BRPI0711860A2 - sistema de armaduras compostas - Google Patents

Abstract

SISTEMAS DE ARMADURAS COMPOSTAS. A invenção é dirigida a materiais vitrocerâmicos transparentes, para uso em sistemas de armaduras transparentes. As aplicações incluem sistemas de armaduras para veículos terrestres e aeronaves, bem como equipamento de proteção pessoal. Os materiais vitrocerâmicos de acordo com a invenção apresentam uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área de pelo menos 1,0, de preferência, igual ou superior a 1,1, e, particularmente, igual ou superior a 1,2.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMAS DE ARMADURAS COMPOSTAS"

PRIORIDADE

Este pedido de patente reivindica a prioridade do pedido de patente provisório U.S. 60/810222, depositado em 31 de maio de 2006 e intitulado "TRANSPARENT GLASS- CERAMIC ARMOR".

INTERESSE GOVERNAMENTAL

Partes desta invenção foram feitas com suporte do governo dos Estados Unidos da América, sob o Acordo n° HR0011-05-C-0127, concedido pela DARPA. O governo dos Estados Unidos da América pode ter certos direitos em algumas das reivindicações da invenção.

CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção é dirigida a uma armadura vitrocerâmica transparente, que pode ser usada para proteção balística. Em particular, a invenção é dirigida a uma armadura vitrocerâmica que proporciona proteção balística, enquanto é transparente em ambas as faixas espectrais eletromagnéticas visual e infravermelha (visão noturna).

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Uma armadura transparente é um material que é projetado para proporcionar proteção balística, enquanto se mantém opticamente transparente. Esse tipo de material pode ser usado em situações de combate e não (por exemplo, controle de tumulto) em janelas (tanto em veículos quanto em prédios), visores protetores, e coberturas protetoras para equipamento, tais como dispositivos de sensibilidade, entre outros usos. Ainda que haja requisitos específicos para cada uso particular, há requisitos que são comuns a maior parte dos sistemas ou dispositivos. Especificamente, o requisito primário para uma armadura transparente é que não pode apenas vencer uma ameaça específica, mas que tenha também a capacidade de receber choques múltiplos, sem distorcer a visão na área circundando o choque. Requisitos adicionais, que podem ser otimizados, dependem do uso particular. Esses requisitos adicionais incluem peso, eficiência de espaço e custo versus desempenho. Ainda que muitos problemas com armadura transparente possam ser tratados por aumento da espessura da armadura, essa solução não é desejável, porque isso aumenta o peso que tem que ser conduzido por uma pessoa ou veículo, aumenta a distorção e, desse modo, reduz a transparência devido à espessura do material, e, em veículos, é impraticável devido às limitações de espaço.

Os materiais transparentes que são usados para proteção balística (armadura transparente) incluem:

(a) Materiais poliméricos, o mais comum sendo policarbonato. Esse é um material barato, que pode ser facilmente fabricado e oferece uma proteção muito boa contra pequenos fragmentos. E geralmente usado em óculos de proteção, visores, blindagens faciais e "olhos de vidro". Outros plásticos, tais como náilons, acrilatos e poliuretano transparentes, também foram investigados, mas a durabilidade deles (por exemplo, à radiação ultravioleta) e as propriedades ópticas limitam as suas aplicações.

(b) Vidros convencionais, tais como vidros de soda-cal e de borossilicato, fabricados tipicamente usando o processo de flutuação. Esses materiais são de baixo custo, mas os maiores requisitos para menor peso, propriedades ópticas aperfeiçoadas e desempenho balístico geraram a necessidade para materiais aperfeiçoados.

(c) Materiais cristalinos, tais como oxinitreto de alumínio (AlON), óxido de alumínio de cristal único (safira) e espinélio (MgAl2O4) são os materiais mais importantes atualmente considerados.

(d) Materiais vitrocerâmicos

(i) Um material vitrocerâmico é TransArm®, uma vitrocerâmica de dissilicato de lítio da Alstom UK Ltd.

Devido à sua eficiência de peso superior contra fragmentos de balas redondos e pequenos, o TransArm tem o potencial de aumentar o desempenho dos dispositivos protetores, tais como blindagens faciais usadas para a disposição de material bélico explosivo. Os estudos do comportamento a choque desses materiais mostraram que a vitrocerâmica tem uma alta resistência mecânica pós-falha, comparada com aquela de vidros amorfos.

