ES2621834T3 - Artículo antibalístico y método de producción del mismo - Google Patents

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ES2621834T3 ES12743231.8T ES12743231T ES2621834T3 ES 2621834 T3 ES2621834 T3 ES 2621834T3 ES 12743231 T ES12743231 T ES 12743231T ES 2621834 T3 ES2621834 T3 ES 2621834T3
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Abstract

Un artículo antibalístico (100A-100C) pretensado, que comprende: una placa/tesela (104) de cerámica vinculada a un material (101, 102) de expansión térmica con un adhesivo (106, 107); caracterizado porque: la placa/tesela (104) de cerámica tiene un espesor de entre 2,0 mm y 15,0 mm, el material (101, 102) de expansión térmica tiene un coeficiente de expansión térmica que es al menos un 50% mayor que el de la placa/tesela (104) de cerámica y un espesor de entre 0,1 mm a 2,0 mm, el material (101, 102) de expansión térmica se vincula con el adhesivo (106, 107) a la placa/tesela (104) de cerámica a una temperatura de unión de entre 50 ºC y 650 ºC y a continuación se enfría, con lo que, tras el enfriamiento, el material (101, 102) de expansión térmica vinculado se contrae en mayor medida que la placa/tesela (104) de cerámica, ejerciendo un esfuerzo de compresión sobre la placa/tesela (104) de cerámica, y en el que el adhesivo (106, 107) es un adhesivo termoplástico o termoendurecible a alta temperatura, que tiene un módulo de elasticidad mayor de 200 kg/mm2 y una temperatura de curado/vinculación de 50 ºC - 650 ºC.

Description

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DESCRIPCION
Articulo antibalfstico y metodo de produccion del mismo Campo de la invencion
La presente invencion se refiere al campo de los materiales protectores de alto rendimiento contra amenazas balisticas, y mas en particular a una armadura de ceramica e inserto balistico para rechazar proyectiles de alto poder de penetracion.
Antecedentes de la invencion
Una armadura ligera de peso para aplicaciones de proteccion balistica, y mas especificamente una armadura personal ligera de peso, se usa para detener amenazas balisticas altas y muy altas, por ejemplo las balas perforadoras de armaduras (AP). Para una proteccion balistica eficiente de bajo peso contra los proyectiles de alto poder de penetracion, se necesita una armadura dura y especificamente una armadura de ceramica dura en forma de monolito, placa, teselas, granulados, o elementos ceramicos de configuracion especial. La armadura de ceramica se usa tipicamente para proteccion personal, proteccion de vehiculos, proteccion de barcos, helicopteros y aeronaves. En el campo de la proteccion personal, se usa normalmente un monolito ceramico respaldado por material compuesto. Las ceramicas se usan debido a su baja densidad, alta rigidez y alta dureza, lo que hace que sean los materiales mas apropiados para rechazar los modernos proyectiles de perforacion de armaduras. Un material compuesto para armadura dura incluye un paramento rigido y un tejido balistico blando o laminado. Se ha encontrado que con el fin de detener, es decir impedir la penetracion de una amenaza de AP a bajo peso, lo mas adecuado es un material compuesto a base de ceramica. Los materiales ceramicos balisticos con propiedades de alta dureza son los constituyentes principales de la armadura y mejoran el poder de detencion que la armadura puede conseguir principalmente debido al incremento de la capacidad de detencion de la ceramica.
La patente de EE.UU. n° 4.613.535 ensena que se pueden formar placas monoliticas a partir de fibras recubiertas con un elastomero. Si se requiere un panel balistico multi-impacto, es decir, uno que pueda resistir mas de un impacto, este no se puede lograr usando insertos monoliticos. A este efecto, el inserto se realiza con teselas separadas conectadas entre si, tal como mediante encolado sobre un substrato. Una bala que impacte en el objetivo destruira una o mas teselas de una vez, y las restantes teselas sirven para impedir la penetracion a lo largo del resto del inserto. Tales insertos han sido mostrados, por ejemplo, en la patente de Israel 120854, el documento EP 488465, y la patente de EE.UU. n° 4.868.040. Estos insertos son generalmente caros de fabricar, puesto que cada tesela debe ser erosionada hasta alcanzar el tamano correcto, y ajustada sobre el inserto. Adicionalmente, las lineas y las uniones de conexion de las teselas son puntos de debilitamiento desde un punto de vista balistico.
La patente de EE.UU. n° 4.760.611 divulga un chaleco antibalas que consiste en una pluralidad de placas cuadradas enlazadas entre si por medio de uniones abisagradas. Cada placa tiene un nucleo ceramico encerrado en un metal elastico, es decir, una aleacion de aluminio.
Esta bien documentado el hecho de que el confinamiento incrementa el comportamiento balistico de las ceramicas. D. Sherman, J., PHYS IV FRANCE 7, 1997, mostro que el confinamiento de las ceramicas es capaz de generar elevados esfuerzos de compresion que actuan de modo que reducen los danos en la ceramica y con ello mejoran el rendimiento balistico del inserto. Sujetar la ceramica en un bastidor de confinamiento y arrestar de ese modo la ceramica, induce un esfuerzo mecanico en la ceramica y reduce significativamente los danos en la misma. T.J. Holmquist, International Journal of Impact Engineering, Noviembre de 2003, evaluo la respuesta de objetivos ceramicos con y sin pretensado, sometidos al impacto del proyectil. En todos los casos, el pretensado de la ceramica aumento el rendimiento balistico, debido a que la resistencia de la ceramica se incrementa segun aumenta la presion de confinamiento. En cualquier caso, los resultados demuestran que el rendimiento balistico de los objetivos ceramicos confinados puede ser mejorado pretensando la ceramica, y que el fenomeno de pretensado puede ser complejo.
