ES2267447T3

ES2267447T3 - Uso de elementos de un material compuesto de matriz ceramica reforzado con fibras.

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Publication number: ES2267447T3
Application number: ES00123366T
Authority: ES
Inventors: Udo Dipl.-Ing. Gruber (Fh); Michael Dipl.-Chem. Dr. Heine; Andreas Dipl.-Chem.Dr.Rer.Nat. Kienzle; Reinhard Dipl.-Ing. Nixdorf (Fh)
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2007-03-16
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: EA003049B1; IL139337A0; JP2001192275A; ZA200006167B; PL343656A1; DE29921452U1; EP1098161B1; EP1098161A2; KR20010051416A; DE50013223D1; DE19953259C2; DE19953259A1; ATE334374T1; AR026325A1; CO5190752A1; NO20005378D0; CZ20004083A3; NO20005378L; CA2325123A1; EP1098161A3

Abstract

Estructura compuesta que consta de un respaldo seleccionado de placas metálicas y un tejido de fibras, pegado sobre una placa de un espesor de al menos 2, 4 mm, hecha de un material compuesto de matriz cerámica reforzado con fibras de carbono y/o de grafito, que contiene 55 a 80% en peso de carburo de silicio, 10 a 40% en peso de carbono y 2 a 20% en peso de silicio, referido a la masa total del material compuesto, siendo la proporción de fibras del material compuesto de 8 a 30% en peso, referido al peso total, siendo la longitud media de las fibras de 0, 5 mm a 5 mm y estando las fibras revestidas con al menos una capa de carbono grafitizado.

Description

Uso de elementos de un material compuesto de matriz cerámica reforzado con fibras.

La invención concierne a estructuras compuestas que comprenden una placa de un espesor de al menos 2,4 mm, constituida por un material compuesto de matriz cerámica reforzado con fibras de carbono y/o de grafito, y un respaldo, así como a un procedimiento para su fabricación. Las estructuras compuestas según la invención son adecuadas para absorber al menos una carga puntual del tipo de choque.

En lo que sigue y en las reivindicaciones se agrupan bajo el término fibras tanto fibras individuales como los haces de fibras generalmente utilizados que pueden presentar una anchura y también una altura sensiblemente mayores en comparación con fibras individuales.

Los materiales compuestos de matriz cerámica reforzados con fibras son conocidos desde hace bastante tiempo y se caracterizan en general por una alta resistencia y rigidez y, al mismo tiempo, por un peso reducido. Estas propiedades se conservan también hasta altas temperaturas. Los materiales compuestos reforzados con fibras tienen una alta conductividad calorífica y al mismo tiempo una baja dilatación térmica y, por tanto, una excelente estabilidad frente a cambios de temperatura.

Partiendo de materiales compuestos de matriz de carbono (CFC) reforzados con fibras de carbono se vienen desarrollando en medida creciente en los últimos diez años materiales compuestos con SiC como matriz, empleándose fibras de carbono (C/SiC) y de carburo de silicio (SiC/SiC) en calidad de fibras de refuerzo.

Se conoce por el documento DE 197 10 105 A1 un cuerpo de carburo de silicio reforzado con fibras cortas de grafito que tiene un comportamiento de fractura casi dúctil. Las fibras cortas de refuerzo consistentes en grafito están rodeadas por al menos una envoltura de carbono grafitizado y se han obtenido por impregnación con agentes impregnantes carbonizables y carbonización subsiguiente. La envoltura de las fibras se transforma en parte en carburo de silicio durante la fabricación del material compuesto C/SiC. En este caso, se infiltra el cuerpo compuesto con silicio líquido, teniendo lugar también la conversión al menos parcial de la matriz de carbono del producto previo carbonizado en carburo de silicio.

En la discusión de este estado de la técnica se comentan en general como posibilidades de uso de materiales compuestos unos materiales de revestimiento para artefactos voladores espaciales reutilizables, revestimientos de toberas de turbopropulsores, álabes de turbinas o bien forros de fricción. Los materiales compuestos que se describen en el documento DE-A-197 10 105 pueden emplearse como partes de turbinas de gas, como componentes de quemadores y toberas, como tubos de gas caliente o bien como materiales de fricción para altas cargas, tales como forros para frenos.

Se conoce por el documento DE 197 11 829 C1 un procedimiento para fabricar una cerámica compuesta reforzada con fibras altamente resistentes al calor que se han ligado por reacción con una matriz a base de silicio y carburo de silicio o una aleación de silicio como la descrita, por ejemplo, en el documento DE 41 27 693 A1. Tales cuerpos compuestos se emplean para fabricar piezas en grandes series, tales como discos de freno.

El uso de cerámicas como sistema de blindaje es también conocido a causa de sus ligeros pesos. Las cerámicas se caracterizan en general por una alta rigidez y dureza. Cuando se emplean para fines de blindaje, es esencial que las cerámicas puedan aguantar una deformación plástica bajo una carga elevada. Es necesaria una alta resistencia a la tracción especialmente en la superficie posterior de una placa de blindaje. Por este motivo, un blindaje típico en el que se emplea un material compuesto de cerámica consta de un lado delantero de cerámica que está provisto, en su lado posterior, de una estructura compuesta fibrosa o substrato metálico en calidad de refuerzo (respaldo). Usualmente, estos materiales diferentes se unen uno con otro por pegadura. Como material cerámico se utilizan vidrio, vitrocerámica o cerámicas técnicas, tales como óxidos, boruros o bien carburos. Se ha destacado especialmente el óxido de aluminio, ya que es también relativamente barato. Sin embargo, la capacidad de resistir una deformación plástica no es satisfactoria en cerámicas. Dado que las cerámicas muestran un comportamiento de fractura quebradizo, una carga puntual de la cerámica, por ejemplo debida a un proyectil, conduce a una formación de fisuras continuas en la cerámica, de modo que ésta es destruida en una superficie grande y, por tanto, pierde su acción protectora. Este problema puede remediarse hasta hoy solamente montando sobre un respaldo unos pequeños segmentos de cerámica con una dilatación máxima de 3 cm para una protección muy alta (automóviles de seguridad) y de 10 cm para una protección sencilla, por ejemplo militar, en el plano perpendicular a la acción de la carga puntual. Por tanto, al recibir el impacto de un proyectil se destruye siempre solamente un segmento de cerámica. Sin embargo, una estructura compuesta constituida por tales segmentos de cerámica es muy complicada en su fabricación. No obstante, como elementos de protección de gran superficie no se pueden emplear hasta ahora cerámicas solas.

Al disparar sobre una placa de blindaje con un proyectil se produce en una placa de cerámica convencional, debido a la reflexión de las ondas de tensión dentro de la placa de cerámica, una fractura de la propia placa de cerámica. Solamente debido a que detrás de la placa de cerámica está aplicado un lado posterior adicional, por ejemplo de metal, se puede impedir que el proyectil atraviese completamente esta placa de blindaje.

Cuando se emplean placas de blindaje, es necesario que la cerámica presenta una dureza netamente más alta que la del material del proyectil, que tiene usualmente una dureza Vickers de aproximadamente 6,5 a 8,0 kN/mm^{2}. Por tanto, sería favorable emplear materiales con una dureza de más de aproximadamente 9,8 kN/mm^{2}. Cuando la cerámica es demasiado blanda, el núcleo del proyectil atraviesa la cerámica debido a que no es dañado ni aplanado por la cerámica.

Sin embargo, existen también municiones con dureza netamente más alta, especialmente cuando se emplea una munición con un núcleo de carburo de wolframio en una matriz de níquel-hierro. En tal caso, la dureza puede elevarse hasta, por ejemplo, aproximadamente 11 kN/mm^{2}.

