BR112020018058A2 - Estrutura de absorção de impacto que compreende um componente de recepção de impacto e um componente de dissipação de energia - Google Patents

Abstract

a presente invenção refere-se a uma estrutura de absorção de impacto (1). a estrutura de absorção de impacto (1) compreende um componente de recepção de impacto (3), capaz de, após receber uma onda de choque de impacto inicial, separar essa onda de choque em pelo menos uma primeira onda de choque (sll) e uma segunda onda de choque (s122), espaçada no tempo de a primeira onda de choque (sll). a estrutura de absorção de impacto (1) também compreende um componente de dissipação de energia (5) adjacente ao componente de recepção de impacto (3) de modo que as ondas de choque espaçadas no tempo (sll, s122) podem passar através de uma interface do componente de recepção de impacto (3) para o componente de dissipação de energia (5). o componente de dissipação de energia (5) compreende um elemento químico ou um composto, tal como calcita, que exibe uma primeira mudança de fase deslocável a partir de uma primeira fase para uma segunda fase (52) ao passar pela primeira onda de choque (sll), uma segunda mudança de fase deslocável (52) a uma terceira fase (53) ao passar pela segunda onda de choque posterior (s122), e uma terceira mudança de fase deslocável a partir da terceira, fase posterior (53) para a primeira fase mediante a descarga após a segunda onda de choque (s122), o composto que exibe, assim, um ciclo de histerese, no qual a energia elástica é dissipada.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “ESTRU- TURA DE ABSORÇÃO DE IMPACTO QUE COMPREENDE UM COM-

PONENTE DE RECEPÇÃO DE IMPACTO E UM COMPONENTE DE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA”. Campo da Invenção

[0001] A presente invenção refere-se às estruturas de absorção de impacto.

[0002] As estruturas de absorção de impacto da técnica anterior compreendem os materiais compósitos que são projetados para dissi- par energia durante o impacto. Por exemplo, fibra de aramida.

[0003] O composto vendido sob a marca comercial Kevlar® é am- plamente utilizado em blindagem para impacto balístico devido à sua capacidade de dissipar uma quantidade relativamente grande de ener- gia associada a tal impacto. No entanto, um problema com as estruturas de absorção de impacto da técnica anterior é que a energia transmitida à estrutura durante um impacto é dissipada através de grande deforma- ção plástica da estrutura e trabalho interno de atrito (atrito intersticial) entre as fibras. Essa deformação é irreversível, o que significa que as estruturas têm uma vida útil limitada e devem ser substituídas após um número limitado de eventos de impacto.

[0004] Certos materiais apresentam um ciclo de histerese após car- regamento e descarregamento elástico, de modo que a energia é dissi- pada dentro do material e o material é capaz de retornar ao seu estado original não deformado. A calcita é um exemplo de tal material.

[0005] A capacidade da calcita de dissipar energia durante o carre- gamento e descarregamento elástico é devido ao material sofrer uma pluralidade de mudanças de fase deslocáveis durante o ciclo de carre- gamento. Uma mudança de fase deslocável é aquela em que os átomos do material se reorganizam por meio da translação ou distorção da rede cristalina e, portanto, é muito rápida e reversível. O ciclo de histerese exibido pelo cristal de calcita sob carga e descarga hidrostática quase estática é mostrado de maneira esquemática na figura 1 em que o eixo x representa a carga "P" e o eixo y representa a deformação dentro do material "L-Lo/L". Como pode ser visto, após o início do carregamento na direção da seta marcada com "X", a calcita está em sua primeira fase, fase I (marcada com "I" na figura 1), em seguida, com uma carga "A" uma primeira fase a mudança é iniciada, marcada "I-II", na qual a calcita de fase I se transforma em calcita de fase II. Após o carrega- mento adicional da calcita de fase II, marcada "II", a carga "B" é alcan- çada na qual uma segunda mudança de fase é iniciada, marcada "II-III". Durante a segunda mudança de fase, a calcita de fase II se torna a cal- cita de fase III. Durante a terceira fase (marcada como "III" na figura 1), a calcita de a fase III é carregada até uma carga "C", após a qual é descarregada na direção da seta identificada como "Y". Ao atingir uma carga "D" durante o descarregamento, uma terceira mudança de fase marcada "III-1” é iniciada, em que a calcita de fase III se transforma na calcita de fase I. A calcita de fase I é, em seguida, descarregada com- pletamente para retornar à sua forma original não deformada. Como pode ser visto no gráfico da figura 1, o resultado das mudanças de fase que ocorrem durante o carregamento e o descarregamento é um ciclo de histerese, no qual a energia elástica foi dissipada.

