possuem 100% de ligações amídicas ligadas diretamente a dois anéis aromáticos (2).

Como fibras têxteis, uma característica das aramidas é sua média a ultra-alta tenacidade, médio a baixo alongamento e moderadamente alto a ultra-alto módulo de elasticidade. A maior parte das fibras possui alta cristalinidade, com densidades para fibras cristalinas partindo de 1,35 g/cm3 até 1,45 g/cm3, sendo que fibras com baixa orientação, como Nomex, tem densidade aproximada de 1,35 g/cm3, enquanto que fibras com maior orientação, como Kevlar, tem densidade de 1,45 g/cm3 (2).

Resistentes ao calor e à chama, fibras aramídicas possuem alta proporção de anéis fenólicos meta orientados, enquanto que fibras de alta tenacidade e módulo contém principalmente anéis fenólicos para-orientados. A tensão em elevadas temperaturas, de 3000C a 3500C, sofre uma pequena queda. O alongamento tende a ser menor a 3000C que à temperatura ambiente (2).

Apesar das aramidas possuírem ponto de fusão acima de 5000C com decomposição, particularmente não são usadas como fibras resistentes ao calor, pois possuem baixo alongamento, com redução deste em elevadas temperaturas, resultando em fragilidade (2).

As fibras aramídicas possuem excelente resistência química, sendo muito superiores ao Nylon 66, na resistência aos ácidos, mas não tão resistente aos álcalis como o poliéster (PET), exceto, neste caso, em temperaturas acima de 100 oC, particularmente em pH 4 a 8. São suscetíveis à radiação UV, sendo que aditivos estabilizadores não são efetivos em aramidas como o são em poliamidas alifáticas, pois o mecanismo de degradação é diferente (2).

Fibras aramídicas de ultra-alta resistência à tração e alto módulo de elasticidade são de fino diâmetro, normalmente menor que 0,7 Tex por filamento e geralmente entre 0,17 Tex e 0,22 Tex por filamento. Tex é uma unidade que expressa o Título do fio, que corresponde à massa em gramas de 1000 metros deste fio. A curva "Tensão X Deformação" para estas fibras é similar à curva para fibras de vidro ou de aço. Como sua densidade é menor que a do vidro e do aço, comparando-se os materiais, pode-se dizer que as aramidas são superiores aos outros dois materiais, além de que o Kevlar-49 é competitivo com fibras de carbono de baixo módulo de elasticidade (2).

A aramida é um material muito utilizado na produção de tecidos de proteção. Estes tecidos podem ser produzidos a partir de fios de multifilamentos contínuos ou fios fiados. Há uma grande diferença no comportamento dos tecidos que se estabelece de acordo com os tipos de fios e a padronagem do tecido, ou seja, a ordenação dos fios no tecido (3).

A fibra de aramida de aplicação balística é mais facilmente encontrada no mercado brasileiro com os nomes KEVLAR, da Du Pont ou TWARON, da Akzo-Enka (3).

Este material apresenta propriedades mecânicas para uso normal em temperaturas acima de 180 oC. Apresenta pequena fragilidade, ou seja, perde ductilidade, a –196 oC, a temperatura do nitrogênio líquido. As fibras aramídicas absorvem umidade atmosférica, e devem ser secas antes de usadas. Isto se faz necessário em função de as aramidas perderem resistência mecânica com o aumento da umidade no interior destas. Possuem excelente resistência a impactos balísticos em função da forma que ocorre a ruptura sob condições de impacto. As fibras tendem a delaminarem-se em numerosas fibrilas sob o impacto em função da estrutura quase completamente cristalina produzida no processo de estiramento realizado durante sua produção (3). Para uma temperatura T constante, quanto maior a taxa de deformação, maior é o módulo elástico, maior a resistência à tração e maior a deformação na fratura. O módulo elástico inicial reduz e a tensão de ruptura aumenta com o aumento da temperatura. É viável e confiável o uso do método Weibull em fibras de aramida (4).

As cerâmicas foram usadas em blindagens desde o início do século vinte, sendo que os alemães são considerados os primeiros a utilizar, na I Guerra Mundial, contra armas leves e estilhaços. Com o tempo os materiais foram aperfeiçoados, sendo que as cerâmicas para blindagem são divididas em cerâmicas monolíticas ou compostas. As monolíticas mais testadas são: alumina (Al2O3), carbeto de boro (B4C), carbeto de silício (SiC), borato de titânio (TiB2) e nitreto de alumínio (AlN). São densificadas por sinterização com fase líquida, sinterização no estado sólido ou prensagem a quente. As compostas em teste são Al2O3/SiC whiskers, Ni/SiC whiskers, Ni/TiC entre outras. O custo das cerâmicas é maior para as compostas. As cerâmicas para blindagens são de alta dureza, alta velocidade sônica, baixa razão de Poisson e fraturam no modo transgranular (5).

