ES2204199B2 - Blindaje laminado. - Google Patents

Abstract

Blindaje laminado que comprende una primera parte (11) situada en el lado del blindaje desde el cual se va a resistir el ataque y una segunda parte (12) que es coextensiva con la primera parte, en que: (i) la primera parte comprende un laminado de primeras chapas metálicas (1), teniendo cada una un grosor medio (t{sub,2}), unidas adhesivamente mediante capas intermedias (8) que tienen un grosor (t{sub,1}) entre 0,4t{sub,2} y 0,9t{sub,2} y un módulo de Young a compresión, perpendicularmente con respecto a las capas, por debajo de 4 GPa; (ii) la segunda parte del blindaje comprende un material que es más dúctil que el metal de las primeras chapas metálicas y preferiblemente comprende segundas chapas metálicas (2) que están unidas una a otra y a la primera parte (11) del blindaje con adhesivo reforzado por fibra de aramida. El blindaje es útil frente a proyectiles de pequeño calibre.

Description

Blindaje laminado.

El presente invento se refiere a un blindaje laminado adecuado para protección contra disparos de energía cinética de pequeño calibre y particularmente contra un ataque de fragmentación, pero es adecuado también como medio de confinamiento en una situación en la que existe la posibilidad de que se eyecten fragmentos a alta velocidad, por ejemplo durante el funcionamiento de turbo ventiladores de aeronaves.

Los términos "límite de protección V_{50}" y "coeficiente de mérito" que se usan en la descripción se definen como sigue: Límite de Protección V_{50} (m/s) - se refiere al ataque con un tipo particular de proyectil y representa la velocidad de impacto que da un 50% de probabilidad de derrota del blindaje (por cualquier modo de fallo).

Coeficiente \ de \ mérito = \frac{V_{50}}{Densidad \ Superficial \ de \ Blindaje}(m^{3}/kg \ s)

El coeficiente de mérito proporciona una normalización de los resultados de V_{50}, permitiendo la comparación de blindajes con diferentes densidades superficiales (NB: una comparación realista de blindajes diferentes puede efectuarse solamente utilizando el coeficiente de mérito si las densidades superficiales son del mismo orden.)

Cuando se recibe el ataque de disparos perforadores de blindaje o de fragmentos procedentes de, por ejemplo, una bomba de ataque por fragmentación, un blindaje relativamente ligero es susceptible de una serie de modos de fallo diferentes.

Estos son:

a. Taponamiento - en el cual tiene lugar un fallo local por cizallamiento a través del espesor, dando como resultado un tapón de material con un diámetro del mismo orden que el del proyectil que se está retirando del blindaje. El propio tapón puede ser eyectado con energía cinética residual y constituir un peligroso proyectil secundario. El taponamiento es un mecanismo de absorción de baja energía debido a que tiene lugar poca deformación plástica del blindaje, y por esta razón es muy deseable evitarlo;

b. Discado o desbastado - que implica la eyección de un disco de material desconchado de la superficie posterior del blindaje. Este es también un mecanismo de fallo de baja energía y ha de evitarse si es posible, puesto que no permite que se explote el fallo potencial del blindaje;

c. Segmentado - que implica la formación de grietas radiales que definen segmentos de blindaje que se curvan hacia atrás apartándose del proyectil atacante al penetrar éste en el blindaje. Dado que esto implica una considerable cantidad de deformación plástica y de fractura dúctil, ello constituye un mecanismo de fallo de más alta energía que el taponamiento o el discado.

Se han propuesto en el pasado sistemas de blindaje de doble dureza que incorporan una capa de cerámica dura para embotar o fragmentar el proyectil en el lado de ataque del blindaje, soportada por una capa que contiene resina reforzada por fibra de vidrio y que está diseñada para absorber por deformación la energía cinética del proyectil. Ejemplos de tales blindajes se describen en la patente francesa 823284 y en la patente norteamericana 4131053. Recientemente, se ha propuesto en la patente EP 237095 incorporar un laminado metálico reforzado con fibra en el sistema de blindaje anteriormente descrito. Sin embargo, todos estos sistemas de blindaje son apliques, es decir que sólo son adecuados para ser aplicados a una estructura. No son adecuados para uso como armaduras estructurales ellos mismos.