[0006] A calcita foi estudada em compressão de choque por Grady, D.E. (1986), “High-Pressure Release-Wave Measurements and Phase Transformation in CaC03”, em Y.M. Gupta (Ed.), “Shock Waves in Con- densed Matter” (pp. 589-593). Spokane, WA: Springer US e foi obser- vado que, durante o impacto, uma onda de choque pode ser produzida dentro da calcita que a comprime o suficiente para levá-la a uma mu- dança de fase. No entanto, em condições normais de impacto (ou seja, quando a sequência de choque não é projetada de maneira adequada), o primeiro choque que viaja através do material automaticamente faz com que a calcita transite da fase I para a fase III, contornando a mu- dança de fase da fase I para a fase II. Isso ocorre porque a velocidade da onda de choque I-III é mais rápida do que a velocidade da onda de choque I-II. O resultado de contornar a fase II é mostrado no ciclo de histerese mostrado de maneira esquemática na figura 2. Como pode ser visto, uma mudança de fase da fase I para a fase III, marcada “I-III”, ocorre entre as cargas “A” e “B” mediante o carregamento, e uma mu- dança de fase da fase III para a fase I, marcada “III-I”, ocorre entre car- gas semelhantes na descarga. Isso resulta em muito menos energia sendo dissipada do que no ciclo de histerese da figura 1.

[0007] A presente invenção procura mitigar os problemas mencio- nados acima. Sumário da Invenção

[0008] A presente invenção fornece, de acordo com um primeiro as- pecto, uma estrutura de absorção de impacto que compreende um com- ponente de recepção de impacto capaz de, após receber uma onda de choque inicial, separar essa onda de choque em pelo menos uma pri- meira onda de choque e uma segunda onda de choque, espaçada no tempo da primeira onda de choque, um componente de dissipação de energia adjacente ao componente de recepção de impacto, de modo que as ondas de choque espaçadas no tempo podem passar por uma interface a partir do componente de recepção de impacto para o com- ponente de dissipação de energia, em que o componente de dissipação de energia compreende um elemento ou composto químico que exibe uma primeira mudança de fase deslocável a partir de uma primeira fase para uma segunda fase ao experimentar a primeira onda de choque, uma segunda fase deslocável da segunda fase para uma terceira fase ao experimentar a segunda onda de choque posterior e uma terceira mudança de fase deslocável da terceira fase, ou uma fase posterior (por exemplo, quarta, quinta ou sexta etc.), para a primeira fase mediante a descarga após a segunda onda de choque, o composto exibindo assim um ciclo de histerese no qual a energia elástica é dissipada.

[0009] Em outras palavras, o componente de dissipação de energia compreende um elemento ou composto químico que exibe uma primeira mudança de fase deslocável de uma primeira fase para uma segunda fase, uma segunda mudança de fase deslocável de uma segunda fase para uma terceira fase, qualquer número (incluindo zero) de possíveis mudanças de fase adicionais da terceira fase para a quarta fase, quarta para a quinta etc. até uma enésima fase e, em seguida, uma mudança de fase deslocável final da enésima fase para a primeira fase mediante a descarga após a segunda onda de choque, "enésima fase" pode ser a terceira, quarta, quinta, sexta fase etc.

[0010] A presente invenção reconhece que uma estrutura de absor- ção de impacto pode ser projetada de modo que, após um impacto de um projétil, uma sequência de propagação de choque ocorre dentro da estrutura que inicia sequencialmente as mudanças de fase deslocável específicas dentro de um elemento ou composto químico. Ao projetar a sequência de propagação de choque como tal, é possível explorar o ciclo de histerese de um composto ou elemento químico para dissipar a energia transmitida a uma estrutura de absorção de impacto após o im- pacto de um projétil. Tal estrutura de absorção de impacto é, portanto, capaz de dissipar energia e retornar à sua forma original não deformada e sem choque após um ciclo de histerese completo, permitindo, por- tanto, vários ciclos de histerese antes da falha potencial do material. A estrutura de absorção de impacto é particularmente adequada para im- pactos balísticos. Um impacto balístico, neste caso, sendo definido como aquele em que um projétil atinge a estrutura de absorção de im- pacto pelo menos 100 metros por segundo e até 300 quilômetros por segundo.

[0011] O elemento ou composto químico pode compreender uma estrutura de rede. O elemento ou composto químico pode ser qualquer elemento ou composto químico que exibe transformações de fase des- locável e, mediante o carregamento elástico e descarga, uma curva de histerese na qual a energia é dissipada. O elemento ou composto quí- mico pode ser calcita, dióxido de titânio, sílica, silicato de magnésio, só- dio ou ferro. O componente de recepção de impacto pode ser magnésio, periclase, sílica fundida, policarbonato, PMMA (polimetilmetacrilato) ou alumínio. O componente de recepção de impacto pode ser etanol, ar ou água.