(ii) a patente U.S. 5.060.553 (Jones, 1991) descreve material de armadura baseado em vitrocerâmica ligada a uma camada de apoio contendo fibra, absorvente de energia. As composições de vidros listadas na patente, que podem ser usadas na produção de materiais vitrocerâmicos, incluem silicatos de lítio e zinco, aluminossilicatos de lítio, aluminossilicatos de lítio e zinco, silicatos de lítio e magnésio, aluminossilicatos de lítio e magnésio, aluminossilicatos de magnésio, aluminossilicatos de cálcio e magnésio, silicatos de magnésio e zinco, silicatos de cálcio, magnésio e zinco, sistemas de aluminossilicatos de zinco, fosfatos de cálcio, silicofosfatos de cálcio e silicato de bário. Ainda que a transparência das composições vitrocerâmicas resultantes não tenha sido especificada, o uso de uma camada de apoio com carga de fibra é provável de tornar esses compósitos opacos.

(iii) a patente U.S. 5.496.640 (Bolton e Smith, 1996) descreve laminados transparentes resistentes a impacto e a fogo, compreendendo folhas paralelas de vitrocerâmica e polímero, com uso intencionado para vidro de segurança ou armadura, capaz de suportar bastante calor e chamas diretas. Os materiais listados na patente incluem vidro plano comercial, composições de vidro flutuante ou lamelar, vidro destemperado, vidro temperado, vidro reforçado quimicamente, vidro PYREX , vidros de borossilicato, vidros contendo lítio, PYROCERAM, cerâmicas contendo lítio, cerâmicas nucleadas e vários materiais poliméricos.

Além dos materiais mencionados acima, outros materiais e processos também foram investigados para proteção balística. A patente U.S. 5.045.371 (Calkins, 1991) descreve uma armadura de compósito de vidro, tendo uma matriz de vidro de soda-cal com partículas de um material cerâmico pré-formado disperso no material. O material cerâmico foi, desse modo, crescido in situ, como no caso com as vitrocerâmicas. O pedido de patente U.S. 2005/01191104 Al (Alexander et al.) descreve uma armadura não transparente, opaca baseada em vitrocerâmicas de anortita [CaAl2Si2O8].

Ainda que os materiais e os processos descritos acima tenham proporcionado proteção balística, aperfeiçoamentos na área de sistemas de materiais de armadura transparente são urgentemente necessários. Como mencionado em AMPTIAC Newsletter, outono de 2000: "Futuros ambientes de lutas de guerras vão requerer armadura leve, ajustável a ameaça, multifuncional e passível de fornecimento, que as tecnologias atuais de vidro / policarbonato não são esperadas satisfazer". A presente invenção é dirigida especificamente a sistemas de armaduras transparentes de sistemas de materiais efetivos a ameaças e de baixo custo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em um aspecto, a presente invenção é dirigida a materiais vitrocerâmicos para uso com um material de armadura transparente. Os materiais vitrocerâmicos da invenção têm uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,0, de preferência, igual ou superior a 1,1, e, particularmente, igual ou superior a 1,2. Qualquer material vitrocerâmico, que satisfaça a especificação acima, pode ser usado em um sistema de armadura. Sem limitar a invenção, os exemplos desses materiais são uma vitrocerâmica na qual a fase cristalina é quartzo β, espinélio, willemita β, forsterita, soluções sólidas de espinélio, mulita e vitrocerâmicas similares conhecidas na técnica. Em outra concretização da invenção, o material vitrocerâmico tem um tamanho cristalino igual ou inferior a 30 nm. Geralmente, 90% ou mais dos cristalitos presentes nas vitrocerâmicas têm um tamanho igual ou inferior a 30 nm.

Em outro aspecto, a invenção é dirigida a um material vitrocerâmico tendo uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,2.