La patente de EE.UU. n° 6.389.594 divulga un articulo antibalfstico que incluye una placa de ceramica monolitica, un material de respaldo antibalfstico fijado al monolito ceramico, y una carcasa externa, formada con material antibalfstico, que incluye una resina curable, que encierra el respaldo y el monolito ceramico.
Esta patente ensena que con el fin de que una ceramica monolitica posea capacidades multi-impacto, estas ceramicas deben estar arrestadas. Esto se realiza aplicando una fuerza isostatica sobre la ceramica monolitica envuelta en materiales compuestos impregnados con material compuesto termoplastico y termoendurecible. Tras el enfriamiento bajo presion isostatica, la ceramica esta arrestada y se pueden detener mas disparos sobre la misma placa. Segun se ha visto con anterioridad, se conoce el hecho de aplicar tension interna y comprimir el monolito ceramico para incrementar sus capacidades balisticas.
El documento GB 1352418 A divulga una placa de armadura que comprende al menos una capa que comprende al menos el 90% en peso de alumina sinterizada y al menos una capa de metal que tiene un coeficiente de expansion
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termica que es mayor que el de la alumina sinterizada, habiendo sido vinculadas las capas por encima de 500 °C. La vinculacion se efectua por medio de una soldadura de plata-cobre a 750-1000 °C. La capa de alumina ha sido metalizada mediante soldadura bajo presion en una atmosfera neutra o reductora o en vacio o por medio de un cemento inorganico tal como vidrio soluble (silicato de sodio).
Un objeto de la presente invencion consiste en proporcionar articulos antibalisticos mejorados a base de ceramica pre-comprimida. Otro objeto consiste en proporcionar un metodo para tensar placas/teselas de ceramica. Este objeto se ha conseguido mediante un articulo conforme a la reivindicacion 1 y un metodo conforme a la reivindicacion 12. Los articulos antibalisticos a base de ceramica pre-comprimida segun la presente invencion, tienen caracteristicas balisticas superiores que incluyen una reduccion significativa o una eliminacion de los danos en la placa/tesela de ceramica cuando es impactada, dotando de ese modo a la placa de armadura con un incremento de las capacidades multi-impacto. Adicionalmente, los articulos antibalisticos a base de ceramica pre-comprimida de la presente invencion son de peso relativamente bajo, de espesor reducido y de bajo costo.
Otros objetos, caracteristicas y ventajas de la invencion resultaran evidentes a partir de la descripcion detallada que sigue, tomada junto con las figuras siguientes.
Sumario de la invencion
De ese modo se proporciona, conforme a la presente invencion, un articulo antibalistico que comprende una placa/tesela de ceramica pretensada y material de respaldo. La placa/tesela de ceramica pretensada se realiza al vincular un material de alta expansion termica que tiene un coeficiente de expansion mucho mas alto que el del material ceramico, a la placa/tesela de ceramica a temperatura elevada y preferiblemente bajo presion. La vinculacion se realiza preferiblemente con un adhesivo que tiene un alto modulo de elasticidad y una temperatura de curado de 50 °C a 650 °C a una temperatura de entre 50 °C y 650 °C y preferiblemente bajo presion para asegurar una buena adhesion de los materiales que se unen.
A la temperatura de vinculacion elevada, el material de expansion termica se expande considerablemente mas que la placa/tesela de ceramica. Con el enfriamiento, el material de expansion termica se contrae, ejerciendo un esfuerzo de compresion sobre la placa/tesela de ceramica.
La placa de ceramica puede estar hecha de oxido de aluminio (A^O3), carburo de boro (B4C), carburo de silicio (SiC), diboruro de titanio (TiB2), nitruro de aluminio, nitruro de silicio, carburo de silicio sinterizado, nitruro de silicio sinterizado, y material vitroceramico.
El material de alta expansion puede ser un metal o una aleacion metalica seleccionada a partir de una aleacion de aluminio de alta resistencia tal como las aleaciones AL7075/AL60661/AL2024, aleaciones de magnesio de alta resistencia tal como AZ90/AZ91, aleaciones de acero de alta resistencia tal como SAE 4340/SAE 4140, aleaciones de titanio de alta resistencia tal como Ti-6AI-4V u otras aleaciones metalicas tal como laton, bronce, aleaciones de niquel, aleaciones estano, etc.
El material de alta expansion tiene un coeficiente de expansion de al menos un 50% mas alto, y con preferencia un 200-400% o mayor, que el coeficiente de expansion termica de la placa/tesela de ceramica, y tiene un espesor de entre 0,1 mm y 0,2 mm. El material de alta expansion termica puede ser vinculado tanto a la cara delantera como a la trasera de la placa/tesela de ceramica, o a ambas caras de la placa/tesela de ceramica.