Se han propuesto en el pasado blindajes estructurales de doble ductilidad que incorporan una capa de superficie de ataque dura sostenida por una capa dúctil de prevención del desconchado. Para que dicho blindaje no se distorsione bajo carga, la capa posterior de metal dúctil de baja resistencia ocupa comúnmente un 50% o más del blindaje en volumen con la consiguiente reducción en el coeficiente de mérito del blindaje.

El objeto del presente invento es proporcionar un blindaje estructural con una alta resistencia a la penetración de fragmentos.

Los inventores han encontrado que cuando la cara de ataque de un blindaje laminado compuesto está constituida por chapas metálicas separadas por capas intermedias, tanto el grosor como la elasticidad de las capas intermedias tienen un efecto pronunciado sobre el coeficiente de mérito del material del blindaje estructural. Eligiendo un grosor de capa intermedia que esté dentro de una gama particular y seleccionando un material de capa intermedia con un módulo de Young suficientemente bajo, se puede conseguir una optimización del coeficiente de mérito de blindaje.

Por lo tanto, de acuerdo con el invento se crea un blindaje laminado que comprende una primera parte situada en el lado del blindaje desde el cual se va a resistir el ataque y una segunda parte que es coextensiva con la primera parte, en que:

(i) la primera parte comprende un laminado de primeras chapas metálicas, teniendo cada una un grosor medio t_{2}, unidas adhesivamente mediante capas intermedias que tienen un grosor entre 0,4t_{2} y 0,9t_{2} y un módulo de Young a compresión, medido perpendicularmente con respecto a las capas, por debajo de 4 GPa, y

(ii) la segunda parte comprende al menos una chapa metálica que es más dúctil que el metal de las primeras chapas metálicas.

El grosor y el bajo módulo de Young de las capas intermedias de la primera parte dejan que la primera parte del blindaje haga un uso máximo de las capacidades de absorción de energía de las primeras chapas metálicas al permitir un alto grado de independencia de deformación. La propagación de grietas perpendicularmente con respecto a las primeras chapas metálicas (que podría dar subsiguientemente como resultado un taponamiento) se puede limitar a las primeras chapas metálicas, dejando que la segunda parte del blindaje absorba cualquier energía residual e impida también que tenga lugar un discado. La delaminación del blindaje contribuye también a la absorción de energía al expandir el área sobre la que se absorbe energía por deformación plástica.

Preferiblemente, las capas de la primera parte tienen un módulo de Young a compresión, medido perpendicularmente con respecto a las capas, por debajo de 3,5 GPa.

Dado que las fibras de refuerzo poliméricas típicas aumentan el módulo de Young de una matriz de resina típica, las capas intermedias de la primera parte están preferiblemente exentas de fibras.

La segunda parte del blindaje puede comprender una única chapa de metal dúctil, pero preferiblemente comprende al menos dos chapas de metal dúctil unidas una a otra y a la primera parte del blindaje con adhesivo reforzado por fibra de aramida. La incorporación de fibras a la segunda parte del blindaje aumenta significativamente su capacidad de absorción de energía. La ductilidad de las chapas permite que las fibras, que preferiblemente constituyen un tejido, se estiren y, al hacer esto, absorban energía por fricción entre mechas. Además, el uso de dos o más chapas de metal dúctil y capas de adhesivo reforzado con fibra da como resultado un aumento inesperado del coeficiente de mérito del blindaje en comparación con el uso de una chapa dúctil y una capa de adhesivo reforzado con fibra.

La incorporación selectiva de fibras en la segunda parte del blindaje puede también aumentar la capacidad de soporte de carga de tracción de la segunda parte hasta el mismo orden que la de la primera parte. El resultado es la posibilidad de producir un material de ingeniería estructural equilibrado que es menos probable que se distorsione bajo carga. Una ventaja adicional de esta característica es que un mayor porcentaje del blindaje puede estar constituido por un metal de mayor resistencia (menor ductilidad) con el consecuente aumento del coeficiente de mérito del blindaje. Preferiblemente, la primera parte ocupa al menos un 75% del blindaje en volumen. Para impedir el discado, los sistemas de blindaje de doble ductilidad de la técnica anterior han empleado generalmente caras posteriores dúctiles relativamente gruesas que ocupan comúnmente un 50% o más del blindaje en volumen. Esto conduce a la consiguiente reducción del coeficiente de mérito del blindaje, porque la resistencia a la penetración del blindaje no está maximizada.