Una cerámica de óxido de aluminio de alta pureza podría resistir un proyectil de esta clase, ya que ésta presenta una dureza de más de aproximadamente 16,6 kN/mm^{2}. Igualmente, es posible emplear otros materiales cerámicos, por ejemplo el carburo de silicio, carburo de boro o bien diboruro de titanio ya mencionados, cuya dureza es netamente más alta.

Asimismo, es conocido emplear óxido de aluminio o boruros de titanio reforzados con zirconio. Sin embargo, se tiene que emplear en la fabricación un procedimiento de prensado en caliente para obtener las propiedades óptimas. A este fin, se compacta el polvo del respectivo material de partida y se le calienta en una tobera de grafito bajo atmósfera de gas protector. A causa del complicado procedimiento de fabricación, los costes de una placa de blindaje individual son consiguientemente altos.

Atendiendo a la relación precio-prestaciones, se considera hasta ahora el óxido de aluminio como material cerámico de elección.

Mientras tanto, se han acometido unos primeros intentos de utilizar, en lugar de las cerámicas convencionales, materiales compuestos de matriz cerámica reforzados con fibras para la protección contra proyectiles. Así, se han realizado ensayos con materiales compuestos de SiC/SiC. Estos han mostrado un daño limitado del material por efecto del proyectil que hace impacto, de modo que se proporciona con el material una protección contra disparos múltiples de un arma automática (multiimpacto). No obstante, la acción de protección contra proyectiles era bastante pequeña en comparación con las cerámicas conocidas (Orsini y Cottenot, XV Simposio Internacional sobre Balística, Jerusalén, 1995).

Se conoce por el documento DE 198 31 725 una placa de blindaje de gran dureza junto con alta resistencia y elasticidad para misiles, que comprende una capa compuesta de cerámica-fibra de carbono que se ha fabricado a partir de una resina enriquecida con fibras cortas de carbono. Además, en el espacio de la resina están distribuidas al azar otras fibras largas de carbono, por ejemplo en forma de lazos, o bien estas fibras están dispuestas en forma de un tejido. Las fibras cortas son fibras de carbono de módulo alto o ultraalto y las fibras de carbono adicionales son altamente dilatables. La capa compuesta de fibras de carbono se ha carbonizado y sinterizado con carburo de silicio. Eventualmente, la capa compuesta de cerámica-fibras de carbono está provista, en su lado delantero, de una capa de plástico elástica y/o, en su lado trasero, de una capa de retenida hecha de un material compuesto fibroso o de un material compuesto de fibras-goma.

Se conoce por el documento EP 1 008 569 publicado posteriormente un procedimiento para fabricar un material de carburo de silicio reforzado con fibras de carbono que comprende los pasos siguientes:

a) mezclado de fibras o haces de fibras trituradas y revestidas con un polvo seco de resina fenólica, habiéndose realizado el revestimiento de las mechas de fibras de carbono o de los haces de fibras con resina epoxídica y/o glicerina y/o resina de furfurilo y/o silanos, con un secado y endurecimiento subsiguientes;

b) conformación bajo presión y/o temperatura;

c) desmoldeo después del endurecimiento;

d) infiltración de una masa fundida de silicio a temperaturas por encima del punto de fusión del silicio en vacío o bajo atmósfera de gas protector.

Entre las posibilidades de uso de este material se relaciona también la protección balística. Sin embargo, no se mencionan dispositivos de protección balística que comprendan una combinación del material cerámico reforzado con fibras y un respaldo.

El documento US 5 114 772, que forma una base para las reivindicaciones 1 y 7 independientes, describe un material multicapa para la protección contra proyectiles, que representa una combinación de un material compuesto cerámico reforzado con fibras y un gran número de componentes cerámicos sinterizados individuales de manera semejante a la construcción de segmentos ya descrita anteriormente. Los elementos cerámicos tienen, por ejemplo, forma de placas y cubren el lado delantero del material compuesto cerámico reforzado con fibras, o bien tienen forma de plaquitas o de bolas y están incrustados en la capa de material compuesto reforzada con fibras, o bien tienen la forma de esquirlas y se introducen perforando en el material compuesto reforzado con fibras. Materiales adecuados para los elementos cerámicos sinterizados son carburo de silicio, óxido de aluminio o nitruro de boro. El material reforzado con fibras puede ser, por ejemplo, un material cerámico reforzado con fibras de carbono y dotado de una matriz de SiC producida por infiltración, o bien un material con matriz de SiC y fibras de refuerzo de SiC (material compuesto de SiC/SiC). Se proponen también materiales reforzados con fibras de carbono o fibras de cerámica y dotados de una matriz que contiene óxido de aluminio, carburo de zirconio o carburo de boro. La capa de material compuesto cerámico reforzado con fibras no está directamente expuesta al disparo en el documento US 5 114 772. No está previsto un respaldo de metal o de tejido.

Frente a esto, el cometido de esta invención consiste en encontrar un material cerámico para estructuras compuestas que constan de un respaldo de tejido o metal y de una placa hecha de un material compuesto cerámico reforzado con fibras, con un pequeño peso específico, que presente una buena resistencia a los disparos y que aguante también una serie de disparos repetidos.

La solución de estos problemas reside en una estructura compuesta que consta de un respaldo de metal o tejido y de una placa de al menos 2,4 mm de espesor, hecha de un material cerámico reforzado con fibras y dotado de una matriz que contiene 55 a 80% en peso de carburo de silicio, 10 a 40% en peso de carbono y 2 a 20% en peso de silicio, referido a la masa total del material compuesto, siendo la proporción de fibras del material compuesto de 8 a 30% en peso, referido al peso total. La longitud media de las fibras de refuerzo es de 0,5 a 5 mm y las fibras están revestidas con al menos una capa de carbono grafitizado.

El espesor de los elementos empleados consistentes en el material compuesto reforzado con fibras puede reducirse especialmente en estructuras compuestas según la invención, en las que los elementos presentan un refuerzo del lado posterior (llamado también respaldo) que casi siempre va pegado.

En particular, los elementos y estructuras compuestas según la invención se emplean como componentes estructurales. Sirven aquí para aplicaciones de blindaje, entre otras, en la construcción de vehículos de naturaleza tanto civil como militar, incluyendo tanques, la construcción de automóviles, la construcción de aeronaves, por ejemplo helicópteros y aviones, la construcción de barcos y la construcción de vehículos ferroviarios. Es posible también el blindaje de objetos estacionarios, tales como, por ejemplo, edificios y cámaras acorazadas, con los elementos y estructuras compuestas según la invención, por ejemplo como componente estructural. Asimismo, los elementos y estructuras compuestas según la invención pueden utilizarse también en chalecos antibalas.

Con un diseño correspondiente de los elementos y estructuras compuestas según la invención se pueden absorber también con éstos los proyectiles que se presenten en la navegación espacial, de modo que es posible también un uso para proteger vehículos espaciales.

Mediante el uso de los elementos y estructuras compuestas descritos es posible especialmente que se absorba una carga debida, por ejemplo, a metralla de granadas o al disparo de, por ejemplo, proyectiles de cualquier naturaleza, sin que el cuerpo compuesto se rompa o estalle en varios pedazos. Este comportamiento es enteramente sorprendente y no podía ser esperado, especialmente porque era suficientemente conocido que los materiales de cerámica no reforzados con fibras presentan un comportamiento relativamente quebradizo y, por tanto, al disparar contra una placa de este material quebradizo, ésta se fragmenta en varios pedazos. Cuando los elementos y los elementos reforzados en su lado posterior presentan un menor espesor, se puede presentar una perforación por efecto del disparo, pero sin que se presente al mismo tiempo una fragmentación o descomposición en astillas no deseada en materiales cerámicos convencionales.