[0012] A impedância de choque do componente de recepção de im- pacto pode ser inferior à impedância de choque do elemento ou com- posto químico. A capacidade do componente de recepção de impacto de separar a única onda de choque gerada pelo impacto do projétil em duas ou mais ondas de choque com a velocidade e distância de tempo certas para induzir a histerese no componente de dissipação de energia depende da impedância de choque do componente de recepção de im- pacto. A impedância de choque, Z, de um material é uma função da densidade do material, po, e a velocidade do som do material, Us: Z = po Us

[0013] O termo "material" é usado aqui para se referir ao compo- nente de recepção de impacto e/ou ao elemento ou composto químico. A impedância de choque do componente de recepção de impacto pode ser escolhida para ser menor do que a impedância de choque de um projétil que pode impactar o componente de recepção de impacto. O projétil pode compreender ou consistir em cobre, alumínio, aço, chumbo, tungstênio, carboneto ou tântalo.

[0014] A estrutura de absorção de impacto pode ser na forma de um laminado formado por uma camada (ou mais de uma camada) de com- ponente de recepção de impacto e uma camada (ou mais de uma ca-

mada) de componente de dissipação de energia. A estrutura de absor- ção de impacto pode compreender uma matriz de componente de re- cepção de impacto que contém uma distribuição de partículas do ele- mento ou composto químico. As partículas podem ter uma forma alea- tória e ser distribuídas/dispersas aleatoriamente dentro da matriz do componente de recepção de impacto. A estrutura de absorção de im- pacto pode ter uma arquitetura de tijolo e argamassa na qual as partí- culas do elemento ou composto químico de uma forma geométrica bem definida são distribuídas/dispersas dentro de uma matriz de compo- nente de recepção de impacto em uma ordem geométrica bem definida.

[0015] O componente de recepção de impacto e o componente de dissipação de energia podem ser configurados de modo que, após o componente de recepção de impacto receber uma onda de choque de impacto inicial, essa onda de choque é separada na primeira onda de choque e na segunda onda de choque, espaçada no tempo da primeira onda de choque, como resultado da onda de choque de impacto inicial sendo refletida na interface entre o componente de recepção de impacto e o componente de dissipação de energia. A estrutura de absorção de impacto pode ser configurada de modo que a segunda onda de choque é um reflexo da onda de choque de impacto inicial, a segunda onda de choque sendo refletida de volta para o componente de recepção de im- pacto e viajando através do componente de recepção de impacto para uma interface entre o componente de recepção de impacto e um projétil que impactou o componente de recepção de impacto. A segunda onda de choque pode ser refletida em uma interface entre o componente de recepção de impacto e um projétil que impactou o componente de re- cepção de impacto, após tal reflexão, a segunda onda de choque pode viajar na mesma direção que a primeira onda de choque, mas atrás da primeira onda de choque, de modo que a segunda onda de choque entra no componente de dissipação de energia em um momento posterior do que a primeira onda de choque, a segunda onda de choque sendo assim espaçada no tempo da primeira onda de choque.

[0016] De preferência, o elemento ou composto químico é calcita. Por engenharia adequada da sequência de propagação de choque, a calcita pode ser conduzida da calcita de fase I para a calcita de fase II por uma primeira onda de choque e, em seguida, da calcita de fase II para a calcita de fase III por uma segunda onda de choque e, em se- guida, liberada para a pressão ambiente. Durante este processo, a cal- cita dissipa cerca de 4 Mega-Joules por metro cúbico. Esta é uma ordem de magnitude inferior à energia dissipada por, por exemplo, Kevlar®. No entanto, a tenacidade das fibras de Kevlar® é o resultado de sua grande deformação plástica até a falha (até 10%). Em contraste, a tensão ex- perimentada pela calcita é inferior a 2%. Juntamente com a velocidade do som relativamente alta da calcita (7 quilômetros por segundo em comparação com 2 quilômetros por segundo para as fibras de polímero), a calcita pode atingir uma dissipação de energia muito mais rápida em um volume muito maior do que pode ser alcançado com as estruturas atuais de absorção de impacto à base de fibra. A densidade de absorção de energia e a velocidade do som da calcita significa que a calcita pode dissipar energia a uma taxa de 100 quilo-Joules por metro quadrado por microssegundo. Como o mecanismo de histerese é um processo termo- dinâmico fundamental que se propaga na velocidade do choque, ele é eficaz contra projéteis que viajam em velocidades de até 7 quilômetros por segundo.