Para resistir un ataque de fragmentos pequeños típicos, el grosor t_{2} de cada primera chapa metálica es preferiblemente menor de 2 mm. Sin embargo, el grosor t_{2} puede ser tan alto como 6 mm para resistir el ataque de fragmentos más grandes. Preferiblemente, las chapas se seleccionan independientemente entre aluminio, titanio o magnesio o aleaciones de los mismos. La primera parte del blindaje comprende preferiblemente de cuatro a diez primeras chapas metálicas. También preferiblemente, el punto de deformación hasta rotura de las primeras chapas metálicas es menor del 14% y el del material contenido en la segunda parte del blindaje es mayor del 14%.

El refuerzo de fibras en la segunda parte está constituido preferiblemente por dos agrupaciones ortogonales de fibras entretejidas. Con esta configuración de refuerzo se minimiza la probabilidad de formación de grietas y su propagación dentro de las capas de adhesivo.

Se describirá ahora el invento, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

La figura 1 es un gráfico que muestra cómo el coeficiente de mérito del blindaje construido de acuerdo con el invento varía con el grosor de la capa intermedia del blindaje;

La figura 2 muestra una sección transversal del blindaje de acuerdo con el invento; y

La figura 3 muestra una sección transversal esquemática del blindaje de acuerdo con el invento después del ataque con un disparo simulador de fragmentos embotados de alta velocidad.

La placa de blindaje mostrada en la figura 2 se hace de la siguiente forma:

(a) Se desgrasan seis primeras chapas metálicas 1 de aleación de aluminio 7075 T6 (grosor 1,02 mm) y dos segundas chapas metálicas 2 de la aleación de aluminio más dúctil 5083 (grosor 1,0 mm) y se les da un pretratamiento a temperatura ambiente durante 1 hora en un baño de carbonato sódico (Na_{2}CO_{3} 80 g/L en agua desmineralizada);

(b) se enjuagan las chapas 1 y 2 durante 10 minutos con agua corriente;

(c) se sumergen las chapas 1 y 2 durante 4 horas en una solución de ataque químico, acondicionada con iones cobre, a base de H_{2}SO_{4} (Sg 1, 84, 150 ml/L), Na_{2}Cr_{2}O_{7}.2H^{2}O (75 g/L) y CuSO_{4}.5H_{2}O (4 g/L), completada hasta 1 litro con agua desmineralizada;

(d) se enjuagan luego con agua corriente;

(e) se secan luego con aire templado;

(f) la unión tiene lugar dentro de 6 horas de las etapas de pretratamiento (a) - (e);

(g) se cortan a medida piezas de un tejido 4 de Kevlar (R) de ligamento tafetán previamente lavado para eliminar el apresto de tejedura;

(h) se extienden cantidades iguales de adhesivo sobre las superficies de unión de cada chapa (epoxy endurecido de dos partes Hysol-Dexter (R) 9309.3(NA));

(i) se coloca una única capa de tejido de Kevlar entre y encima de las dos segundas chapas metálicas 2 de aleación de aluminio 5083;

(j) se ensamblan luego las primeras chapas metálicas 1 como se muestra en la figura 2. Todas las uniones se proveen de espaciadores 5 reguladores de grosor.

El grosor t_{1} (0,51 mm) de cada capa intermedia 8 entre las primeras chapas metálicas 1 es el 50% del grosor t_{2} de las primeras chapas metálicas.

El grosor t_{3} de la capa adhesiva que separa las segundas chapas metálicas una de otra y del resto del blindaje es de 0,5 mm, siendo este grosor suficiente para la ocupación de fibras descrita anteriormente.

(k) La placa de blindaje se pone entonces bajo una presión de 0,21 MPa en una prensa y se calienta a 60ºC durante una hora para fomentar la fluidez del adhesivo y, por lo tanto, impregnar completamente el tejido.