Dado que los elementos y estructuras compuestas según la invención no estallan en pedazos bajo una carga puntual, se tiene que, en contraposición a los blindajes conocidos a base de cerámica, ofrecen también protección contra disparos múltiples. Por tanto, los elementos según la invención hechos de materiales compuestos reforzados con matriz cerámica pueden utilizarse también como blindaje con mayores dimensiones que las conocidas por las cerámicas utilizadas hasta ahora. Frente a éstas, los elementos y estructuras compuestas de tipo enterizo según la invención pueden presentar dimensiones mayores de 3 cm, preferiblemente mayores de 10 cm y de manera especialmente preferida mayores de 30 cm. Son posibles también dimensiones aún mayores para los elementos, de modo que con ellos se pueden sustituir como protección de blindaje, por ejemplo, partes de vehículos automóviles.

Además, los elementos y estructuras compuestas según la invención muestran también un comportamiento muy bueno durante el disparo con armas automáticas (propiedades multiimpacto), ya que el material es debilitado sólo directamente en la zona del disparo.

El material compuesto reforzado con fibras y dotado de matriz cerámica de los elementos según la invención es adecuado para la absorción esencial de una carga puntual del tipo de choque y, por tanto, puede utilizarse para los más diferentes tipos en la técnica de protección. Técnicamente interesante es en particular el uso de los elementos y estructuras compuestas en forma de placas de blindaje, especialmente para automóviles. Así, por ejemplo, es posible fabricar partes de carrocería o refuerzos de carrocería para aviones, artefactos voladores, trenes o bien automóviles a base de este material compuesto y obtener así vehículos que son completamente seguros frente a disparos, sin que se incremente mucho el peso de los mismos.

Asimismo, es posible revestir, por ejemplo, la zona del suelo de la cabina de un helicóptero mediante el uso de los materiales compuestos reforzados con fibras.

Una protección semejante frente a disparos puede ser conferida también a los barcos, los cuales pueden fabricarse al menos en parte a base de este material.

Asimismo, es posible utilizar el material compuesto reforzado con fibras para la protección de edificios, búnkeres y campos de alojamiento, por ejemplo campos de almacenaje de carburante o campos de alojamiento de personas (campamentos de tiendas), pero también instalaciones de telecomunicación o estaciones de radar, sin que tengan que emplearse para ello materiales caros o muy pesados.

Por supuesto, según la invención, es posible también emplear los materiales compuestos reforzados con fibras como protección contra metralla, especialmente como protección frente a metralla de granadas. En este caso, el espesor de una placa de protección de este material compuesto puede hacerse incluso más pequeño que en el caso de la protección frente a proyectiles.

El uso de los materiales compuestos de matriz cerámica reforzados con fibras comprende también la protección en el sector civil, por ejemplo en forma de una pieza inserta para chalecos antibalas o en general para ropa que se lleva en el cuerpo humano.

Asimismo, es posible obtener mediante el uso descrito según la invención una protección de componente de estaciones espaciales, por ejemplo frente a impactos de meteoritos.

Los materiales compuestos reforzados con fibras, empleados según la invención, se caracterizan especialmente porque se conserva mucho tiempo la estructura de los sólidos durante la acción de la energía. La energía actuante se transforma entonces dentro del material.

Además, los elementos y estructuras compuestas empleados según la invención se caracterizan por un peso específico especialmente reducido. Mientras que los materiales cerámicos conocidos, como óxido de aluminio, presentan un peso específico relativamente alto (el peso específico del óxido de aluminio es de 3,8 g/cm^{3}), los materiales compuestos empleados según la invención tienen un peso específico netamente menor de tan sólo 2,0 a 2,7 g/cm^{3}, especialmente 2,3 a 2,4 g/cm^{3}. Esto significa que los materiales compuestos empleados según la invención presentan especialmente un peso específico considerablemente más bajo que el de los aceros balísticos metálicos empleados hasta ahora, que presentan una densidad de aproximadamente 7,8 g/cm^{3}. Sin embargo, su peso específico es también más bajo que el de las cerámicas de óxido de aluminio conocidas. Esto hace posible también un neto potencial de ahorro de peso cuando se empleen estos materiales en la construcción de vehículos, de aviones y de barcos y también en la protección de personas.

Los cuerpos compuestos empleados según la invención se caracterizan por un comportamiento de fractura muy bueno, tal como se ha podido observar en los ensayos de disparo presentados más adelante. La energía de impulso mecánico de un proyectil actuante sobre el material es absorbida en el cuerpo compuesto por medio de efectos interiores consumidores de energía, induciéndose en las zonas de la matriz entre las fibras unas microfisuras que absorben paulatinamente la energía de los proyectiles. En este caso, se produce un aplanamiento o una formación de seta de los proyectiles que hacen impacto, frenándose el proyectil y efectuándose una transformación de la energía cinética en energía de formación de fisuras.

Aparte de fibras de carbono y de grafito pueden emplearse también como fibras unas fibras técnicamente equivalentes, tales como fibras de óxido de aluminio, nitruro de silicio y Si/B/C/N, las cuales se indican, por ejemplo, en el documento DE 197 11 829 C1. Estas pueden estar contenidas, adicionalmente o en lugar de las fibras de carbono y grafito, en el material compuesto de los elementos y estructuras compuestas según la invención. Se utilizan preferiblemente fibras a base de silicio, carbono, boro, nitrógeno, aluminio o mezclas de éstos.

En principio, al seleccionar las fibras debe satisfacerse el criterio de que estas fibras sean fibras altamente resistentes al calor y, por tanto, puedan aguantar temperaturas de hasta aproximadamente 1600ºC para que no resulten rápidamente dañadas en caso de que se produzca la infiltración de las mismas con materiales fundidos. Los materiales convencionales no presentan una protección de las fibras (envoltura), de modo que, por ejemplo, las fibras de carbono no protegidas son atacadas por la infiltración con silicio y es imposible obtener un material dúctil. Por tanto, las fibras empleadas según la invención presentan ventajosamente un revestimiento protector. Este consiste preferiblemente en al menos una capa de carbono o de grafito que se origina por coquización de, por ejemplo, resinas artificiales y/u otras materias dispensadoras de carbono y, a ser posible, por grafitización subsiguiente. Se prefieren especialmente varias capas de protección de carbono o grafito. La fabricación de una fibra de esta clase provista de una envoltura o envolturas protectoras es conocida, por ejemplo, por el documento DE 197 10 105 A1.

Aparte de fibras cortas, en los materiales compuestos de los elementos según la invención se pueden emplear también fibras de una longitud mayor. En principio, no existe ninguna limitación en cuanto a la longitud de las fibras. Si se introducen fibras cortas (longitudes de fibra de hasta 4 mm) y fibras de mayor longitud en el material compuesto, sobre todo las fibras más largas contribuyen al refuerzo del material. Por tanto, la proporción de estas fibras más largas se denomina fibra de refuerzo en lo que sigue y en las reivindicaciones. En el caso de materiales compuestos que contienen solamente fibras cortas, éstas son las fibras de refuerzo. El grosor en haz de las fibras (en rigor, haces de fibras) es usualmente de 1.000 a 920.000 filamentos. Las fibras de los elementos según la invención tienen preferiblemente un grosor en haz de 1 a 3.000 filamentos.