Em uma outra concretização, a invenção é dirigida a um sistema de armadura composta, no qual um elemento vitrocerâmico constitui pelo menos um componente, o dito material vitrocerâmico tendo cristalitos de tamanho igual ou inferior a 30 nm e uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,0. Em uma outra concretização, a vitrocerâmica é um espinélio ou uma solução sólida de espinélio, em que os cristalitos têm um tamanho igual ou inferior a 30 nm, e o percentual de cristalitos de espinélio na vitrocerâmica é igual ou inferior a 35%. Em mais uma outra concretização, a vitrocerâmica é uma vitrocerâmica de quartzo β, na qual os cristalitos têm um tamanho igual ou inferior a 30 nm, e o percentual de cristalitos de quartzo β na vitrocerâmica é igual ou superior a 30%. Em uma concretização de quartzo β preferida, o percentual é igual ou superior a 50%, e em uma concretização particularmente preferida, o percentual é igual ou superior a 85%. Para vitrocerâmicas de espinélio, soluções sólidas de espinélio e de quartzo β, 90% ou mais dos cristalitos presentes nas vitrocerâmicas têm um tamanho igual ou inferior a 30 nm. Outros componentes do sistema de armadura composta podem ser selecionados de materiais transparentes, incluindo polímeros, policarbonatos, náilons, acrilatos, composições vitrocerâmicas adicionais, materiais policristalinos ou de cristal único, vidros tais como vidros de soda-cal e de borossilicato, e outros materiais transparentes, como descrito nos presente relatório descritivo e nas referências de patentes e de literatura citadas no presente relatório descritivo, e conhecidos na técnica como sendo úteis em sistemas de armaduras compostas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é um gráfico de limite balístico versus densidade real, ilustrando a capacidade de detenção de projétil superior de um material vitrocerâmico representativo, comparado com um material de vidro de silicato.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Como usado no presente relatório descritivo, o termo "inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área" se refere a uma representação gráfica, exemplificada pela Figura 1, na qual o limite balístico, V50, em unidades de metros por segundo (pés por segundo) e a densidade de área em unidades de quilogramas por centímetro quadrado (libras por pé quadrado), e o termo é mencionado para incluir quaisquer representações gráficas similares de limite balístico versus densidade de área, independente do sistema de unidades que é usado. O termo V5O significa a velocidade de projétil na qual há uma probabilidade de 50% de penetração no alvo pelo projétil. Os materiais vitrocerâmicos, que são úteis de acordo com a invenção em aplicações de armadura transparente, têm uma inclinação que é superior à inclinação normalizada do material de referência (isto é, o padrão para todas as medidas comparativas) da Figura 1, que é um vidro de marca Vycor®. A inclinação do vidro Vycor é atribuída a um valor normalizado de 1,0 e todos os materiais vitrocerâmicos, úteis de acordo com a invenção, vão ter uma inclinação que é superior a 1,0. Por exemplo e sem limitação, em relação à inclinação de Vycor normalizada de 1,0, as vitrocerâmicas, úteis em aplicações de armadura transparente de acordo com a invenção, têm uma inclinação igual ou superior a 1,1, igual ou superior a 1,2, etc. Como usado no presente relatório descritivo, o termo "tem uma inclinação superior a 1,0" ou "tendo uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,0" e termos similares se referem ao que foi mencionado acima. Todos os percentuais de cristalinidade no presente relatório descritivo são em porcentagem em volume (% em volume). Todos os percentuais das composições são em porcentagem em peso (% em peso).

As vitrocerâmicas são sólidos microcristalinos produzidos pela desvitrificação controlada de vidro. Os vidros são fundidos, fabricados na forma e depois convertidos por tratamento térmico a uma cerâmica predominantemente cristalina, usando os processos descritos na técnica, por exemplo, as patentes U.S. 5.070.045, 6.531.420, 6.632.758, 6.936.444 e 7.001.861 (todas cedidas à Corning Incorporated). A base da cristalização controlada se baseia na nucleação interna eficiente, que propicia o desenvolvimento de grãos orientados aleatoriamente, finos sem vazios, microfissuras ou outra porosidade. Tanto quanto o vidro e as cerâmicas, as vitrocerâmicas são materiais quebradiços, que apresentam um comportamento elástico até o ponto de deformação, que resulta em quebra. No entanto, em virtude da natureza da microestrutura cristalina, as propriedades mecânicas, incluindo resistência mecânica, elasticidade, tenacidade a fratura, e resistência a abrasão, são mais altas nas vitrocerâmicas do que em vidro. A presença de cristais distribuídos uniformemente por uma vitrocerâmica provoca deflexão e embotamento das fissuras, proporcionando, desse modo, uma resistência otimizada à propagação de fratura.