El material de alta expansion termica puede estar perforado segun formas geometricas tal como perforaciones de tipo cuadro, circulos, cuadrados, triangulares, rectangulares, hexagonales, octogonales o una combinacion de las mismas.
El articulo antibalistico puede comprender ademas un material de respaldo antibalistico vinculado a la placa de ceramica o al material de expansion termica (si esta unido a la parte trasera). El material de respaldo puede estar hecho a partir de aleaciones de aluminio de alta resistencia, aleaciones de magnesio de alta resistencia, aceros balisticos tal como los aceros HH/UHH, aleaciones de acero de alta resistencia, aleaciones de titanio de alta resistencia, o tejidos de materiales compuestos de tejidos roving o UD (Unidireccional), o tejidos de vidrio E o de vidrio S, tejidos balisticos de aramida, tejidos de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE), tejidos de grafito, o una combinacion de los mismos.
El tejido balistico de aramida adecuado como material de respaldo es, por ejemplo, uno de entre los tejidos comerciales siguientes: Twaron®, fabricado por Teijin Twaron® en Alemania/Holanda, y Kevlar® 29 fabricado por Dupont USA. El tejido UHMWPE adecuado como material de respaldo puede ser uno de entre los tejidos comerciales siguientes: Spectra Shields® PCR, fabricado por Honeywell International, Inc. De Colonial Heights, Va., o Dyneema® HB2/HB26/HB50 fabricado por dSm USA o DsM de Holanda.
De acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, el articulo antibalistico puede comprender ademas una capa antichoque fabricada con material de espuma o de caucho vinculada a la cara delantera de la placa de
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ceramica.
De acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, el articulo antibalistico puede comprender ademas una capa antichoque vinculada a la cara delantera del material de alta expansion termica.
De acuerdo con una realizacion adicional de la presente invencion, el articulo antibalistico en su totalidad puede estar encapsulado en una carcasa externa de material antibalistico con resina curable seleccionada a partir de epoxi (por ejemplo, FM73 o Cytec, EA 9628 & EA 9309 o Hysol/Henkel, F161 o HEXCEL, Araldite 2015 de Huntsman), poliester, fenolica (por ejemplo, HEXCEL F120 o HT93), o resina de poliuretano (por ejemplo, RENCAST FC 52 (Vantico), Bire3sinb U1305 o SIKAFLEX 201 de Sika Deutschland).
Esta carcasa externa puede ser elegida a partir de tejido de aramida, UHMWPE, vidrio E, vidrio S, tejido de grafito, o una combinacion de hibridos, y puede tener forma de una tela tejida plana, una cinta unidireccional, un arrollamiento en filamento o un trenzado.
De acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, el articulo antibalistico puede comprender ademas una capa antichoque vinculada a la cara delantera de la carcasa externa.
El articulo antibalistico puede estar configurado a modo de inserto para armadura corporal personal como SAPI/ESAPI/XSAPI o similar, o para paneles antibalisticos para vehiculos, barcos, aeronaves, helicopteros o para cascos.
La placa/tesela de ceramica tiene una forma cualquiera de entre plana, curvada, o multi-curvada, con un espesor de 2,0-15,0 mm.
Los adhesivos de vinculacion adecuados son los pegamentos epoxi tal como el 3M™, la pelicula adhesiva estructural AF163-2, Hysol® EA 9628, o pegamento ceramico tal como el adhesivo 503, 552 o 516 de AREMCO.
De acuerdo con una realizacion adicional de la presente invencion, el articulo antibalistico tiene una capacidad multi- impacto incrementada.
De acuerdo con una realizacion adicional de la presente invencion, el articulo antibalistico proporciona un angulo de fragmentacion delantera y de eyeccion de residuos reducido en comparacion con una ceramica normal no comprimida.
De acuerdo con una realizacion adicional de la presente invencion, el articulo antibalistico proporciona un angulo de fragmentacion delantera y de eyeccion de residuos disminuido en al menos un 15% y usualmente de un 30%-60% en comparacion con la ceramica normal no comprimida.
De acuerdo con la presente invencion, se proporciona tambien un metodo de preparacion del articulo antibalistico descrito que comprende las siguientes etapas:
1. proporcionar una placa/tesela de ceramica;
2. proporcionar un material de expansion termica que tenga un coeficiente de expansion termica elevado;
3. proporcionar un adhesivo con un alto modulo de elasticidad y una temperatura de curado entre 50 °C y 650 °C;
4. vincular el material de expansion termica a la placa/tesela de ceramica con el adhesivo a alta temperatura en una bolsa de vacio mantenida a una temperatura de entre 50 °C y 650 °C, y con preferencia bajo presion externa suministrada por un autoclave o un hidroclave. Alternativamente, la vinculacion puede hacerse mediante una operacion de prensado usando un molde caliente adecuado, adhiriendo de ese modo el material de expansion termica relativamente muy expandido a una superficie de la placa/tesela de ceramica relativamente poco expandida, y
5. enfriar el articulo vinculado hasta temperatura ambiente, contrayendo de ese modo el material de expansion termica expandido sobre la superficie de la placa/tesela de ceramica, produciendo esfuerzo de compresion en la placa/tersela de ceramica.
El material de alta expansion termica puede ser unido a una o a ambas superficies de la placa de ceramica.