Como material de partida para las fibras puede emplearse también un polímero orgánico, tal como, por ejemplo, poliacrilonitrilo o celulosa, a partir del cual puedan obtenerse estructuras planas tales como tejidos o velos, tal como se ha descrito en el documento DE 195 17 911 A1. Si se emplea celulosa, se hace que ésta se vuelva infusible en un procedimiento previo. Es posible también emplear polímeros inorgánicos que se hilen formando velos. Como materiales pueden mencionarse polisilanos, polisilazanos, carbosilanos que se hacen infusibles o velos de silazanos que contienen boro. Es favorable que se impregnen tejidos con sustancias de baja viscosidad, como alcohol furfurílico, polifenileno, poliimidas o poliacrilatos, para lograr una buena humectación.

Aparte de carburo de silicio, los materiales compuestos empleados según la invención presentan también en la matriz fases de silicio y carbono, y de manera especialmente preferida la matriz incluye solamente fases de carburo de silicio, silicio y carbono.

El material compuesto de los elementos y estructuras compuestas según la invención incluye al menos 10% en peso de carburo de silicio, referido a la masa total, ventajosamente 20% en peso y de manera especialmente preferida 30% en peso. La proporción de las fibras en la masa total deberá ser de al menos 5% en peso y preferiblemente incluso 10%, y es especialmente ventajosa una proporción de las fibras de más de 15% en peso. Asimismo, es muy ventajoso que el material compuesto de los elementos y estructuras compuestas según la invención presente un comportamiento de fractura dúctil.

Para emplear también los elementos y estructuras compuestas según la invención como protección contra la perforación por proyectiles de grueso calibre, se emplean materiales compuestos reforzados con fibras y dotados de las propiedades siguientes.

Se consigue una buena protección cuando el material compuesto incluye, referido a su masa total, 55 a 80% en peso y de manera especialmente preferida 65 a 75% en peso de carburo de silicio, 10 a 40% en peso y de manera especialmente preferida 15 a 25% en peso de carbono (incluyendo fibras) y 2 a 20% en peso y de manera especialmente preferida 5 a 15% en peso de silicio. La proporción de las fibras, referido al peso total, deberá ser aquí de 8 a 30% en peso y de manera especialmente preferida de 10 a 20% en peso. Además, la longitud media de las fibras de refuerzo está situada aquí entre 0,5 mm y 5 mm y de manera especialmente preferida entre 1 mm y 2 mm. Por otra parte, las fibras están revestidas al menos con una capa de carbono.

Un elemento hecho de un material compuesto de esta clase impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 942,9 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 20 mm a 100 mm, preferiblemente 24 mm a 60 mm y de manera especialmente preferida 28 mm a 40 mm. Este elemento impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.510 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 25 mm a 100 mm, preferiblemente 28 mm a 70 mm y de manera especialmente preferida 36 mm a 50 mm. Además, dicho elemento impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.805 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 32 mm a 100 mm, preferiblemente 36 mm a 80 mm y de manera especialmente preferida 40 mm a 60 mm.

Asimismo, un elemento hecho de un material compuesto de esta clase impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta cónica con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de acero con una masa de hasta 10,2 g y una velocidad del proyectil de hasta 430 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 20 mm a 100 mm, preferiblemente 24 mm a 60 mm y de manera especialmente preferida 28 mm a 40 mm. Este elemento impide la penetración de proyectiles de cabeza plana con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 15,6 g y una velocidad del proyectil de hasta 440 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 25 mm a 100 mm, preferiblemente 28 mm a 70 mm y de manera especialmente preferida 36 mm a 50 mm. Además, dicho elemento impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta con un núcleo blando de plomo con penetrador de acero y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 4,0 g y una velocidad del proyectil de hasta 950 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 32 mm a 100 mm, preferiblemente 36 mm a 80 mm y de manera especialmente preferida 40 mm a 60 mm.

Una estructura compuesta que consta de un elemento hecho de un material compuesto de esta clase y un tejido de fibras de refuerzo que presenta preferiblemente un espesor de hasta 15 mm, estando dicho elemento y dicho tejido unidos uno con otro por medio de un material adhesivo, impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 942,9 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 3,2 mm a 30 mm, preferiblemente 4,5 mm a 25 mm y de manera especialmente preferida 6 mm a 20 mm. Esta estructura compuesta impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.510 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 4 mm a 40 mm, preferiblemente 5,5 mm a 30 mm y de manera especialmente preferida 7,5 mm a 25 mm. Además, dicha estructura impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.805 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 4,8 mm a 50 mm, preferiblemente 6 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 8 mm a 30 mm. La estructura compuesta impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 2.105 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 5,5 mm a 50 mm, preferiblemente 7 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 10 mm a 30 mm. Dicha estructura impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 3.272 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 8 mm a 50 mm, preferiblemente 10 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 12 mm a 30 mm.

Asimismo, una estructura compuesta que consta de un elemento hecho de un material compuesto de esta clase y un tejido de fibras de refuerzo que presenta preferiblemente un espesor de hasta 15 mm, estando dicho elemento y dicho tejido unidos uno con otro por medio de un material adhesivo, impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta cónica con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de acero con una masa de hasta 10,2 g y una velocidad de proyectil de hasta 430 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 3,2 mm a 30 mm, preferiblemente 4,5 mm a 25 mm y de manera especialmente preferida 6 mm a 20 mm. Esta estructura impide la penetración de proyectiles de cabeza plana con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 15,6 g y una velocidad de proyectil de hasta 440 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 4 mm a 40 mm, preferiblemente 5,5 mm a 30 mm y de manera especialmente preferida 7,5 mm a 25 mm. Además, dicha estructura impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta con un núcleo blando de plomo con penetrador de acero y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 4,0 g y una velocidad de proyectil de hasta 950 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 4,8 mm a 50 mm, preferiblemente 6 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 8 mm a 30 mm. La estructura impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta cónica con un núcleo blando de plomo y un penetrador de acero y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 7,9 g y una velocidad del proyectil de hasta 730 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 5,5 mm a 50 mm, preferiblemente 7 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 10 mm a 30 mm. La estructura compuesta impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de acero con una masa de hasta 9,5 g y una velocidad de proyectil de hasta 830 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 8 mm a 50 mm, preferiblemente 10 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 12 mm a 30 mm.

Se consigue una protección especialmente buena cuando el material compuesto, referido a su masa total, incluye 55 a 80% en peso y preferiblemente 65 a 75% en peso de carburo de silicio, 10 a 40% en peso y preferiblemente 15 a 25% en peso de carbono (incluyendo fibras) y 2 a 20% en peso y preferiblemente 5 a 15% en peso de silicio. La proporción de fibras, referido al peso total, deberá ser aquí de 8 a 30% en peso y preferiblemente 10 a 20% en peso. Asimismo, la longitud media de las fibras de refuerzo está situada aquí entre 0,5 mm y 5 mm y preferiblemente entre 1 mm y 2 mm. Además, las fibras están revestidas al menos con una capa de carbono grafitizado.

Un elemento hecho de un material compuesto de esta clase impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 942,9 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 15 mm a 100 mm, preferiblemente 19 mm a 60 mm y de manera especialmente preferida 23 mm a 40 mm. Dicho elemento impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.510 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 20 mm a 100 mm, preferiblemente 25 mm a 70 mm y de manera especialmente preferida 30 mm a 50 mm. Además, este elemento impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.805 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 25 mm a 100 mm, preferiblemente 31 mm a 80 mm y de manera especialmente preferida 37 mm a 60 mm.