Como os sistemas de armaduras transparentes precisam satisfazer requisitos balísticos cada vez mais rigorosos, enquanto reduzindo o peso e o custo, os projetos tradicionais usando folhas de vidro convencionais, laminadas com materiais poliméricos, ficaram inaceitáveis. Em particular, para aumentar o desempenho balístico, mais vidro tem que ser adicionado e o peso global da armadura ficou de um modo que não é possível de ser conduzido por um usuário ou veículo. Por conseguinte, há um consenso entre aqueles que desenvolvem e os que usam armadura transparente que a solução fundamental reside em materiais inovativos e não mais do mesmo vidro. A presente invenção é baseada na descoberta que materiais transparentes, tendo uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,0, são particularmente adequados para uso em sistemas de armaduras transparentes.

A presente invenção se refere ao uso de vitrocerâmicas transparentes para vários sistemas de armaduras. As aplicações podem incluir sistemas de armaduras para veículos terrestres e aeronaves, bem como em dispositivos protetores pessoais. As propriedades ópticas desses materiais de vitrocerâmicas transparentes satisfazem a transparência visível, bem como os requisitos de transparência na região próxima de radiação infravermelha, para a maior parte dos sistemas de armaduras militares. Os exemplos dos materiais que podem ser usados em sistemas de armaduras da invenção incluem aquelas vitrocerâmicas satisfazendo o critério de limite balístico versus velocidade de área ("BLvAD) descrito no presente relatório descritivo. Essa vitrocerâmica inclui, sem limitação, aquelas nas quais a fase cristalina é quartzo β, espinélio, willemita β, forsterita, soluções sólidas de espinélio, mulita e vitrocerâmicas similares conhecidas na técnica que são transparentes. A baixa densidade desses materiais, combinada com um maior limite balístico oferece qualquer um ou ambos dos dois atributos importantes. O primeiro atributo é a capacidade dos materiais de atingir o desempenho de balística equivalente àquele do vidro, com uma espessura de material muito menor, proporcionando, desse modo, muito menos peso criticamente necessário para os sistemas de armaduras. O segundo atributo é a capacidade dos materiais, quando usados em sistemas laminados, em atingir um desempenho balístico superior com a mesma espessura dê laminado usada para os atuais sistemas de armaduras transparentes. Por meio de exemplo, as vitrocerâmicas nas quais a fase cristalina é quartzo β, espinélio ou soluções sólidas de espinélio, como exemplificado nas tabelas incluídas no presente relatório descritivo.

De uma maneira geral, reconhece-se que a dureza e a tenacidade a fratura do material contribuem para o seu desempenho balístico, embora a correlação exata seja ainda de difícil compreensão, após décadas de pesquisa (consultar J.J. Swab, Recommendation for determining the Hardness of Armor Ceramics, Int. J. Appl. Ceram. Technol. 1 [3] (2004), páginas 219 225). Por exemplo e sem limitação, como uma classe material, as vitrocerâmicas de quartzo β de combinam com a capacidade de fabricação de vidro, com muitas propriedades de resistência mecânica dos materiais cristalinos, e proporcionam um amplo âmbito de projeto para otimização das propriedades, bem como uma vantagem de custo para uma ampla gama de aplicações.

Além do mais, as vitrocerâmicas de quartzo β apresentam uma oportunidade para desenvolver materiais que podem ser usados em aplicações múltiplas (incluindo aplicações de imposição da lei, não militares), propiciando, desse modo, uma economia de escala que pode contribuir ainda mais para a redução de custo, para beneficiar todas as aplicações, particularmente aquelas que não tenham por si um volume suficiente. Outros materiais vitrocerâmicos, tendo diferentes fases cristalinas, oferecem benefícios similares. Na discussão que se segue, embora uma vitrocerâmica, tendo quartzo β como a fase cristalina, seja usado como um modelo, deve-se entender que outros materiais vitrocerâmicos, tendo diferentes fases cristalinas, ou mesmo uma combinação de fases cristalinas, podem ser usados, desde que satisfaçam o critério BLvAD.