Em impactos de baixa velocidade, v < 700 m/s, as propriedades mecânicas, quase-estática ou dinâmica governam a penetração. Em velocidades intermediárias, 700 m/s < v < 3000 m/s, a penetração é governada por propriedades dinâmicas dos materiais e escoamento hidrodinâmico. É neste regime de velocidade que trabalha a maioria das armas militares. São quatro os estágios da penetração: impacto inicial com escoamento hidrodinâmico do penetrador e da cerâmica; quebra e continuado escoamento do penetrador e jato de fragmentos de cerâmica em alta velocidade; fratura da cerâmica com formação do cone de trincas Hertzian e trincas trativas na face oposta ao impacto; erosão do penetrador e extensas fraturas na cerâmica (5).

Em impactos de alta velocidade, a transmissão de energia se faz através do material por onda de choque. Sendo assim, em geral, quanto maior a impedância, melhor o material (5).
TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

Preparo dos corpos de prova

a) Base


Como base ou suporte traseiro, foi utilizado um compósito desenvolvido em nossos laboratórios, feito com tecido de aramida de fios multifilamentos contínuos, ASA-770, fabricado pela TEADIT S.A., utilizando como matriz polimérica PVB plastificado, código RB – 41, fabricado pela empresa Solutia Brasil Ltda. O processo de obtenção do compósito é por meio de termomoldagem.
b) Placa cerâmica
As placas cerâmicas foram feitas a partir de dois tipos de alumina: A-16 SG e APC 2011. O processo de obtenção dos corpos de prova é iniciado com mistura em fase líquida das aluminas e polímero aglomerante para fornecer resistência a verde, com posterior secagem e desagregação. O preparo das amostras a verde é feito por prensagem do preparado em molde flutuante. Leva-se então as amostras a uma estufa com temperatura de 90 oC por 24 horas para eliminação de umidade. A última etapa é a sinterização, feita a 1600 oC.
c) Compósito
Em uma prensa equipada com placas de aquecimento elétricas, coloca-se a base sobre a placa inferior fria. Sobre esta coloca-se um filme de adesivo tipo hot-melt. Acima coloca-se a placa cerâmica. Sobre este, coloca-se outro filme hot-melt e uma camada de tecido de aramida do tipo utilizado na base. A função do tecido frontal é reduzir a ejeção de fragmentos cerâmicos. Sobre este conjunto aplica-se pressão de 0,3 MPa com a placa superior aquecida à temperatura adequada ao uso do filme hot-melt. O tempo de permanência é dado pelo tempo de fusão do filme na face inferior da cerâmica. Após o devido tempo, leva-se o conjunto para prensagem a frio, 0,3 MPa, em temperatura ambiente, por 30 segundos.

A tabela I informa a composição dos corpos de prova utilizados.


TABELA I




Amostra




1

2

3

4

Nº de camadas de tecido aramídico na base

2

6

6

8

Polímero do compósito

PVB

PVB

PVB

PVB

Tipo de alumina

A-16SG

APC 2011

A-16 SG

A-16SG

Espessura da alumina

3,8 mm

8,7 mm

7,3 mm

11 mm

d) Ensaios balísticos


Os ensaios foram realizados na empresa CBC, Companhia Brasileira de Cartuchos, que cedeu gentilmente seu estende de tiros, estativa para disparo dos projéteis, tipo 7.62, e cronógrafo, para medição de velocidade.

O corpo de prova é fixo em um dispositivo de fixação de amostras para testes balísticos. Após a fixação, todo o pessoal envolvido no teste se posiciona atrás de uma parede/porta de proteção pois o teste pode gerar fragmentos em sentido contrário ao disparo. Com a estativa, realiza-se o disparo do projétil, cuja velocidade é medida pelo cronógrafo cujos sensores ficam entre a parede de proteção e o alvo, este a 2,5 metros de distância.



RESULTADOS E DISCUSSÃO


Amostra

Velocidade de impacto (m/s)

Observações

1

829

Penetração completa

2

837

Penetração completa

3

841

Penetração completa

4

835

Penetração parcial, com retenção dos fragmentos do projétil pela base polimérica.










Figura 1 - Amostra 1, frente após impacto




Figura 2 - Amostra 1, atrás após impacto








Figura 3 - Amostra 2, frente após impacto



Figura 4 - Amostra 2, atrás após impacto








Figura 5 – Amostra 3, frente após impacto



Figura 6 - Amostra 3, atrás após impacto

Como pode ser observado nas figuras 1, 2, 3, 4, 5 e 6, as amostras 1, 2 e 3 não apresentam qualidade para proteção, tendo sido perfuradas. Porém, nota-se diferenças nos comportamentos ao impacto.