Asimismo, un elemento hecho de un material compuesto de esta clase impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta cónica con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de acero con una masa de hasta 10,2 g y una velocidad del proyectil de hasta 430 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 15 mm a 100 mm, preferiblemente 19 mm a 60 mm y de manera especialmente preferida 23 mm a 40 mm. Dicho elemento impide la penetración de proyectiles de cabeza plana con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 15,6 g y una velocidad del proyectil de hasta 440 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 20 mm a 100 mm, preferiblemente 25 mm a 70 mm y de manera especialmente preferida 30 mm a 50 mm. Además, este elemento impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta con un núcleo blando de plomo con penetrador de acero y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 4,0 g y una velocidad del proyectil de hasta 950 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 25 mm a 100 mm, preferiblemente 31 mm a 80 mm y de manera especialmente preferida 37 mm a 60 mm.

Una estructura compuesta que consta de un elemento hecho de un material compuesto de esta clase y un tejido de fibras de refuerzo que presenta preferiblemente un espesor de hasta 15 mm, estando dicho elemento y dicho tejido unidos uno con otro por medio de un material adhesivo, impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 942,9 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 2,4 mm a 30 mm, preferiblemente 3,5 mm a 25 mm y de manera especialmente preferida 5 mm a 20 mm. Dicha estructura impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.510 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 3 mm a 40 mm, preferiblemente 4,5 mm a 30 mm y de manera especialmente preferida 6,5 mm a 25 mm. Además, esta estructura impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.805 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 3,6 mm a 50 mm, preferiblemente 5 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 7 mm a 30 mm. La estructura compuesta impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 2.105 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 4 mm a 50 mm, preferiblemente 6 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 8 mm a 30 mm. Dicha estructura impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 3.272 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 6 mm a 50 mm, preferiblemente 7,5 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 9 mm a 30 mm.

Asimismo, una estructura compuesta que consta de un elemento hecho de un material compuesto de esta clase y un tejido de fibras de refuerzo que presenta preferiblemente un espesor de hasta 15 mm, estando dicho elemento y dicho tejido unidos uno con otro por medio de un material adhesivo, impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta cónica con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de acero con una masa de hasta 10,2 g y una velocidad del proyectil de hasta 430 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 2,4 mm a 30 mm, preferiblemente 3,5 mm a 25 mm y de manera especialmente preferida 5 mm a 20 mm. Esta estructura impide la penetración de proyectiles de cabeza plana con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 15,6 g y una velocidad del proyectil de hasta 440 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 3 mm a 40 mm, preferiblemente 4,5 mm a 30 mm y de manera especialmente preferida 6,5 mm a 25 mm. Además, dicha estructura impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta con un núcleo blando de plomo con penetrador de acero y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 4,0 g y una velocidad de proyectil de hasta 950 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 3,6 mm a 50 mm, preferiblemente 5 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 7 mm a 30 mm y también de manera especialmente preferida 8 mm a 30 mm. La estructura compuesta impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta cónica con un núcleo blando de plomo y un penetrador de acero y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 7,9 g y una velocidad del proyectil de hasta 730 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 4 mm a 50 mm, preferiblemente 6 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 8 mm a 30 mm. Esta estructura impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de acero con una masa de hasta 9,5 g y una velocidad del proyectil de hasta 830 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 6 mm a 50 mm, preferiblemente 7,5 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 9 mm a 30 mm.

Se consigue una excelente protección cuando el material compuesto, referido a su masa total, incluye 65 a 75% en peso de carburo de silicio, 15 a 25% en peso de carbono (incluyendo fibras) y 5 a 15% en peso de silicio. La proporción de fibras, referido al peso total, deberá ser aquí de 10 a 20% en peso. Asimismo, la longitud media de las fibras de refuerzo está situada aquí entre 1 mm y 2 mm. Además, las fibras están revestidas al menos con tres capas de carbono grafitizado.

Un elemento hecho de un material compuesto de esta clase impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 942,9 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 12 mm a 100 mm, preferiblemente 15 mm a 60 mm y de manera especialmente preferida 18 mm a 40 mm. Este elemento impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.510 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 16 mm a 100 mm, preferiblemente 20 mm a 70 mm y de manera especialmente preferida 24 mm a 50 mm. Además, dicho elemento impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.805 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 20 mm a 100 mm, preferiblemente 24 mm a 80 mm y de manera especialmente preferida 28 mm a 60 mm.

Asimismo, un elemento hecho de un material compuesto de esta clase impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta cónica con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de acero con una masa de hasta 10,2 g y una velocidad del proyectil de hasta 430 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 12 mm a 100 mm, preferiblemente 15 mm a 60 mm y de manera especialmente preferida 18 mm a 40 mm. Este elemento impide la penetración de proyectiles de cabeza plana con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 15,6 g y una velocidad del proyectil de hasta 440 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 16 mm a 100 mm, preferiblemente 20 mm a 70 mm y de manera especialmente preferida 24 mm a 50 mm. Además, dicho elemento impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta con un núcleo blando de plomo con penetrador de acero y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 4,0 g y una velocidad del proyectil de hasta 950 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 20 mm a 100 mm, preferiblemente 24 mm a 80 mm y de manera especialmente preferida 28 mm a 60 mm.

Una estructura compuesta que consta de un elemento hecho de un material compuesto de esta clase y un tejido de fibras de refuerzo que presenta preferiblemente un espesor de hasta 15 mm, estando dicho elemento y dicho tejido unidos uno con otro por medio de un material adhesivo, impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 942,9 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 2 mm a 30 mm, preferiblemente 2,5 mm a 25 mm y de manera especialmente preferida 4 mm a 20 mm. Esta estructura impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.510 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 2,5 mm a 40 mm, preferiblemente 3 mm a 30 mm y de manera especialmente preferida 5,5 mm a 25 mm. Además, dicha estructura impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 1.805 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 3 mm a 50 mm, preferiblemente 4 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 6 mm a 30 mm. La estructura compuesta impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 2.105 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 3,5 mm a 50 mm, preferiblemente 4,5 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 7 mm a 30 mm. Dicha estructura impide la penetración de proyectiles con una energía cinética de hasta 3.272 J cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 5 mm a 50 mm, preferiblemente 6 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 8 mm a 30 mm.

Asimismo, una estructura compuesta que consta de un elemento hecho de un material compuesto de esta clase y un tejido de fibras de refuerzo que presenta preferiblemente un espesor de hasta 15 mm, estando dicho elemento y dicho tejido unidos uno con otro por medio de un material adhesivo, impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta cónica con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de acero con una masa de hasta 10,2 g y una velocidad del proyectil de hasta 430 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 2 mm a 30 mm, preferiblemente 2,5 mm a 25 mm y de manera especialmente preferida 4 mm a 20 mm. Esta estructura impide la penetración de proyectiles de cabeza plana con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 15,6 g y una velocidad del proyectil de hasta 440 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 2,5 mm a 40 mm, preferiblemente 3 mm a 30 mm y de manera especialmente preferida 5,5 mm a 25 mm. Además, dicha estructura impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta con un núcleo blando de plomo con penetrador de acero y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 4,0 g y una velocidad del proyectil de hasta 950 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 3 mm a 50 mm, preferiblemente 4 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 6 mm a 30 mm. La estructura compuesta impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta cónica con un núcleo blando de plomo y un penetrador de acero y una envolvente maciza de cobre con una masa de hasta 7,9 g y una velocidad del proyectil de hasta 730 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 3,5 mm a 50 mm, preferiblemente 4,5 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 7 mm a 30 mm. Esta estructura impide la penetración de proyectiles de cabeza en punta con un núcleo blando de plomo y una envolvente maciza de acero con una masa de hasta 9,5 g y una velocidad del proyectil de hasta 830 m/s cuando el espesor mínimo del elemento paralelamente a la dirección de impacto del proyectil es de 5 mm a 50 mm, preferiblemente 6 mm a 40 mm y de manera especialmente preferida 8 mm a 30 mm.