Se probaron una serie de diferentes placas de blindaje construidas básicamente como se ha descrito anteriormente, cada una con un grosor ti de capa intermedia diferente, para verificar el coeficiente de mérito al ser impactadas con fragmentos 13 de alta velocidad con velocidades variables. Los resultados se muestran en la figura 1, que es un gráfico que ilustra la variación del coeficiente de mérito (MR – m^{3}/kg s) con respecto a la relación t_{1}/t_{2} (grosor de la capa intermedia dividido por el grosor de las primeras chapas metálicas). El coeficiente de mérito se optimiza en la región de t_{1}/t_{2} = 0,5 y no se reduce significativamente dentro de la gama de 0,4 a 0,9. El coeficiente de mérito decrece a medida que se reduce la fracción t_{1}/t_{2} por debajo de 0,4, ya que se acerca una situación en la que las capas intermedias son insuficientemente gruesas para permitir una independencia substancial de la deformación de las primeras chapas metálicas 1, y como resultado aparece un fallo por taponamiento de baja energía a través del grosor. Cuando un blindaje con la relación t_{1}/t_{2} óptima era capaz justamente de resistir un fallo completo, aparecía el modo de daño mostrado en la figura 3. Las primeras chapas metálicas 1 absorben una gran cantidad de energía por deformación plástica en 9. Esto es posible (a) debido al grosor de las capas intermedias 8 y (b) debido al bajo módulo de Young de las capas intermedias 8 (3 Gpa). Las segundas chapas metálicas 2 en combinación con el tejido de aramida 4 impiden que tenga lugar un discado, y también absorben energía por deformación plástica y por fricción entre mechas.

Al evitar un taponamiento a través del grosor tiene lugar una mayor delaminación de la placa de blindaje por la formación de grietas 10. Esto tiene el efecto ventajoso de agrandar el área del blindaje que actúa para absorber la energía de un proyectil.

Los coeficientes de mérito resultantes se comparan todos favorablemente con el del blindaje de aluminio monolítico de densidad superficial comparable, el coeficiente del cual se muestra en el punto A de la figura 1.

Para que la placa de blindaje pueda constituir un útil material estructural autoestable y equilibrado, la primera parte 11 del blindaje y la segunda parte 12 se han diseñado de modo que respondan similarmente a las cargas aplicadas y como resultado se minimice la tendencia del blindaje a la distorsión.

Claims (10)

1. Un blindaje laminado que comprende una primera parte que incluye un primer material de chapa metálica situado en el lado del blindaje desde el cual se va a resistir el ataque y una segunda parte que es coextensiva con la primera parte e incluye un segundo material de chapa metálica que es más dúctil que el metal de la primera parte, caracterizado porque: (i) la primera parte (11) es un laminado de primeras chapas metálicas (1), teniendo cada una un grosor medio t_{2}, unidas adhesivamente mediante capas intermedias (8) que tienen un grosor entre 0, 4t_{2} y 0,9t_{2} y un módulo de Young a compresión, perpendicularmente con respecto a las capas, por debajo de 4 GPa; y (ii) la segunda parte (12) comprende al menos una segunda chapa metálica (2) que es más dúctil que el metal de las primeras chapas metálicas.

2. Un blindaje según la reivindicación 1, caracterizado porque las capas intermedias (8) de la primera parte tienen un módulo de Young a compresión, perpendicularmente a las capas, por debajo de 3,5 GPa.

3. Un blindaje según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque las capas intermedias (8) de la primera parte comprenden resina exenta de fibra.

4. Un blindaje según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera parte (11) comprende de cuatro a diez primeras chapas metálicas (1).

5. Un blindaje según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el punto de deformación hasta rotura de las primeras chapas metálicas (1) es menor del 14% y porque el del material contenido en la segunda parte (12) del blindaje es mayor del 14%.

6. Un blindaje según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la segunda parte (12) comprende una laminado de al menos dos segundas chapas metálicas (2) que son más dúctiles que las primeras chapas metálicas (1).

7. Un blindaje según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las chapas metálicas (1, 2) se seleccionan independientemente entre aluminio, titanio o magnesio o aleaciones de los mismos.

8. Un blindaje según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, caracterizado porque las segundas chapas metálicas (2) están unidas la una a la otra y a la primera parte (11) del blindaje con adhesivo, al menos algo del cual contiene fibras de refuerzo (4).

9. Un blindaje según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera parte (11) ocupa al menos el 75% del blindaje en volumen.

10. Un blindaje según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las partes primera y segunda tienen substancialmente las mismas características estructurales de soporte de carga de tracción.