Em algumas aplicações de armaduras transparentes, o próprio material de quartzo β pode ser suficiente para propiciar proteção balística. No entanto, em um sistema preferido de sistema protetor balístico, usando vitrocerâmicas de quartzo β ou espinélio, uma ou mais folhas do material vitrocerâmico são laminadas em uma estrutura estratificada composta, com um material polimérico como apoio ou "apanhador de fragmentos". Essa é a mesma tecnologia usada com os materiais de vidro convencionais, mas com um material inovativo, superior, diferente, as vitrocerâmica, tal como uma vitrocerâmica de quartzo β. O número de camadas e a ordem das camadas na estrutura composta podem depender dos tipos de ameaça para os quais o sistema de armadura é projetado para defender. Em certos casos, pode ser vantajoso incluir uma ou mais folhas poliméricas entre as folhas vitrocerâmicas, para um desempenho otimizado. Em outros casos pode ser desejável usar um material que seja mais duro do que a vitrocerâmica, como a superfície de colisão, para aperfeiçoar o desempenho balístico contra ameaças mais potentes, tais como balas para perfuração de armaduras. Esse material duro pode ser um material cristalino, tal como oxinitreto de alumínio ou espinélio, ou pode ser um vidro duro ou mesmo uma outra vitrocerâmica com maior dureza do que a vitrocerâmica de quartzo β. As folhas poliméricas e os materiais adesivos das camadas intermediárias podem ser selecionados dos materiais em uso na presente tecnologia de armaduras. Algumas das considerações para seleção dos materiais poliméricos e dos adesivos incluem o índice de retração similar à vitrocerâmica, a compatibilidade química e mecânica com as vitrocerâmicas, o desempenho balístico e o desempenho ambiental no sistema de armadura na faixa de meios físicos de uso potencial.

Os materiais vitrocerâmicos de acordo com a invenção oferecem vantagens significativas em relação ao vidro convencional na resistência a penetração de projetéis, incluindo projéteis do tipo de perfuração de armadura (núcleo de aço duro). Quando o limite balístico (a capacidade de deter projéteis em unidades de metros/segundo - pés/s) é representado graficamente contra a espessura ou a densidade de área (em unidades de g/cm -1b/ft2), as vitrocerâmicas apresentam uma inclinação muito mais íngreme, comparadas com o vidro. Isso indica que a detenção dos projéteis a uma velocidade preestabelecida (por exemplo, velocidade de boca de arma de fogo para certos tipos de balas) vai requerer muito menos material vitrocerâmico (em espessura ou densidade de área) do que o vidro convencional. Isso é ilustrado na Figura 1 com o vidro da marca Vycor® sendo o vidro convencional. Considerando densidades mássicas similares, isso se traduz em peso muito menor para uma solução de armadura de base vitrocerâmica, em comparação com uma baseada em vidro convencional. Até onde se sabe, os presentes inventores e a cessionária deles, Corning Incorporated, são as primeiras e apenas as únicas entidades a reconhecer essa inclinação acentuada e as suas implicações para as aplicações de armaduras transparentes.

A vitrocerâmica oferece benefícios de custo em relação a apenas materiais cristalinos, isto é, os materiais nos quais a única fase é uma fase cristalina em oposição aos materiais vitrocerâmicos de fases múltiplas, que têm, tipicamente, uma fase amorfa e uma fase cristalina. Ainda que os materiais cristalinos tenham mostrado um desempenho balístico muito bom contra uma gama de ameaças em uma base de eficiência de peso, não são efetivos em custo. Por exemplo, oxinitreto de alumínio, espinélio e safira cristalinos demonstraram todos eficiências de peso que são mais de 3 vezes superiores àquelas do vidro. Isso significa que um sistema de armadura usando esses materiais cristalinos pode deter os mesmos projéteis com menos de 1/3 do peso total de um sistema à base de vidro. No entanto, os materiais cristalinos transparentes usam processamento de pó (para oxinitreto de alumínio e espinélio) ou processos de crescimento cristalino (para safíra) muito caros. Esses processos são intrinsecamente muito caros, têm rendimentos de produto baixos e não são conducentes para a produção de folhas de grande tamanho. Além dos custos de manufatura, o custo de acabamento e de polimento desses materiais cristalinos é muito alto e, tipicamente, incorpora mais 40 - 100% aos custos totais para os materiais. A produção de folhas curvas, que podem ser usadas em visores, janelas de veículo, blindagens para tumultos e equipamento similar vão incorporar complexidade e custo. Por conseguinte, esses materiais de alto desempenho não são atualmente usados fora dos laboratórios de pesquisa e não são considerados como tendo um futuro previsível. Em comparação, as vitrocerâmicas de quartzo beta transparentes vêm sendo produzidos há anos, na forma de folhas laminadas planas e formas curvas, ambas podendo ser utilizadas na produção de armadura transparente.