El material de respaldo antibalistico puede ser vinculado tanto a la placa/tesela de ceramica como al material de alta expansion termica (si el material de alta expansion termica esta vinculado a la cara trasera de la placa/tesela de ceramica).
Ademas, el articulo antibalistico completo puede estar encapsulado en una carcasa externa de material antibalistico
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con resina curable.
De acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, el material de expansion termica puede ser vinculado a la placa de ceramica despues de vincular/fijar el material de respaldo a la placa de ceramica.
En una realizacion preferida, el material de expansion termica se vincula a la placa de ceramica y el material de respaldo se vincula a la placa de ceramica en una sola etapa.
El articulo antibalistico de la presente invencion puede ser fabricado con muchas configuraciones, tal como para su uso en una armadura corporal personal o como paneles antibalisticos para vehiculos, barcos, aeronaves, helicopteros o cascos.
El articulo antibalistico de la presente invencion puede proporcionar una capacidad multi-impacto incrementada del articulo antibalistico, un angulo de fragmentacion frontal y de eyeccion de residuos reducido en al menos un 15% como minimo, un peso total del articulo antibalistico reducido en un 5-25%, un coste de materia prima reducido en un 5% como minimo, un espesor del articulo reducido en un 5-10%, y una durabilidad incrementada frente a caidas e impactos.
Descripcion detallada de la invencion
La presente invencion proporciona una manera practica de aumentar el rendimiento balistico de las placas/teselas/granulados/monolitos de ceramica y de las placas/teselas/granulados/monolitos de vitroceramica (mencionados en lo que sigue como placas/teselas de ceramica o monolitos de ceramica), induciendo un esfuerzo de pre-compresion en la placa/tesela de ceramica por medio de un nuevo proceso. La placa/tesela de ceramica potenciada se prepara vinculando a alta temperatura, un material de alto coeficiente de expansion termica tal como, por ejemplo, metal o aleacion metalica o tejido metalico, o rejilla/red metalica, a la placa/tesela de ceramica que tiene un coeficiente de expansion relativamente bajo. La vinculacion se realiza a una temperatura elevada. Cuando la placa/tesela de ceramica vinculada a alta temperatura se enfria hasta temperatura ambiente, el material de alta expansion se contrae en mayor medida que la placa/tesela de ceramica, creando de ese modo esfuerzo de compresion en la placa/tesela de ceramica. Se puede usar esta placa/tesela de ceramica pre-comprimida en vez de la placa/tesela de ceramica normal como parte de un articulo balistico.
Un articulo balistico de ceramica, preparado a partir de placa/tesela de ceramica pre-comprimida de acuerdo con la presente invencion y con material de respaldo, tiene las siguientes ventajas:
(a) el peso total del articulo balistico puede ser rebajado en alrededor de un 5-25%;
(b) la capacidad multi-impacto del articulo se incrementa (la longitud de las fracturas se reduce en un 50% en comparacion con la ceramica normal no comprimida);
(c) ahorro de costes de materias primas (una reduccion de alrededor de un 5-20% del coste de los materiales);
(d) una importante reduccion, del orden de un 20% como minimo y normalmente de un 30%-60%, en el angulo de fragmentacion delantera y de eyeccion de residuos en comparacion con la ceramica normal no comprimida (vease la figura 4);
(e) tamano global del modulo mas delgado (una reduccion de alrededor de un 5-20%), y
(f) mayor durabilidad de la placa/tesela de ceramica frente a caidas e impactos accidentales debido al hecho de que la placa/tesela de ceramica comprimida es menos sensible a la propagacion de grietas que la placa/tesela de ceramica convencional, y debido al hecho de que las capas del material de alta expansion y el pegamento protegen la placa/tesela de ceramica (cuando estan unidas en la parte delantera de la placa/tesela de ceramica).
Las placas/teselas de ceramica son bien conocidas y estan fabricadas a partir de oxido de aluminio (AbO3), carburo de boro (B4C), carburo de silicio (SiC), diboruro de titanio (TiB2), nitruro de aluminio, nitruro de silicio, carburo de silicio sinterizado, nitruro de silicio sinterizado, y vitroceramica. Tales placas/teselas pueden ser de forma plana, de borde elevado, curvadas o multi-curvadas. Sin embargo, para proteccion personal, se prefiere una placa/tesela curvada o multi-curvada de ceramica monolitica.
La placa/tesela de ceramica de la presente invencion puede ser mas delgada, en alrededor de 0,5 a 2,0 mm menos que el espesor de una placa/tesela de ceramica convencional (normal) usada para el mismo proposito balistico. Alternativamente, con la placa/tesela de la invencion, es posible mantener el espesor convencional de la placa/tesela de ceramica, y reducir el espesor y el peso del material de respaldo; alternativamente, es posible reducir el espesor y el peso de la placa/tesela de ceramica y del material de respaldo, reduciendo de ese modo el peso total del articulo balistico.
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El material de alta expansion tendra por lo general un espesor comprendido en la gama de entre 0,1 y 2,0 mm, y con preferencia tiene forma de lamina metalica, tejido metalico, o rejilla/red metalica, y esta fabricado preferiblemente con metales o con aleaciones metalicas tales como aleaciones de aluminio de alta resistencia, aleaciones de magnesio de alta resistencia, aleaciones de acero de alta resistencia y aleaciones de titanio de alta resistencia.