Además de las fibras, pueden incorporarse también diferentes materiales de relleno en la matriz. Como materiales de relleno son adecuados especialmente siliciuros, carburos, boruros, metales y carbonos, por ejemplo en forma de negro de humo, grafito, coque o mezclas de éstos. Especialmente interesantes aquí son carburos de silicio, B_{4}C, negro de humo, grafito o boruros de zirconio. Se prefiere especialmente el empleo de negro de humo y/o grafito, ya que con esta sustancia se hace posible una buena transformación en SiC. El empleo de B_{4}C es usual actualmente en aplicaciones en las que debe lograrse una alta dureza del cuerpo compuesto. Los boruros de zirconio se emplean a causa de su estabilidad frente a altas temperaturas. Por tanto, son de esperar ventajas en su utilización para los cuerpos compuestos empleados según la invención, especialmente en disparos con munición luminiscente. Sin embargo, si se deben utilizar cuerpos compuestos con un peso específico especialmente bajo, se prefiere emplear materiales de relleno distintos del boruro de zirconio, que tiene una alta densidad.

La cantidad de materiales de relleno que eventualmente han de utilizarse puede determinarse en función de las propiedades del cuerpo compuesto que se han de lograr. Empleando materiales de relleno reaccionantes, tales como negro de humo o grafito, la cantidad es preferiblemente de hasta 40% en peso, referido a la mezcla de partida. Con cantidades mayores se puede presentar una deformación del cuerpo o bien una formación de fisuras. La cantidad es más preferiblemente de hasta 30% en peso. Si se utilizan materiales de relleno no reaccionantes, por ejemplo SiC, son posibles también mayores concentraciones. La proporción de tales materiales de relleno depende sustancialmente de la fragilidad y la dureza que deban ajustarse.

Una ventaja importante del empleo del material compuesto de matriz cerámica reforzado con fibras reside en que los elementos se pueden fabricar directamente en forma del componente estructural deseado, con lo que se pueden evitar pasos de conformación después de la fabricación de los elementos y, por tanto, se obtiene una reducción adicional de costes en la fabricación de, por ejemplo, placas de protección o de blindaje. En vista de la alta resistencia a la rotura de los elementos, no es absolutamente necesario que los elementos según la invención sean provistos de un refuerzo en su lado trasero, pegándose el material de refuerzo, tal como un tejido de fibras (por ejemplo, fibras de aramida) o placas metálicas, sobre el lado trasero del material compuesto para obtener una placa de blindaje resistente a los disparos. Por el contrario, el propio material compuesto puede representar ya esta placa de blindaje. No obstante, el espesor de un elemento hecho de un material compuesto según la invención es mayor que el que se necesita para el elemento cuando se proporcione por medio del refuerzo del lado trasero una estructura compuesta según la invención con el mismo efecto.

La fabricación del material compuesto reforzado al menos en parte con fibras de carbono y/o de grafito y dotado de una matriz cerámica que incluye carburo de silicio puede realizarse, por ejemplo, según los procedimientos conocidos por los documentos DE 197 11 829 C1 o DE 197 10 105 A1. Se hace expresamente referencia a estos dos documentos en lo que concierne al procedimiento de fabricación.

En principio, se pueden utilizar todos los procedimientos conocidos para la fabricación de cerámicas de C/SiC reforzadas con fibras. En los procedimientos anteriormente citados se realizan los pasos de fabricación siguientes para la obtención de materiales compuestos en los que se incorporan fibras individuales (o haces de fibras).

Las fibras incorporadas son pretratadas o fabricadas, por ejemplo, según se describe en los documentos DE 197 11 829 C1 y DE 197 10 105 A1 y se mezclan, con ayuda de un mezclador, con una resina que suministre carbono y se moldean con un molde de prensado dándoles la forma de partida y se endurecen a temperaturas de hasta aproximadamente 150ºC. Los cuerpos moldeados así obtenidos (cuerpos previos de CFC) son pirolizados a temperaturas de hasta aproximadamente 1.000ºC y eventualmente grafitizados a continuación a temperaturas de hasta aproximadamente 2.000ºC.

El cuerpo previo de CFC así obtenido se impregna seguidamente con silicio líquido en vacío a temperaturas de hasta aproximadamente 1.800ºC. Una gran parte del carbono de la matriz se transforma entonces en carburo de silicio por medio de una reacción exoterma con el silicio incorporado. A consecuencia de un pretratamiento especial de las fibras, las fibras de carbono se conservan durante esta reacción y pueden contribuir así a la ductilización de la
cerámica.

Son adecuadas también las estructuras bidimensionales y tridimensionales conocidas de tejido de CFC con alto contenido en volumen de fibras, que se pueden fabricar, entre otras formas, directamente a partir de estructuras planas de fibras de poliacrilonitrilo por medio del procedimiento de oxidación directa y por una pirólisis subsiguiente. En este caso, se realizan especialmente los pasos de procedimiento siguientes.

La estructura de refuerzo de fibras de carbono es introducida en un molde que corresponde a la forma final de deseada. A 130ºC se impregna el cuerpo fibroso con una matriz de resina en vacío y bajo presión y, en caso necesario, se repasa aún dicho cuerpo después de su endurecimiento y desmoldeo.

A continuación se pirolizan los cuerpos previos de CFC así obtenidos a temperaturas de hasta 1.000ºC. Se puede efectuar después una recompactación de este material de CFC con un polímero conteniendo carbono a base de pez o resina en uno o varios pasos, siguiendo a cada paso de recompactación otro paso de pirólisis. Así, se obtiene un material de CFC adecuado para la infiltración siguiente, en el que las fibras de carbono se presentan en forma suficientemente protegida contra el ataque de, especialmente, el silicio líquido. Finalmente, se puede realizar una grafitización del material compuesto de CFC a temperaturas de hasta aproximadamente 2.000ºC.

La siliciación se efectúa en vacío a temperaturas de hasta aproximadamente 1.800ºC.

Mediante los procedimientos concretos anteriormente descritos se pueden obtener, por ejemplo, directamente las formas de puertas de vehículos o determinados componentes de aviones.

Aparte de silicio, entran también en consideración como material de filtración otros materiales que se agreguen al silicio. En principio, los materiales empleados para la infiltración deben estar en condiciones de fundirse en el rango de temperaturas de hasta 1.800ºC. Como otros materiales de infiltración entran en consideración también aluminio, boro, magnesio, nitrógeno, carbono y sus compuestos o mezclas, así como siliciuros. Se pueden infiltrar también exclusivamente siliciuros para formar una matriz que incluye carburo de silicio.

En la fabricación de los cuerpos compuestos se emplea de manera especialmente preferida silicio en calidad de material de infiltración. En el caso de la aportación de otras materias, se prefiere añadir siliciuros al silicio, tales como, por ejemplo, siliciuros de molibdeno, siliciuros de hierro, siliciuros de cromo, siliciuros de tántalo o sus mezclas. Tales materiales pueden variar el punto de fusión del material de infiltración.

Asimismo, es posible también emplear polímeros a base de silicio en calidad de material de infiltración. Ejemplos de tales polímeros son polisilazanos, por ejemplo con contenido de boro.

Se indican seguidamente algunos ejemplos de realización para explicar esta invención con más detalle.