A amostra 1, de 2 camadas de tecido na base, com proteção frontal de alumina A-16 SG, de espessura 3,8 mm, foi danificada numa área pouco maior que a que compreende o diâmetro do projétil.

A amostra 2, de 6 camadas de tecido na base, com proteção frontal de alumina APC 2011 de espessura 8,7 mm, foi danificada numa área pouco maior que a anterior. Isto leva a concluir que a amostra 1 com proteção frontal de alumina A-16SG de espessura 3,8mm o que mostra a superioridade da amostra 1, frente ao impacto do projétil 7,62m

A amostra 3 apresenta danos maiores, principalmente na parte frontal, onde o tecido que recobre a placa de alumina foi extremamente danificado na área sobre a placa. Isto evidencia que a alumina absorveu grande parte da energia do impacto, transferindo parte desta ao tecido frontal, que rompeu. O compósito da base não suportou a energia do projétil e também rompeu. Não foi possível coletar o material do projétil após o impacto para analisar o grau de fragmentação deste.

Figura 7 - Amostra 4, frente após impacto






Figura 8 - Amostra 4, vista lateral da frente após impacto











Figura 9 – Amostra 4, detalhe da frente após impacto



Figura 10 - Amostra 4, atrás após o impacto

Na figura 10, observa-se o lado de trás da amostra. Nota-se que não houve passagem do projétil ou de fragmentos deste, mostrando ser apto ao uso. Deve-se porém observar que, apesar de resistir ao impacto, o compósito sofre danos extensos e não resistiria ao impacto de outro projétil.

Observando o comportamento ao impacto balístico dos compósitos das amostras 2 e 3, verifica-se que a amostra 3, feita de alumina A-16 SG, apesar de possuir uma placa de alumina de menor espessura, 7.3 mm, apresentou melhor capacidade de absorsão do impacto que a amostra 2, feita com alumina APC 2011, de espessura 8.3 mm.
CONCLUSÕES
A alumina A-16 SG apresenta melhor qualidade que a APC 2011 no preparo de placas cerâmicas para aplicação balística embora a alumina A-16SG seja produzida com características muito melhores que a APC-2011 esta é mais barata e estamos procurando um processamento adequado tentando obter melhores resultados quanto a sua tenacidade.

O uso de compósito flexível na base do compósito cerâmica/polímero é aplicável para o uso balístico contra projéteis tipo 7.62mm, sendo possível sua utilização em blindagem em superfícies não planas.



AGRADECIMENTOS
À CBC, Companhia Brasileira de Cartuchos, por ceder espaço de teste, equipamentos e munição que permitiram a realização deste trabalho e FAPESP,(Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) Proc. 98/09095-2, pelo suporte financeiro para a realização e apresentação deste trabalho.
REFERÊNCIAS


1.

XAVIER, C.; WIEBECK, H.; SOUZA SANTOS, P. Desenvolvimento de compósitos cerâmicos para blindagens balísticas. In: CONGRESSO BRASILEIRO E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 13., Curitiba, 1998. Anais. Curitiba, s.n., 1998. [em CD-ROM]







2.

ZIMMERMAN, J. Polyamides, aromatic. In: ENCYCLOPEDIA OF POLYMER SCIENCE AND ENGINEERING. 2. ed. New York, John Wiley, c1990. v. 11, p. 381-407







3.

ARMSTRONG, K.B.; BARRETT, R.T. Care and repair of advanced composites, Warrendale, Society of Automotive Engineers, 1998. p. 36-38







4.

WANG, Y.; XIA, Y.M. Experimental and theoretical study on the strain rate and temperature dependence of mechanical behavior of kevlar fibre. Composites, v. 30, pt A, p. 1251-1257, 1999







5.

XAVIER, C. Estudo comparativo de algumas aluminas comerciais no desenvolvimento de compósitos cerâmica/metal resistente a impactos balísticos. São Paulo, 1997. 91 p. Tese (Livre Docência) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo


DEVELOPMENT OF CERAMIC/POLYMER COMPOSITE RESISTANT TO BALISTIC IMPACTS OF RIFLE BULLETS
ABSTRACT
Due to the increase in assault with rifles to armored vehicles for valueables transportation, it's necessary the development of light materials other than the traditional ones used to the protection of the persons in the vehicles. The composite referred is made up of two parts: front part, made of a ceramic material; back part, a polymeric material. Ballistic tests with 7.62mm projectiles with velocities above 800 m/s were performed. The alumina APC 2011 did not shows satisfatory results, but alumina A-16 SG, 11 mm thick, is capable of fragmenting the projectiles. The composite suitable for use in armored vehicles with efective protection against the projectile used in our tests. However, it is necessary adjustments in the design of the composite in order to improve against other kinds of projectiles.


Key-words: armor, alumina, composite



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