Com o uso de quartzo β como um material exemplificativo, qualquer composição, capaz de formar materiais vitrocerâmicos tendo 30% ou mais de cristalitos de quartzo β de um tamanho igual ou inferior a 30 nm, pode ser usada de acordo com a invenção. Apenas por meio de exemplo, uma dessas composições tendo pelo menos 85% de cristalitos de quartzo β de tamanho igual ou inferior a 30 nm, que foi usada para a produção de armadura de vitrocerâmica, contém, em porcentagem em peso (% em peso), 60 - 80% SiO2, 15 - 30% Al2O3 e 1 - 5% Li2O. Componentes opcionais, também em porcentagem em peso, que podem estar presentes na composição, incluem até 5% em peso de cada um de MgO5 ZnO, BaO e SrO, incluindo as suas misturas; até 6% em peso TiO2, até 1% em peso AS2O3 e até 2% em peso de cada um de Na2O e K2O. Apenas por meio de exemplo, um exemplo mais específico, que se encaixa dentro das composições apresentadas acima, é a seguinte composição vitrocerâmica apresentada na Tabela 1, todos os percentuais em peso sendo ± 10% do valor do percentual em peso apresentado. Esse material pode ser transformado em cerâmica de acordo com a patente U.S. 5.070.045. Essa composição corresponde a GC-2 na Tabela 2.

Tabela 1

Componente % em peso SiO2 65 -70 Al2O3 17 -23 Li2O 2,5 -4 MgO O- 3 ZnO 0- 3 TiO2 2- 4 BaO 0,5 -2 SrO Ο- 0,5 ZrO2 Ι - 2 As2O3 1 Sb2O3 0 Na2O 0,2 K2O 0,2 V2O5 0

As propriedades físicas comparativas para algumas vitrocerâmicas transparentes de quartzo β e espinélio e de um vidro óptico duro são apresentadas na Tabela 2 apresentada a seguir. Tabela 2

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Tabela 2 (continuação)

<table>table see original document page 18</column></row><table> <table>table see original document page 19</column></row><table> Exemplos adicionais, sem limitação, composições de vitrocerâmicas de espinélio transparentes A que podem ser usados na prática da invenção, são apresentados na Tabela 3. Geralmente, os espinélios têm uma composição, em porcentagem em peso (% em peso) de 40 - 70% SiO2, 15 - 25% Al2O3, 7 - 20% ZnO, 0 - 6% MgO, 0 - 4% BaO, 0 - 2% CaO, 0 - 5% K2O, 0 - 5% Na2O, 1 - 8% TiO2, 1 - 8% ZrO2 e 0,5 ± 0.3% As2O5. O primeiro critério para as composições de vitrocerâmicas de espinélio transparentes é que tenham uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,0, de preferência, igual ou superior a 1,1, e, particularmente, igual ou superior a 1,2. A adição de metais alcalinos também pode servir para reduzir a cor na vitrocerâmica.

Tabela 3

<table>table see original document page 20</column></row><table> <table>table see original document page 21</column></row><table>

Deve-se entender que outra composição produzindo materiais vitrocerâmicos de espinélio transparentes, após transformação em cerâmica, também podem ser usados de acordo com a invenção, desde que tenham também inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,0, de preferência, igual ou superior a 1,1, e, particularmente, igual ou superior a 1,2.