[0017] De acordo com um segundo aspecto da invenção, também é fornecida uma blindagem ou compartimento blindado que compre- ende uma estrutura de absorção de impacto de acordo com o primeiro aspecto da invenção.

[0018] A blindagem pode ser para um edifício ou um veículo, como um tanque, caminhão, avião, helicóptero, dirigível, navio ou submarino.

A blindagem pode ser para proteger uma janela do edifício ou veículo, de forma que a janela seja à prova de explosão, fragmentos e/ou bala. Em particular, o edifício pode ser um aeroporto, estação ferroviária ou rodoviária, estádio, auditório, edifício diplomático e/ou governamental, um local de geração de energia ou parte de um complexo industrial. A blindagem pode ser de proteção pessoal para uso em aplicações milita- res e civis. O compartimento blindado pode ser um compartimento para materiais energéticos/explosivos (por exemplo, explosivos ou prope- lente de foguete) e munições sensíveis.

[0019] Naturalmente, será observado que as características descri- tas em relação a um aspecto da presente invenção podem ser incorpo- radas em outros aspectos da presente invenção. Descrição dos Desenhos

[0020] As modalidades da presente invenção serão agora descritas a título de exemplo apenas com referência aos desenhos esquemáticos anexos, dos quais:

[0021] a figura 1 mostra de maneira esquemática o ciclo de histe- rese exibido durante o carregamento e descarregamento hidrostático quase estático de calcita;

[0022] a figura 2 mostra de maneira esquemática o ciclo de histe- rese durante o carregamento e descarregamento de calcita sob com- pressão de choque único; e

[0023] a figura 3a é um diagrama esquemático de um projétil que se aproxima de uma estrutura de absorção de impacto de acordo com uma primeira modalidade da invenção;

[0024] a figura 3b é um diagrama esquemático da estrutura de ab- sorção de impacto logo depois que o componente de recepção de im- pacto foi impactado pelo projétil;

[0025] a figura 3c corresponde à figura 3b, mas em um momento posterior em que uma primeira onda de choque Sll entrou no compo- nente de dissipação de energia;

[0026] a figura 3d corresponde à figura 3c, mas em um momento posterior em que a onda de choque Sll passou ainda mais para o com- ponente de dissipação de energia e é abordada pela onda de choque S12;

[0027] a figura 3e corresponde à figura 3d, mas em um momento posterior em que a onda de choque S122 passou para o componente de dissipação de energia e segue a onda de choque Sll, permitindo as- sim a conclusão do ciclo de histerese;

[0028] a figura 4 mostra um gráfico esquemático de tempo e posi- ção da propagação de onda de choque através da estrutura de absorção de impacto após um impacto por um projétil de cobre;

[0029] a figura 5 mostra um gráfico esquemático de tempo e posi- ção da propagação de onda de choque através de uma estrutura de absorção de impacto de acordo com as segunda ou terceira modalida- des da invenção após um impacto de um projétil de cobre;

[0030] a figura 6 mostra um gráfico esquemático de tempo e posi- ção da propagação da onda de choque através de uma estrutura de absorção de impacto de acordo com uma quarta modalidade da inven- ção após um impacto de um projétil de cobre;

[0031] a figura 7 mostra a blindagem de acordo com uma quarta modalidade da invenção;

[0032] a figura 8 mostra um compartimento blindado de acordo com uma quinta modalidade da invenção;

[0033] a figura 9 mostra um desenho esquemático em corte trans- versal de uma peça de teste da estrutura de absorção de choque; e

[0034] a figura 10 mostra um gráfico esquemático de tempo e posi- ção diferente de uma propagação de onda de choque através da estru- tura de absorção de impacto após um impacto de um projétil de cobre.

Descrição Detalhada

[0035] Uma estrutura de absorção de impacto 1 de acordo com uma primeira modalidade da invenção é mostrada de maneira esquemática na figura 3a. A estrutura de absorção de impacto 1 é mostrada na forma de um laminado que compreende uma camada de policarbonato 3 ad- jacente a uma camada de calcita 5. A camada de policarbonato 3 que atua como um componente de recepção de impacto e a camada de cal- cita 5 que atua como um componente de dissipação de energia. O lami- nado foi desenvolvido, como será discutido em mais detalhes abaixo, de modo que após o impacto do componente de recepção de impacto por um projétil de cobre 7, que viaja na direção da seta mostrada na figura 3a, ocorre uma sequência de propagação de choque que garante que a transformação de fase da fase I para a fase II e a transformação de fase da fase II para a fase III sejam sequencialmente iniciadas antes do descarregamento de calcita, garantindo assim que ocorra o ciclo de histerese correspondente à figura 1.