El material de alta expansion debera ser preformado hasta la configuracion de la placa/tesela de ceramica con anterioridad a la vinculacion.
Debe apreciarse que la flexibilidad de algun material de alta expansion termica puede ser limitada, y por lo tanto, si se usa una placa/tesela de ceramica multi-curvada (por ejemplo, una placa de tipo SAPI/ESAPI/XSAPI) para crear una placa/tesela de ceramica pre-comprimida, el material de alta expansion termica debera ser preformado con la configuracion geometrica de la cara de la placa de ceramica antes de adherirlos entre si. En el caso de las placas de ceramica radiales, no existe normalmente ninguna necesidad de preformar el material de alta expansion termica con la configuracion de la placa de ceramica si el material de expansion termica es suficientemente flexible como curvarse y alcanzar la forma de la cara de la placa radial de ceramica bajo vacio y/o bajo presion externa.
El adhesivo, de acuerdo con la presente invencion, es un adhesivo de tipo rigidizante que tiene un alto modulo de elasticidad mayor de 200 kg/mm2 y una temperatura de curado entre 50 °C - 650 °C. A esta temperatura debe estar capacitado para unir y ser curado. El adhesivo es termoplastico o termoendurecible.
El articulo balistico a base de ceramica potenciada pre-comprimida de la presente invencion tiene la ventaja de tener una capacidad multi-impacto incrementada. La capacidad multi-impacto es la capacidad de la armadura balistica para detener mas disparos a intervalos mas cortos entre disparos, sin penetracion. El esfuerzo de compresion en la placa/tesela de ceramica pre-comprimida impide que se creen largas fracturas en torno al punto de impacto, y la longitud de las mismas es normalmente menor que la mitad de la longitud de la fractura en una armadura de ceramica normal (no pre-comprimida). Por esa razon, los disparos mas cercanos pueden ser detenidos, y su capacidad multi-impacto se incrementa significativamente.
Otra ventaja del articulo antibalistico a base de ceramica de la presente invencion consiste en que tiene un angulo de fragmentacion delantera y de eyeccion de residuos significativamente reducido en comparacion con un articulo que contenga una placa de ceramica normal (no comprimida) (vease la figura 4).
Breve descripcion de los dibujos
La presente invencion podra ser mejor entendida y apreciada a partir de la descripcion detallada que sigue junto con los dibujos, en los que:
las figuras 1A-1C son ilustraciones esquematicas, en seccion transversal, de 3 configuraciones de articulos antibalisticos a base de ceramica pre-comprimida, conforme a la presente invencion;
las figuras 2A-2D ilustran diferentes realizaciones del material de alta expansion termica que puede ser vinculado a la tesela/placa de ceramica para su uso en una armadura personal;
las figuras 3A-3C ilustran vistas delantera y seccion transversal de 3 realizaciones de placas/teselas de ceramica pre-comprimida conforme a la presente invencion para articulos antibalisticos personales;
la figura 4 es una vista esquematica que compara el angulo de fragmentacion delantera y de eyeccion de residuos de una placa/tesela de ceramica balistica pre-comprimida de la presente invencion, con el de una placa/tesela de ceramica balistica normal (no comprimida).
Descripcion detallada de los dibujos
Las figuras 1A-1C ilustran secciones transversales de articulos balisticos 100A-100C de material compuesto pre- comprimido. Los articulos 100A-100C comprenden un material 101/102 de alta expansion termica que esta vinculado con una capa de adhesivo 106/107 a la placa/tesela 104 de ceramica. Material de respaldo 108 esta unido al lado trasero de los articulos balisticos 100A-100C. El articulo balistico puede comprender ademas una capa antichoque 109 vinculada a la parte delantera del articulo balistico, ya sea directamente a la placa de ceramica (figura 1B) o ya sea al material de alta expansion (figura 1A y figura 1C).
En la figura 1A, el articulo balistico 100A tiene un material de respaldo 108 vinculado/vinculado por prensado/fijado de cualquier otra manera a un lado de la placa/tesela 104 de ceramica, mientas que por el lado opuesto de la placa/tesela 104 de ceramica esta el material 102 de expansion termica vinculado a la placa/tesela 104 con adhesivo 106.
Segun se aprecia en la figura 1A, el articulo balistico 100A puede comprender ademas una capa antichoque 109 vinculada a la cara delantera del material 102 de expansion termica.
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En la figura 1B, el articulo balistico 100B tiene material 102 de alta expansion termica vinculado a la cara trasera de la placa/tesela 104 de ceramica con adhesivo 106. Material de respaldo 108 esta vinculado/vinculado por prensado/fijado de cualquier otra manera al material 102 de alta expansion termica. El articulo antibalistico 100B puede comprender ademas una capa antichoque 109 vinculada a la cara frontal de la placa/tesela 104 de ceramica.
En la figura 1C, el articulo balistico 100C tiene ambos lados de la placa/tesela 104 de ceramica vinculados a materiales 101 y 102 de expansion termica con capas de adhesivo 107 y 106, respectivamente. Material de respaldo 108 esta vinculado/vinculado por prensado/fijado de cualquier otra manera al material 101 de alta expansion termica. Los materiales 101 y 102 de alta expansion pueden ser identicos o diferentes en cuanto a tipo de material y/o caracteristicas. De forma similar, los adhesivos 106 y 107 pueden ser identicos o diferentes en cuanto a tipo de material y/o caracteristicas. Segun se aprecia en la figura 1C, el articulo antibalistico 100C puede comprender ademas una capa antichoque 109 vinculada al material 102 de alta expansion termica.