A despeito do trabalho considerável por anos, a correlação exata das propriedades do material estático e do desempenho balístico se mantém ainda hoje de difícil compreensão. Uma hipótese que foi oferecida é que um material de armadura ideal precisa ter uma dureza suficiente para quebrar o projétil, mas acima de um certo valor de limiar, a dureza não mais dita o desempenho. Se a otimização de outras propriedades mecânicas, tal como tenacidade a fratura, puder ser obtida, ainda que a dureza esteja acima do valor de limiar, o desempenho da armadura pode ser otimizado também. As vitrocerâmicas oferecem idealmente essa possibilidade.

Com base na hipótese mencionada acima e no entendimento, ambas as vitrocerâmicas transparentes experimentais e comerciais foram testadas em várias configurações. Essas incluem várias vitrocerâmicas do tipo espinélio, como exemplificadas por (GC-6); código de vidro Corning 9664 (GC-7) e variantes do código 9664 com alumina adicionada (GC-8 e GC-9). As vitrocerâmicas de quartzo β, que foram testadas, incluem uma vitrocerâmica de quartzo β patenteada pela Corning (GC-2) e outro material de vitrocerâmica disponível comercialmente (GC-1). Outros materiais que foram testados incluem um vidro óptico duro e outro espinélio (GC-4). Nas duas diferentes espessuras, GC-2 e vidro Vycor com apoio de policarbonato produziram um fenômeno interessante. Os materiais vitrocerâmicos com apoio de policarbonato têm uma alta inclinação de eficiência de peso, como mostrado na Figura 1. Essa alta inclinação, que foi baseada nos resultados obtidos até hoje, creditada como capaz de reter verdadeira e linearmente, a uma espessura de até aproximadamente 2,54 cm (1 in), vai prever que GC-2 a uma espessura de aproximadamente 2,54 cm (1 in) vai ser capaz de deter uma bala AP (antipessoal) de 7,62 mm, a uma velocidade de boca de arma de fogo de 838,2 m/s (2.750 ft/s). Em comparação, vai-se precisar de mais de 5,08 cm (2 in) de vidro Vycor para deter a mesma bala.

A Figura 1 é um gráfico de limite balístico versus densidade de área, ilustrando a capacidade de detenção de projétil superior de um material vitrocerâmico representativo, comparado com um material de vidro. (Ambos os materiais são apoiados por policarbonato). A inclinação da linha para o material cerâmico GC-2 é superior à inclinação da linha para o vidro de referência da marca Vycor®, que é superior a 1,0. Com base nos resultados experimentais, os materiais vitrocerâmicos de quartzo β, adequados para aplicação de armadura transparente, devem ter uma cristalinidade igual ou superior a 25 e uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,0, de preferência, igual ou superior a 1,1. Em outra concretização de quartzo β, a cristalinidade é igual ou superior a 85%. Em outras concretizações preferidas apresentadas acima, a inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,2.

O teste balístico limitado até aqui sugere que um laminado vitrocerâmico integral de espessura de 2,54 cm (1 in) deve ser capaz de executar o equivalente balístico de aproximadamente 5,1-7,6 cm (2-3 in) de vidro convencional. Todo o teste foi conduzido em laminados de transparência total, que usaram policarbonato a 1,27 cm (0,5 in) como a camada para apanhar fragmentos, similar aos sistemas de armaduras atualmente disponíveis.

Como notado em outro lugar do presente relatório descritivo, a correlação exata das propriedades do material estático e do desempenho balístico é muito pouco entendida. Uma hipótese é que um material de armadura ideal precisa ter dureza suficiente para quebrar o projétil, mas acima de um certo valor de limiar, a dureza não mais dita o desempenho.

Para as vitrocerâmicas de espinélio, essa hipótese é suportada pelos valores de dureza Knoop moderados de 700 - 730, que são obtidos com esses materiais. Além disso, a microestrutura da própria vitrocerâmica de espinélio - nanopartículas de espinélio duro de 10 - 20 nm dispersas uniformemente por uma fase vítrea "mais macia", de menor expansão, contínua - pode proporcionar uma proteção balística otimizada. Hasselman e Fulrath, Proposed fracture theory of a dispersion strengthened glass matrix, J. Am. Ceram. Soe. 49, 68-72 (1966), propuseram uma teoria de fratura, na qual dispersões cristalinas esferoidais duras dentro de um vidro vão limitar o tamanho das falhas, que podem ser produzidas na superfície, propiciando, desse modo, um aumento em resistência. Essa microestrutura cristalina pode ajudar a explicar a maior inclinação observada com a espessura de vitrocerâmica versus. vidro.