[0036] A sequência de propagação de choque que ocorre após o impacto da estrutura de absorção de impacto 1 com um projétil 7 será agora descrita com referência às figuras 3b a 3e. A figura 3b mostra o projétil 7 após o impacto com a superfície da camada de policarbonato 3, em que uma onda de choque SI se propaga para a camada de poli- carbonato 3 e uma onda de choque S2 se propaga para o projétil 7 na direção oposta à direção de deslocamento da onda de choque SI. A onda de choque SI, em seguida, alcança a interface entre as camadas de policarbonato 3 e de calcita 5 e é dividida nas ondas de choque Sll e S12, conforme mostrado na figura 3c. A onda de choque Sll se propaga para a camada de calcita 5 de fase I e inicia a transformação de fase I para a fase II à medida que passa através da camada de calcita 5, dei- xando, assim, para trás a calcita 52 de fase II em seu rastro. A onda de choque S12 é refletida na interface de policarbonato/calcita e viaja de volta para a camada de policarbonato 3, na direção oposta à onda de choque Sll.

[0037] A figura 3d mostra um momento posterior na sequência de propagação de choque, em que a onda de choque S12 foi refletida na interface entre o projétil 7 e o policarbonato e agora está viajando na mesma direção que a onda de choque Sll. Ao alcançar a interface de policarbonato/calcita, a onda de choque S12 se divide em dois compo- nentes, S121 e S122, como mostrado na figura 3e. A onda de choque S121 é refletida de volta para a camada de policarbonato 3. No entanto, a onda de choque sl22 se propaga na camada de calcita 5, que agora é a fase II da Calcita 52, e segue a onda de choque Sll. A onda de choque S122, que é espaçada no tempo da onda de choque Sll, inicia a trans- formação da fase II para a fase III à medida que passa pela camada de calcita II, deixando assim para trás a calcita 53 em seu rastro. Observa- se que a onda de choque S122 viaja mais rápido do que a onda de choque Sll, portanto, se a camada de calcita 5 for espessa o suficiente, a onda de choque S122 acabará por alcançar e interceptar a onda de choque Sll. Durante as reflexões e atenuações das ondas subsequen- tes, a calcita 53 de fase III irá descarregar, iniciando assim a transfor- mação de fase III para a fase I e, assim, a calcita dentro da estrutura de absorção de impacto 1 terá passado pelo ciclo de histerese correspon- dente à figura 1.

[0038] Para que este tipo particular de sequência de propagação de choque ocorra, a impedância de choque do componente de recepção de impacto, nesse caso policarbonato, deve ser menor do que do com- ponente de dissipação de energia, neste caso Calcita, e do projétil 7, que neste caso, é feito de cobre. Para maximizar a energia absorvida pelo ciclo de histerese, a onda de choque Sll deve transformar a calcita de fase I em calcita de fase II, que está na pressão mais alta possível na região de estabilidade da calcita II.

[0039] Além disso, a espessura da camada de calcita 5 pode ser otimizada. A figura 4 mostra um gráfico esquemático de tempo e posição da propagação da onda de choque através de policarbonato e calcita após o impacto de um projétil de cobre 7, com tempo em microssegun- dos representado no eixo y e posição em milímetros representada no eixo x. Ao longo do eixo x, a região identificada como “Cu” representa o projétil de cobre 7, a região marcada como “Pc” representa a camada de recepção de impacto de policarbonato 3, a região marcada como “I” representa a calcita de fase I, a região marcada como “II” representa a calcita de fase II e a região marcada como “III” representa a calcita de fase III.

[0040] Na figura 4, o impactador de cobre atinge a estrutura de ab- sorção de energia 1, entrando em choque, assim, com a camada de policarbonato 3 formando a onda SI que se propaga para a camada de calcita 5 como a onda Sll e inicia a transição da calcita de fase I para a fase II. O choque S12 refletido no policarbonato é devolvido à calcita cerca de 0,4 microssegundos depois, como o choque S122, que inicia a transformação da calcita de fase II para a calcita de fase III. Como já descrito, a onda S122 é mais rápida do que a onda Sll e, portanto, al- cança a onda Sll à frente dela no tempo t = 0,9 microssegundos. A es- pessura ideal de calcita, nesse caso, é 550 milímetros, que é onde a onda S122 da calcita intercepta a onda Sll no local identificado como T na figura 4. Uma vez que o choque S122 ultrapassa o choque Sll, o choque Sll estará passando pela calcita de fase I e, portanto, iniciará a transformação da fase I para a fase III que exibe o ciclo de histerese mostrado na figura 2 e é indesejável de uma perspectiva de dissipação de energia.