Se debe apreciar que usando materiales de alta expansion diferentes y/o materiales de alta expansion perforados y no perforados y/o materiales de alta expansion perforados de forma distinta y/o diferentes espesores de materiales de alta expansion, y/u otros tipos de adhesivos, y/u otra temperatura de vinculacion de los adhesivos o una combinacion de los mismos, se puede variar el grado de esfuerzo de compresion introducido en la placa/tesela de ceramica. Por ejemplo, se puede crear un articulo que tenga un esfuerzo de compresion mas alto en la parte frontal de la placa de ceramica que en la parte trasera, o viceversa. Ademas, se puede controlar la magnitud del esfuerzo de compresion a lo largo del espesor de la placa.
Las figuras 2A-2D ilustran una vista frontal de la geometria del material de alta expansion para armadura personal (figura 2A), y tres opciones esquematicas de perforacion de la misma (figuras 2B-2D). La perforacion es una opcion para reducir mas el peso del articulo balistico. La figura 2A ilustra la geometria 200A del material de alta expansion para armadura personal. La geometria preferida del material de alta expansion es identica a la cara de la placa/tesela de ceramica a la que esta vinculado. Las figuras 2B-2D ilustran tres tipos de esquemas de perforacion: cuadrados 200B (figura 2B), circulos 200C (figura 2C) y perforaciones 200D de tipo “cuadro” (figura 2D). Se pueden implementar tambien otras geometrias de perforacion tales como, por ejemplo, triangulares, rectangulares, hexagonales, octogonales o una combinacion de las mismas. Sin embargo, se debe apreciar que la perforacion/“cuadro” puede reducir el esfuerzo de compresion en la placa/tesela de ceramica, dependiendo de la geometria de la perforacion/”cuadro”.
Se debe apreciar que se puede usar una combinacion de materiales de expansion perforados/no perforados o perforados/perforados en articulos balisticos tales como el ilustrado en la figura 1C donde los materiales 101 & 102 de alta expansion termica estan vinculados sobre ambos lados de la placa/tesela 104 de ceramica.
Las figuras 3A-3C ilustran vistas delantera y en seccion transversal de tres articulos antibalisticos 300A, 300B y 300C a base de ceramica pre-comprimida, conforme a otra realizacion de la presente invencion.
Las secciones transversales de los articulos 300A-300C son basicamente las mismas que las mostradas en las figuras 1A-1C, respectivamente, con la excepcion de que los articulos 300A-300C estan encapsulados en su totalidad en una carcasa externa 302 fabricada con un tejido balistico mediante curado con una resina segun se ha descrito en la patente de EE.UU. n° US6.389.594. Esta carcasa externa 302 es un componente esencial puesto que incrementa la capacidad multi-impacto y de supervivencia de los articulos antibalisticos 300A-300C. De acuerdo con otras realizaciones de la presente invencion, la capa antichoque 109 puede estar vinculada a la cara externa de la carcasa externa 302 en la parte delantera del articulo balistico. De esta manera, la carcasa externa 302 encapsula todas las capas del articulo mostrado en las figuras 3A-3C salvo la capa antichoque 109 que esta vinculada a la cara externa de la carcasa externa en la parte delantera del articulo balistico.
La figura 4 ilustra angulos de fragmentacion delantera para una placa/tesela de ceramica pre-comprimida y normal (no pre-comprimida).
Los resultados de pruebas tipicas muestran que a > 1,5p, donde p es el angulo de fragmentacion delantero de un impacto sobre un articulo de ceramica balistica pretensada y a es el angulo de fragmentacion delantero de un impacto sobre un articulo de ceramica balistica normal.
Esa reduccion significativa es ventajosa y muy importante para proteccion balistica personal puesto que un angulo de fragmentacion grande y un angulo de eyeccion de residuos grande pueden causar lesiones en el cuello, la barbilla y los brazos de la persona. Para evitar tales lesiones, es decir, para reducir el angulo de fragmentacion frontal y de eyeccion de residuos, se fijan normalmente tejidos balisticos a la cara delantera de la armadura. El uso de la placa/tesela de ceramica pre-comprimida de la presente invencion puede ahorrar el uso de esos tejidos balisticos o de al menos algunos de ellos, y por lo tanto, mantener el peso, el coste y el espesor del articulo relativamente bajos.
PREPARACION DE ARTICULOS ANTIBALISTICOS DE CERAMICA PRE-COMPRIMIDA
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De acuerdo con la presente invencion, los parametros que siguen deben ser considerados en el diseno de articulos balisticos a base de ceramica pre-comprimida en base a las amenazas balisticas contra las que deberan ser usados los articulos: (a) tipo y espesor de la placa de ceramica, (b) tipo y espesor del material/materiales de alta expansion, (c) tipo y espesor del adhesivo, (d) cara de vinculacion (delantera/trasera/ambas), (e) temperatura de vinculacion, y (f) material de respaldo adecuado para absorber la energia restante y la traumatizacion (deformacion dinamica de la cara posterior en el articulo de proteccion balistica personal). Es obvio que la vinculacion a temperaturas mas altas o el uso de materiales con mayor diferencia en el coeficiente de expansion termica, inducira una compresion y esfuerzos de desgarro mas altos en la placa de ceramica, y una tension mas alta y esfuerzos de desgarro mas elevados en el material de alta expansion y en el adhesivo. Todos los materiales involucrados en la vinculacion deberan estar disenados para resistir esos esfuerzos incrementados.