Em suma, os materiais vitrocerâmicos são, por exemplo, muito promissores como material de armadura transparente em estruturas laminadas. A extrapolação dos dados limitados prevê que um laminado GC-2 (apoiado por policarbonato de 1,27 cm - 0,5 in) pode resultar em economias de peso em torno de 50%, quando comparado a um laminado usando vidro de silicato convencional. As vitrocerâmicas também mostraram ser efetivas como um material de apoio para uma superfície de colisão de vidro duro, uma concretização adicional oferecendo potencialmente uma eficiência de espaço superior.

Ainda que a invenção tenha sido descrita com relação a um número limitado de concretizações, aqueles versados na técnica, tendo o benefício desta descrição, vão considerar que outras concretizações podem ser arquitetadas, que não se afastam do âmbito da invenção, como descrito no presente relatório descritivo. Conseqüentemente, o âmbito da invenção deve ser apenas limitado pelas reivindicações em anexo.

Claims (13)

1. Sistema de armadura composta, caracterizado pelo fato de que um elemento ou material vitrocerâmico constitui pelo menos um componente, o dito material vitrocerâmico tendo cristalitos de tamanho igual ou inferior a 30 nm e uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área de pelo menos 1,0.

2. Armadura composta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a fase cristalina da vitrocerâmica é selecionada do grupo consistindo de quartzo β, espinélio, soluções sólidas de espinélio, mulita e fases transparentes similares conhecidas na técnica.

3. Armadura composta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito material vitrocerâmico tem 90% ou mais de cristalitos presentes na vitrocerâmica com um tamanho igual ou inferior a 30 nm.

4. Armadura composta de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o dito material vitrocerâmico tem uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,1.

5. Armadura composta de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o dito material vitrocerâmico tem uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,2.

6. Armadura composta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito material vitrocerâmico é vitrocerâmica de quartzo β, tendo uma cristalinidade igual ou superior a 30%.

7. Armadura composta de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o dito material vitrocerâmico é vitrocerâmica de quartzo β, tendo uma cristalinidade igual ou superior a 50%.

8. Armadura composta de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o dito material vitrocerâmico é vitrocerâmica de quartzo β, tendo uma cristalinidade igual ou superior a 85%.

9. Armadura composta de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o dito material vitrocerâmico tem uma composição compreendendo, em porcentagem em peso, 60 - 80% SiO2, 15 - 30% Al2O3 e 1 - 5% Li2O, e incluindo, opcionalmente, também em porcentagem em peso, até 5% de cada um de MgO, ZnO, BaO e SrO, incluindo as suas misturas; até 4% em peso TiO2, até 1% em peso As2O3 e até 2% em peso de cada um de Na2O e K2O, e a dita inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,2.

10. Sistemas de armaduras compostas de de acordo com a reivindicação 9, caracterizadas pelo fato de que o dito material vitrocerâmico tem uma composição: Componente % em peso SiO2 65-70 Al2O3 17-23 Li2O 2,5-4 MgO 0-3 ZnO 0-3 TiO2 2-4 BaO 0,5-2 SrO 0-0,5 ZrO2 1 -2 As2O3 1 Sb2O3 0 Na2O 0,2 K2O 0,2 V2O5 0 todos os percentuais em peso sendo ± 10% do valor do percentual em peso apresentado; e a dita vitrocerâmica tem uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,2.

11. Armadura composta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito material vitrocerâmico, selecionado do grupo consistindo de vitrocerâmicas de espinélio e de solução sólida de espinélio, tem uma composição compreendendo, em porcentagem em peso, 40 - -70% SiO2, 15 - 25% Al2O3, 7 - 20% ZnO, 0 - 6% MgO, 0 - 4% BaO, 0 - 2% CaO, 0 - 5% K2O, 0 - 5% Na2O, 1 - 8% TiO2, 1 - -8% ZrO2 e 0,5 ± 0.3% As2O5.

12. Armadura composta de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que a cristalinidade da dita vitrocerâmica é inferior a 35%.

13. Armadura composta de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o dito material vitrocerâmico tem uma inclinação de linha de limite balístico versus densidade de área igual ou superior a 1,2.