[0041] Na realidade, existem choques elásticos adicionais a serem considerados, o que significa que a espessura ideal deve ser determi-

nada experimentalmente (por exemplo, a onda inicial no limite de poli- carbonato/calcita cria duas ondas na calcita: uma onda de compressão de calcita I e uma onda de transformação da fase I para a fase II).

[0042] As posições de onda e intervalos de tempo na figura 4 são fornecidos apenas para fins ilustrativos. Na realidade, as posições e pra- zos observados para a calcita seriam diferentes. A figura 10 mostra um gráfico esquemático de tempo e posição atualizado de uma propagação de onda de choque através de uma estrutura de absorção de impacto, que tem uma camada de policarbonato com uma espessura de 260 mi- crômetros após um impacto de um projétil de cobre. A figura 10 dá uma representação mais precisa das posições de onda e intervalos de tempo que seriam observados na Calcita. O choque S12 refletido no policarbo- nato é devolvido à calcita cerca de 0,3 microssegundos depois, como o choque S122 que inicia a transformação da calcita de fase II para a fase III. Como já descrito, a onda S122 é mais rápida do que a onda Sll e, portanto, alcança a onda Sll antes dela no tempo t = 0,98 microssegun- dos. A espessura ideal da calcita, nesse caso, é de 5 milímetros, que é onde a onda S122 da calcita intercepta a onda Sll no local marcado com T na figura 10.

[0043] A presente invenção foi descrita e ilustrada com referência a uma modalidade na qual o componente de recepção de impacto tem uma impedância de choque inferior do que o componente de dissipação de energia e do projétil. No entanto, será observado pelos versados na técnica que a invenção apresenta muitas variações diferentes não es- pecificamente ilustradas aqui. Apenas a título de exemplo, algumas va- riações possíveis serão agora descritas.

[0044] De acordo com uma segunda modalidade da invenção, o ci- clo de histerese desejado pode ser alcançado mediante o uso de um componente de recepção de impacto com uma velocidade de onda elás- tica rápida, uma velocidade de onda plástica mais lenta e um ponto de escoamento que gera um "precursor elástico" (ou seja, onda de choque puramente elástica viajando à frente da onda de deformação plástica principal) com a tensão certa para envolver a transição de fase. Um grá- fico esquemático de tempo e posição correspondente a este arranjo é mostrado na figura 5 com a seta marcada "W" indicando a separação de onda elástica/plástica. De acordo com uma terceira modalidade da invenção, um componente de recepção de impacto gerador de elevação é usado. Alguns materiais, por exemplo, sílica fundida ou materiais com densidade graduada, produzem uma “elevação” precursora (ou seja, um aumento constante na pressão por um microssegundo ou mais), em vez de um choque real imediatamente após o impacto. O uso de tais com- ponentes de recepção de impacto teria um efeito semelhante ao forne- cimento de um único choque otimizado, pois permitiria ao componente de dissipação de energia o tempo necessário para transformar a fase. Um gráfico esquemático de tempo e posição correspondente a este ar- ranjo é mostrado na figura 6, com a seta marcada como "V" indicando a onda precursora de elevação.

[0045] A blindagem 100 de acordo com uma quarta modalidade da invenção é mostrada na figura 7. A blindagem 100 compreende a estru- tura de absorção de impacto 1 de acordo com a primeira modalidade da invenção. A blindagem pode ser usada em um edifício ou veículo, como um tanque, caminhão, avião, helicóptero, dirigível, navio ou submarino. A blindagem pode ser usada para proteger uma janela do edifício ou do veículo, de modo que a janela seja à prova de explosão, fragmentos e/ou bala. Alternativamente, a blindagem pode ser usada para proteção pessoal em aplicações militares e/ou civis.

[0046] Um compartimento blindado 200 de acordo com uma quinta modalidade da invenção é mostrada na figura 8. O compartimento blin- dado 200 compreende a estrutura de absorção de impacto 1 de acordo com a primeira modalidade da invenção. O compartimento blindado pode ser usado como compartimento para materiais energéticos/explo- sivos (por exemplo, explosivos ou propelente de foguete) e/ou munições sensíveis.