Los articulos antibalisticos a base de ceramica pre-comprimida conforme a la presente invencion, se preparan como sigue:
(a) el material de alta expansion se vincula a la placa/tesela de ceramica sobre el lado elegido/ambos lados a una temperatura elevada, entre 50 °C y 650 °C, (b) enfriando la placa/tesela vinculada hasta la temperatura ambiente, contrayendose con ello el material de expansion en mayor medida que la placa/tesela de ceramica, creando de ese modo un esfuerzo de compresion en la placa/tesela de ceramica, (c) vinculando el material de respaldo ya sea al lado trasero de la placa/tesela de ceramica o ya sea al material de alta expansion (si esta vinculado a la parte trasera de la placa de ceramica), y (d) vinculando una capa antichoque a la cara delantera, ya sea del material de expansion termica o ya sea de la placa/tesela de ceramica.
De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invencion, una forma preferida de crear la vinculacion se hace mediante compresion isostatica tal como un proceso de hidroclave/un proceso de prensa isostatica/un proceso de autoclave, o un proceso de bolsa de vacio segun se describe en la patente de EE.UU. n° 6.389.594.
De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invencion, las etapas (a) y (c) anteriores pueden ser combinadas en una sola etapa que puede ir seguida por enfriamiento hasta la temperatura ambiente, es decir por la etapa (b).
Ademas, el espesor del material de alta expansion debe ser optimizado de modo que sea suficientemente grueso como para inducir una elevada fuerza de compresion en la placa de ceramica, pero que al mismo tiempo se mantenga tan delgado como sea posible para minimizar el peso total del articulo. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invencion, el material de alta expansion tiene un espesor tipico comprendido en la gama de entre 0,1-2,0 mm, y con preferencia un espesor comprendido en la gama de 0,25-0,75 mm.
EJEMPLO: Con el fin de detener una bala 30-06 APM2 a 868-884 m/segundo en una placa balistica con un chaleco con respaldo de UN LEVEL IIIA, usamos un articulo que comprendia una placa de ceramica SIC de 8,5 mm de espesor con 9 mm de material de respaldo UHMWPE encapsulado completamente en tejido de aramida y prensado isostaticamente en un autoclave hasta un peso de densidad de area total de 37,7 kg/m2. Alternativamente, se puede usar un articulo que comprenda una lamina de aluminio de 0,5 mm de espesor de tipo AL7075-T6, vinculada a la cara delantera de una placa de ceramica SIC de 8,0 mm de espesor con Hysol® EA9628 epoxi a 140 °C, y a continuacion enfriada hasta temperatura ambiente. El articulo puede comprender ademas un material de respaldo UHMWPE de 6,5 mm de espesor donde todas las capas estan encapsuladas en tejido de aramida con resina epoxi y prensadas isostaticamente en un autoclave hasta un peso de densidad de area total de 35,1 kg/m2.
Los articulos resultantes tienen las siguientes caracteristicas:
a) reduccion de peso total en un 7%
b) incremento de capacidad multi-impacto de 2 balas por placa a 3 balas por placa
c) ahorro de costes de materias primas del 10%
d) mejora del angulo de fragmentacion delantera y de residuos desde 120° a 60°
e) modulo 2 mm mas delgado (reduccion de espesor de un 10%).

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado, que comprende:
    una placa/tesela (104) de ceramica vinculada a un material (101, 102) de expansion termica con un adhesivo (106, 107);
    caracterizado porque:
    la placa/tesela (104) de ceramica tiene un espesor de entre 2,0 mm y 15,0 mm,
    el material (101, 102) de expansion termica tiene un coeficiente de expansion termica que es al menos un 50% mayor que el de la placa/tesela (104) de ceramica y un espesor de entre 0,1 mm a 2,0 mm,
    el material (101, 102) de expansion termica se vincula con el adhesivo (106, 107) a la placa/tesela (104) de ceramica a una temperatura de union de entre 50 °C y 650 °C y a continuacion se enfria, con lo que, tras el enfriamiento, el material (101, 102) de expansion termica vinculado se contrae en mayor medida que la placa/tesela (104) de ceramica, ejerciendo un esfuerzo de compresion sobre la placa/tesela (104) de ceramica, y
    en el que el adhesivo (106, 107) es un adhesivo termoplastico o termoendurecible a alta temperatura, que tiene un modulo de elasticidad mayor de 200 kg/mm2 y una temperatura de curado/vinculacion de 50 °C - 650 °C.
  2. 2. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado conforme a la reivindicacion 1, que comprende ademas un material de respaldo (108) antibalfstico que esta vinculado ya sea a la placa/tesela (104) de ceramica o ya sea a la cara posterior del material (101, 102) de alta expansion termica.