Ejemplos 1 y 2

Fabricación de elementos a base de un material compuesto de matriz cerámica reforzado con fibras

En primer lugar, se fabricó un material preimpregnado de haces de fibras de carbono 3K (3.000 filamentos individuales), habiéndose fabricado las fibras de carbono a base de fibras de PAN. Se prensaron para ello los haces de fibras formando un tejido con ligamento carga y a continuación se empapó el tejido con resina fenólica (tipo resol) y se le dotó con un papel de separación en ambas caras. Seguidamente se calentó el tejido impregnado de resina a 130ºC para obtener la pegajosidad del material preimpregnado.

A continuación, se colocaron las placas de material preimpregnado una sobre otra y se prensaron éstas formando un cuerpo prensado. Se coció éste seguidamente a 900ºC, presentando la curva de cocción un incremento de 5º por minuto en el intervalo comprendido entre 400ºC y 600ºC. A continuación, el cuerpo de CFC así obtenido fue impregnado primero tres veces consecutivas con una brea de alquitrán de hulla de un punto de reblandecimiento de 60ºC y luego fue cocido también a 900ºC para compactarlo en mayor medida.

Seguidamente, el cuerpo de CFC así obtenido fue triturado primero en una machacadora de mordazas (fabricante: firma Alpine Hosokawa) y, a continuación, fue troceado en haces de fibras en un molino de corte (fabricante: firma Alpine Hosokawa). Finalmente, se clasificaron los haces de fibras en una instalación de cribado oscilante (fabricante: firma Allgaier) en fracciones de fibras individuales, presentando los insertos de criba (superficie de cribado 1,15 m^{2}) una anchura interna de malla de 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm y 6 mm según ISO 9044. Como resultado de este proceso de cribado se obtuvieron diferentes fracciones de fibras, con lo que se presentaron, entre otras, la fracción A con fibras de una longitud de 12,45 mm a 17,55 mm y una anchura de 660 \mum a 2,26 mm, una fracción B con fibras de una longitud de 8,5 mm a 13,5 mm y una anchura de 690 \mum a 2,21 mm, una fracción C con fibras de una longitud de 5,5 mm a 10,5 mm y una anchura de 760 \mum a 2,16 mm, una fracción D con fibras de una longitud de 0,2 mm a 2 mm y una anchura de 200 \mum a 1 mm, una fracción E con fibras de una longitud de 0,1 mm a 3 mm y una anchura de 50 a 500 \mum, y una fracción F con fibras de una longitud de hasta 0,3 mm y una anchura de 8 a 200 \mum.

Seguidamente, se fabricaron para muestras del Ejemplo 1 una mezcla 1 de 70% de la masa total de fibras según la composición de 35% de la fracción D, 35% de la fracción E y 30% de la fracción F y, como aglutinante, 30% de la masa total de resina fenólica (tipo resol) y para muestras del Ejemplo 2 una mezcla 2 de 70% de la masa total de fibras según la composición de 12% de la fracción A, 18% de la fracción B, 40% de la fracción C y 30% de la fracción D y, como aglutinante, 21% de la masa total de resina fenólica (tipo resol) y 9% de masa total de brea de alquitrán de hulla (punto de reblandecimiento: 230ºC), en un amasador de brazos en Z (fabricante: firma Werner & Pfleiderer), por mezclado durante 15 minutos a un número de revoluciones de 30 l/min. A continuación, se prensaron 1.200 g de la mezcla 1 en una prensa de estampación con una forma de prensado cuadrada de una longitud de los lados de 325 mm a una presión específica de 12 Kp/cm^{2} y a una temperatura de 130ºC. Esta temperatura se mantuvo durante 3 h a presión de prensado constante. Después del enfriamiento a 30ºC, se extrajo la placa endurecida del molde de prensado. Mediante este modo de proceder se obtuvo una placa de CFC con una altura (de espesor) de 10 mm y una densidad de 1,2 g/cm^{3}.

Se obtuvieron análogamente a partir de 5.100 g de la mezcla 2 unas placas con un espesor de 38 mm y una densidad de 1,18 g/cm^{3}.

Seguidamente, se efectuó la carbonización de las muestras a 900ºC bajo protector (tasa de calentamiento de 2 K/min). El enfriamiento de las placas a la temperatura ambiente se realizó sin regulación a razón de hasta 10 K/min. Después de la carbonización, las placas presentaron densidades de 1,05 g/cm^{3} (Ejemplo 1) y 1,03 g/cm^{3} (Ejemplo 2).

Finalmente, se realizó la infiltración de las muestras a 1.700ºC con silicio líquido, en vacío, en un horno de alta temperatura bajo una oferta de silicio (tamaño de grano de hasta 5 mm) de una vez y media la masa de la muestra, con lo que se genera la estructura de SiC de la matriz de las muestras. En este caso, la siliciación se efectuó primero con un aumento de temperatura de 10 K/min hasta 1.400ºC y luego con 5 K/min hasta 1.800ºC. Se mantuvo seguidamente la temperatura durante 45 min, se efectuó luego una disminución de la temperatura con 5 K/min hasta 1.400ºC y a continuación se realizó un enfriamiento sin regulación. Los materiales compuestos de C/SiC así obtenidos presentaban densidades de 2,4 g/cm^{3} y 2,35 g/cm^{3}. Las placas así fabricadas a base del material compuesto de C/SiC del Ejemplo 1 presentaban una proporción de fibras de un 15% de la masa total y una composición, referido a la masa total, de 68% de carburo de silicio, 22% de carbono y 10% de silicio. La longitud media de las fibras fue de 1,5 mm. Las placas hechas del material compuesto de C/SiC del Ejemplo 2 presentaban una proporción de fibras del 17% de la masa total y una composición, referido a la masa total, de 58% de carburo de silicio, 31% de carbono y 11% de silicio. La longitud media de las fibras de refuerzo fue de 10 mm.

Ejemplo 3

Fabricación de un elemento a base de un material compuesto reforzado con fibras y dotado de una matriz cerámica con un refuerzo del lado posterior

Las placas fabricadas según el Ejemplo 1 con un espesor de 10 mm fueron provistas adicionalmente - para utilizarlas en la protección contra disparos - de un sistema de revestimiento convencional del lado posterior (respaldo). A este fin, se trató primero el lado posterior de la placa cerámica con chorros de arena de cuarzo y seguidamente se pegaron diez capas de tejido de fibra de aramida T 750 (Akzo Nobel, Alemania) con el pegamento de PUR SIKAFLEX® 255 FC (fabricante: Sika Chemie GmbH, Alemania) y con un imprimador de adherencia aplicado sobre el lado posterior de la placa de C/SiC.

Resultados de ensayos de disparo

Con los elementos hechos de materiales compuestos reforzados con fibras y dotados de una matriz cerámica con revestimiento del lado posterior según el Ejemplo 3 y sin revestimiento del lado posterior según el Ejemplo 2 se realizaron ensayos de disparo. El procedimiento de prueba consistió en una prueba de penetración por disparos según la euronorma DIN EN 1523. Los requisitos de prueba residían en una inhibición de la penetración de disparo en las clases de resistencia según la Tabla 1 de la euronorma DIN EN 1522. Para la realización del ensayo se sujetaron las placas en un armazón, fijándose la muestra de prueba bajo un ángulo de 90ºC con la dirección de disparo. La distancia de disparo fue de 5 y 10 m. La distancia entre los impactos fue de 120 mm \pm 10 mm.

En primer lugar, se realizaron ensayos de disparo en placas con las dimensiones de 325 mm x 278 mm x 38 mm que se habían fabricado a partir de placas según el Ejemplo 2. Se encontró que las placas aguantaban los ensayos de disparo siguientes, descargándose al menos cada vez tres disparos sobre una placa.