[0047] Onde na descrição anterior, os números inteiros ou elemen- tos são mencionados que têm equivalentes conhecidos, óbvios ou pre- visíveis, então, tais equivalentes são aqui incorporados como se fossem estabelecidos individualmente. Deve ser feita referência às reivindica- ções para determinar o verdadeiro escopo da presente invenção, que deve ser interpretado de modo a abranger quaisquer desses equivalen- tes. Será também observado pelo leitor que os números inteiros ou ca- racterísticas da invenção que são descritos como preferíveis, vantajo- sos, convenientes ou semelhantes são opcionais e não limitam o escopo das reivindicações independentes. Além disso, deve ser entendido que tais números inteiros ou características opcionais, embora de possível benefício em algumas modalidades da invenção, podem não ser dese- jáveis e, portanto, podem estar ausentes em outras modalidades. Experimento

[0048] Os testes de impacto foram realizados em várias configura- ções da estrutura de absorção de choque. Uma leve pistola de gás foi usada para acelerar projéteis que foram cortados a fio para garantir a forma plana e fixação a um sabot com o uso de um epóxi de baixa vis- cosidade. Uma vista esquemática em corte transversal de uma peça de teste de estrutura de absorção de choque 10 é mostrada na figura 9. As estruturas de absorção de choque testadas nesse caso estavam na forma laminada, que compreende uma camada de componente de re- cepção de impacto 11 e uma camada de componente de dissipação de energia 13 ligado a um anel de suporte de PMMA relativamente espesso

15. A superfície frontal 17 do componente de recepção de impacto 11 foi impactada com um projétil e durante o impacto, a interferometria a laser foi usada para medir a velocidade superficial da superfície poste- rior 19 do componente de dissipação de energia 13 na localização mar- cada L na figura 9, as medições da velocidade de superfície foram obti- das com o uso de velocimetria doppler fotônica. A pressão exercida den- tro da calcita pelo primeiro choque foi determinada ao medir a veloci- dade de impacto do projétil e ao comparar o Hugoniot dos impactadores (medido por Marsh) com o Hugoniot da calcita (medido por Ahrens e Grady). Os Hugoniots foram medidos nessas referências com o uso de impactos simétricos e a condição de salto Pressão = Densidade * (Ve- locidade de choque) * (velocidade de partícula) Rankine-Hugoniot. (Grady, como referenciado anteriormente. Marsh, S.P. (Ed.). (1980). “LASL Shock Hugoniot Data” (1ª ed.). Los Angeles: University of Califor- nia Press. Ahrens, T.J., & Gregson, V.G. (1964). “Shock compression of crystal rocks: Data for quartz, calcite, and plagioclase rocks”. J. Ge- ophys. Res., 69(22), 4839-4874). A mudança de fase dentro da camada de calcita foi determinada pela observação de uma instabilidade de onda de choque (descontinuidades na velocidade da partícula da super- fície posterior), com cada instabilidade correspondendo a uma mudança de fase, e o tamanho do salto correspondendo à fase. O comportamento dessas descontinuidades na velocidade causadas por mudanças de fase é descrito em detalhes por Duvall (Duvall, G., & Graham, R. A. (1977). “Phase transitions under shock-wave loading. Reviews of Mod- ern Physics”, 49 (3), 523-579. http://doi.Org/10.l 103/RevMod- Phys.49.523).

[0049] Para garantir que as condições sejam as mais próximas pos- síveis de uma dimensão, é fundamental garantir que não haja rotação do projétil durante o voo, de modo que a superfície plana do projétil im- pacte a superfície plana do componente de recepção de impacto. Por esse motivo, cada peça de teste da estrutura de absorção de choque foi montada perto do bocal e alinhada com um laser para garantir que é normal ao cano.