  3. 3. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado conforme a las reivindicaciones 1 y 2, en el que el material de respaldo (108) antibalfstico se selecciona en el grupo consistente en vidrio E, vidrio S, tejidos balisticos de aramida, polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE), grafito o combinaciones de los mismos, aleaciones de aluminio de alta resistencia, aleaciones de magnesio de alta resistencia, aleaciones de acero de alta resistencia, aleaciones de titanio de alta resistencia o combinaciones de los mismos.
  4. 4. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado conforme a las reivindicaciones 1 y 2, configurado a modo de inserto ya sea para armadura corporal personal o ya sea para paneles antibalisticos para proteccion de vehiculos, barcos, y aeroplanos y helicopteros, o para un casco.
  5. 5. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado conforme a las reivindicaciones 1 y 2, en el que la placa/tesela (104) de ceramica se elige en un grupo que comprende oxido de aluminio (AbO3), carburo de boro (B4C), carburo de silicio (SiC), diboruro de titanio (TiB2), nitruro de aluminio, nitruro de silicio, y vitroceramica.
  6. 6. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado conforme a las reivindicaciones 1 y 2, en el que la placa/tesela (104) de ceramica tiene una cualquiera de entre una forma plana, curvada o multi-curvada.
  7. 7. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado conforme a las reivindicaciones 1 y 2, en el que el material (101, 102) de alta expansion termica se elige entre un metal, o una aleacion metalica en forma de lamina metalica o de tejido metalico o de rejilla/red metalica, y se selecciona a partir de aleacion de aluminio de alta resistencia, aleacion de magnesio de alta resistencia, aleaciones de acero de alta resistencia, aleaciones de titanio de alta resistencia, u otras aleaciones metalicas tales como laton, bronce, aleaciones de niquel o aleaciones de estano.
  8. 8. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado conforme a las reivindicaciones 1 y 2, en el que el material (101, 102) de alta expansion termica esta perforado.
  9. 9. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado conforme a la reivindicacion 8, en el que el material (101, 102) de alta expansion termica esta perforado con configuraciones geometricas tales como perforaciones de tipo “cuadro”, circulos, cuadrados, triangulos, rectangulos, hexagonos, octogonos o cualquier otra forma geometrica o una combinacion de las mismas.
  10. 10. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado conforme a las reivindicaciones 1 y 2, en el que dicho artfculo antibalfstico (100A-100C) esta encapsulado en una carcasa externa (302) de material antibalfstico elegido a partir de aramida, vidrio E, vidrio S, polietileno (UHMWPE), grafito o combinaciones hibridas, con resina curable elegida a partir de resina epoxi, de poliester, fenolica o de poliuretano.
  11. 11. - Un artfculo antibalfstico (100A-100C) pretensado conforme a las reivindicaciones 1 y 2, que comprende ademas una capa antichoque (109) vinculada a la cara delantera de la placa/tesela (104) ceramica o del material (101, 102) de expansion termica para impedir danos mecanicos a la placa/tesela (104) de ceramica.
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  12. 12. - Un metodo de preparacion de un articulo (100A-100C) ceramico monolitico antibalistico pretensado, que comprende:
    proporcionar una placa/tesela (104) de ceramica,
    proporcionar un material (101, 102) de alta expansion termica que tenga un coeficiente de expansion termica que sea al menos un 50% mayor que el de la placa/tesela (104) de ceramica,
    proporcionar un adhesivo de vinculacion (106, 107) adecuado, seleccionado a partir de adhesivos termoplasticos o termoendurecibles a alta temperatura, que tenga un modulo de elasticidad mayor de 200 kg/mm2 y una temperatura de curacion/vinculacion de 50 °C - 650 °C,
    vincular el material (101, 102) de alta expansion termica a una o mas superficies de la placa/tesela (104) de ceramica con el adhesivo (106, 107), ya sea: a) en una bolsa de vacio mantenida a una temperatura de entre 50 °C y 650 °C, o ya sea b) en una bolsa de vacio mantenida a una temperatura de entre 50 °C y 650 °C con presion externa anadida en un autoclave/hidroclave, o ya sea c) mediante una operacion de prensado usando un molde caliente adecuado, adhiriendo de ese modo el material (101, 102) de expansion termica expandido a una superficie de la placa/tesela (104) de ceramica, y enfriando el articulo vinculado (100A-100C) hasta aproximadamente la temperatura ambiente, contrayendose de ese modo el material (101, 102) de expansion termica expandido sobre la superficie de la placa/tesela (104) de ceramica, produciendo un esfuerzo de compresion en la placa/tesela (104) de ceramica.
  13. 13. - Un metodo conforme a la reivindicacion 12, que comprende ademas vincular un material de respaldo (108) antibalistico ya sea a la placa/tesela (104) de ceramica o ya sea al material (101, 102) de alta expansion termica.
  14. 14. - Un metodo conforme a la reivindicacion 12, en el que el material (101, 102) de expansion termica se vincula a la cara delantera de ceramica de la placa/tesela (104) tras la vinculacion/fijacion de un material de respaldo (108) antibalistico a la placa/tesela (104) de ceramica.
  15. 15. - Un metodo conforme a la reivindicacion 12, en el que la vinculacion del material (101, 102) de expansion termica a la placa/tesela (104) de ceramica y la vinculacion/fijacion de un material de respaldo (108) a la placa/tesela (104) de ceramica se realizan en una sola etapa.
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