Ensayo 1

Clase de disparo FB 3

Como arma se empleó la clase de arma "cañón de prueba" con un calibre 357 Magnum, y el proyectil presentada una envolvente maciza de acero, una cabeza en punta cónica y un núcleo blando de plomo. El peso del proyectil era de 10,2 g. La distancia de prueba fue de 5 m. La velocidad del proyectil ascendió a 430 m/s y la energía del proyectil a 942,9 J.

Ensayo 2

Clase de disparo FB 4

Como arma se empleó la clase de arma "cañón de prueba" con un calibre 44 Rem. Mgnum y el proyectil presentada una envolvente maciza de cobre, una cabeza plana y un núcleo blando de plomo. El peso del proyectil era de 15,6 g. La distancia de prueba fue de 5 m. La velocidad del proyectil ascendió a 440 m/s y la energía del proyectil a 1.510 J.

Se puso de manifiesto que en este ensayo las placas son resistentes a disparos múltiples, aun cuando los proyectiles impacten a una distancia de 50 m, lo que corresponde a la acción de armas automnáticas (aptitud multiimpacto).

Ensayo 3

Clase de disparo FB 5

Como arma se empleó la clase de arma "cañón de prueba" con un calibre de 5,56 mm x 45 mm, y el proyectil presentada una envolvente maciza de cobre, una cabeza en punta y un núcleo blando de plomo con penetrador de acero (tipo SS 109). El peso del proyectil era de 4,0 g. La distancia de prueba fue de 10 m. La velocidad del proyectil ascendió a 950 m/s y la energía del proyectil a 1.805 J.

En todos estos ensayos de disparo sobre los elementos de protección de formato grande hechos del material compuesto de C/SiC no se manifestó ninguna fisura en los elementos que impida un empleo adicional de éstos como protección.

Además, se expusieron a los ensayos de disparo unos elementos con la dimensión de 300 mm x 300 mm según el Ejemplo 3 que presentaban una placa de material compuesto S/SiC de sólo 10 mm de espesor y un refuerzo del lado posterior.

Ensayo 4

Clase de disparo FB 3

Ensayo 5

Clase de disparo FB 4

Como arma se empleó la clase de arma "cañón de prueba" con un calibre 44 Rem. Magnum, y el proyectil presentada una envolvente maciza de cobre, una cabeza plana y un núcleo blando de plomo. El peso del proyectil era de 15,6 g.
La distancia de prueba fue de 5 m. La velocidad del proyectil ascendió a 440 m/s y la energía del proyectil a 1.510 J.

Se puso de manifiesto que en este ensayo las placas son resistentes a disparos múltiples, aun cuando los proyectiles impacten a una distancia de 50 mm, lo que corresponde a la acción de armas automáticas (aptitud multiimpacto).

Ensayo 6

Clase de disparo FB 4+

Como arma se empleó una Kalaschnikow AK 47 con un calibre de 7,62 mm x 39 mm, y el proyectil presentaba una envolvente maciza de plomo, una cabeza en punta cónica y un núcleo blando de plomo con penetrador de acero. El peso del proyectil era de 7,9 g. La distancia de prueba fue de 10 m. La velocidad del proyectil ascendió a 730 m/s y la energía del proyectil a 2.105 J.

Ensayo 7

Clase de disparo FB 5

Como arma se empleó la clase de arma "cañón de prueba" con un calibre de 5,56 mm x 45 mm, y el proyectil presentaba una envolvente maciza de cobre, una cabeza en punta y un núcleo blando de plomo con penetrador de acero (tipo SS 109). El peso del proyectil era de 4,0 g. La distancia de prueba fue de 10 m. La velocidad del proyectil ascendió a 950 m/s y la energía del proyectil a 1.805 J.

Ensayo 8

Clase de disparo FB 6

Como arma se empleó la clase de arma "cañón de prueba" con un calibre de 7,62 mm x 51 mm, y el proyectil presentaba una envolvente maciza de acero, una cabeza en punta y un núcleo blando de plomo. El peso del proyectil era de 9,5 g. La distancia de prueba fue de 10 m. La velocidad del proyectil ascendió a 830 m/s y la energía del proyectil a 3.272 J.

En estos ensayos de disparo sobre los elementos de protección de formato grande a base del material compuesto de C/SiC con refuerzo del lado posterior no se puso tampoco de manifiesto ninguna fisura en los elementos que impida un uso posterior de los mismos como protección.

La temperatura ambiente en las pruebas de disparo era de 20 a 22ºC.

Sobre la base de los resultados anteriores puede apreciarse que se puede disparar sobre elementos hechos de materiales compuestos de C/SiC con y sin refuerzo del lado posterior, sin que estos elementos se rompan en pedazos. Las placas muestran aquí una estabilidad incluso bajo altos requisitos. En particular, el espesor de las placas C/SiC en el caso de un refuerzo del lado posterior según la técnica convencional puede elegirse tan pequeño que se proporcione también una utilización económica y, no obstante, se garantice una alta seguridad.

Claims

1. Estructura compuesta que consta de un respaldo seleccionado de placas metálicas y un tejido de fibras, pegado sobre una placa de un espesor de al menos 2,4 mm, hecha de un material compuesto de matriz cerámica reforzado con fibras de carbono y/o de grafito, que contiene 55 a 80% en peso de carburo de silicio, 10 a 40% en peso de carbono y 2 a 20% en peso de silicio, referido a la masa total del material compuesto, siendo la proporción de fibras del material compuesto de 8 a 30% en peso, referido al peso total, siendo la longitud media de las fibras de 0,5 mm a 5 mm y estando las fibras revestidas con al menos una capa de carbono grafitizado.

2. Estructura compuesta según la reivindicación 1, caracterizada porque el respaldo es un tejido de fibras de aramida.

3. Estructura compuesta según la reivindicación 1 ó 2, en la que el espesor del tejido de respaldo es de hasta 15 mm.

4. Estructura compuesta según la reivindicación 1, caracterizada porque en el material compuesto están contenidas, además, fibras con una longitud superior a 4 mm.

5. Estructura compuesta según la reivindicación 1, caracterizada porque el material compuesto contiene, además, materiales de relleno seleccionados de siliciuros, carburos, boruros y carbonos.

6. Estructura compuesta según la reivindicación 5, caracterizada porque los materiales de relleno se han seleccionado de carburo de silicio, carburo de boro, negro de humo, grafito y boruro de zirconio.

7. Procedimiento para fabricar estructuras compuestas según la reivindicación 1, caracterizado porque fibras de carbono revestidas con al menos una capa de carbono grafitizado se mezclan con una resina, se prensan en un molde de prensado formando placas, se pirolizan después de su endurecimiento a una temperatura de hasta 1.000ºC y luego se impregnan en vacío con silicio líquido a temperaturas de hasta 1800ºC, y las placas de C/SiC obtenidas se pegan seguidamente con un respaldo seleccionado de tejidos y placas metálicas.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque se utilizan fibras de carbono revestidas con al menos una capa de carbono grafitizado en forma de un tejido bidimensional o tridimensional.

9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque se efectúa después de la pirólisis una grafitización a una temperatura de hasta 2.000ºC.

10. Uso de estructuras compuestas según la reivindicación 1 para la absorción de al menos una carga puntual del tipo de choque.

11. Uso según la reivindicación 10 para el blindaje de automóviles, vehículos automóviles militares, incluyendo tanques, aviones, helicópteros, barcos, vehículos ferroviarios, vehículos espaciales, cámaras acorazadas y objetos estacionarios.

12. Uso según la reivindicación 10 en chalecos antibalas.