[0050] Seis testes foram realizados. As condições de teste são mos- tradas na Tabela 1, que lista o material do projétil usado, o componente de recepção de Impacto (IRC) e o componente de dissipação de energia (EDC) do laminado, e a velocidade de impacto do projétil em metros por segundo (m/s). Os resultados do teste são mostrados na Tabela 2, que lista as propriedades do primeiro choque e, quando presente, do se- gundo choque. Para os primeiro e segundo choques, a Tabela 2 indica a pressão exercida dentro da calcita em giga Pascais (GPa ) e a mu- dança de fase da calcita causada pelo choque. Para o primeiro choque e o segundo choque, uma fase I indica nenhuma mudança de fase e II indica uma mudança de fase da fase I para a fase II. Para o primeiro choque, uma fase III indica uma mudança de fase da fase I para a fase III e, para o segundo choque, uma fase III indica uma mudança de fase da primeira fase do choque para a fase III. Apenas os testes 2 e 6, em que a primeira fase de choque é II e a segunda fase de choque é III, absorvem energia. Tabela 1 Teste N° Projétil I.R.C. E.D.C Velocidade de im- pacto (m/s) 1 Alumínio Policarbonato Calcita 190 +/- 10 2 Cobre Policarbonato Calcita 220 +/- 10 3 Cobre Alumínio Calcita 130 +/- 10 4 Cobre Cobre Calcita 250 +/- 5 5 Alumínio Policarbonato Calcita 315 +/- 1 6 Cobre Policarbonato Calcita 239 +/- 5 Tabela 2 Teste N° Primeira pres- Primeira veloci- Primeira Segunda pressão Segunda veloci- Segunda fase são de choque dade de partícula fase de choque (GPa) dade de partícula (GPa) de choque (m/s) de choque (m/s) 1 0,74 +/- 0,1 35 +/- 3 I 1,5 +/- 0,2 90 +/- 5 II 2 0,97 +/- 0,1 50 +/- 5 II 4,2 +/- 0,2 85 +/- 5 III 3 1,5 +/- 0,2 62 +/- 5 II Não há segundo Não há segundo Não há se- choque choque gundo choque 4 2,7+/- 0,3 115 +/- 5 III Não há segundo Não há segundo Não há se- choque choque gundo choque 5 1,9 +/- 0,2 87 +/- 5 III 3,0 +/- 0,2 112 +/- 5 III 6 1,4 +/- 0,2 63 +/- 5 II 53 +/- 0,2 96 +/- 5 III

Claims (10)

REIVINDICAÇÕES

1. Estrutura de absorção de impacto, caracterizada pelo fato de que compreende: i) um componente de recepção de impacto capaz de, após receber uma onda de choque de impacto inicial, separar essa onda de choque em pelo menos uma primeira onda de choque e uma segunda onda de choque, espaçada no tempo a partir da primeira onda de cho- que; ii) um componente de dissipação de energia adjacente ao componente de recepção de impacto, de modo que as ondas de choque espaçadas no tempo podem passar através de uma interface do com- ponente de recepção de impacto para o componente de dissipação de energia, em que o componente de dissipação de energia compreende um elemento ou composto químico que exibe: - uma primeira mudança de fase deslocável de uma primeira fase para uma segunda fase ao experimentar a primeira onda de cho- que; - uma segunda fase deslocável a partir da segunda fase para uma terceira fase ao experimentar a segunda onda de choque posterior; e - uma terceira mudança de fase deslocável da terceira fase, ou posterior, para a primeira fase mediante a descarga após a segunda onda de choque; o composto que exibe assim um ciclo de histerese no qual a energia elástica é dissipada.

2. Estrutura de absorção de impacto, de acordo com a reivin- dicação 1, caracterizada pelo fato de que o elemento ou composto quí- mico compreende uma estrutura de rede.

3. Estrutura de absorção de impacto, de acordo com a reivin-

dicação 2, caracterizada pelo fato de que o elemento ou composto quí- mico é calcita, dióxido de titânio, sílica, silicato de magnésio, sódio ou ferro.

4. Estrutura de absorção de impacto, de acordo com qual- quer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o componente de recepção de impacto é magnésio, periclase, sílica fundida, policarbonato, PMMA, alumínio, etanol, ar ou água.

5. Estrutura de absorção de impacto, de acordo com qual- quer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a impedância de choque do componente de recepção de impacto é inferior à impedância de choque do componente de dissipação de ener- gia.

6. Estrutura de absorção de impacto, de acordo com qual- quer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que compreende um laminado formado por uma camada de compo- nente de recepção de impacto e uma camada de componente de dissi- pação de energia.

7. Estrutura de absorção de impacto, de acordo com qual- quer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que com- preende uma matriz de componente de recepção de impacto contendo uma distribuição de partículas do elemento ou composto químico.

8. Estrutura de absorção de impacto, de acordo com a reivin- dicação 6 ou 7, caracterizada pelo fato de que o componente de recep- ção de impacto e o componente de dissipação de energia são configu- rados de modo que, após o componente de recepção de impacto rece- ber uma onda de choque de impacto inicial, essa onda de choque é separada na primeira onda de choque e na segunda onda de choque, espaçada no tempo da primeira onda de choque, como resultado da onda de choque de impacto inicial sendo refletida na interface entre o componente de recepção de impacto e o componente de dissipação de energia.

9. Estrutura de absorção de impacto, de acordo com qual- quer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizada pelo fato de que o elemento ou composto químico é calcita e o componente de recepção de impacto é policarbonato.

10. Blindagem ou compartimento blindado, caracterizado pelo fato de que compreende uma estrutura de absorção de impacto como definida em qualquer uma das reivindicações precedentes.