ES2645248T3

ES2645248T3 - Material compuesto de nanopartículas con gradiente-alótropos del carbono-polímero

Info

Publication number: ES2645248T3
Application number: ES11834986.9T
Authority: ES
Inventors: Zachary Greenhill; Joseph BELBRUNO
Original assignee: Greenhill Antiballistics Corp
Current assignee: Greenhill Antiballistics Corp
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2017-12-04
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: US9328788B2; JP6038798B2; EP2629973B1; CA2814986A1; US20130273273A1; IL225781A0; IL225781B; US20190128357A1; US10926513B2; WO2012054472A2; WO2012054472A3; JP2014509265A; US20140113086A1; US9982736B2; US20140023805A1; CA2814986C; EP2629973A2; EP2629973A4; US20210197518A1

Abstract

Un material de atenuación de onda de choque (100), que comprende: una pluralidad de capas de atenuación de choque (110), incluyendo cada una: (i) una capa de nanopartículas con gradiente (114) que incluye una pluralidad de nanopartículas (120) de diferentes diámetros que se disponen en un gradiente; y (ii) una capa de alótropos del carbono (118) dispuesta adyacente a la capa de nanopartículas con gradiente (114), incluyendo la capa de alótropos del carbono (118) una pluralidad de miembros alótropos del carbono (128) suspendidos en una matriz (124).

Description

DESCRIPCION

Material compuesto de nanopartlcuias con gradiente-alotropos del carbono-pollmero 5 ANTECEDENTES DE LA INVENCION

1. Campo de la invencion

[0001] La presente invencion se refiere a materiales de proteccion y, mas especlficamente, a un material que 10 reduce el efecto de una onda de choque.

2. Descripcion de la tecnica relacionada

[0002] Los disenos de material para manejar el impacto de un estlmulo externo, como una sacudida, como 15 una onda de choque o proyectiles, incluyen, por ejemplo, telas tejidas, materiales ceramicos, y sistemas de

compuestos. Kevlar®, Zylon®, Armos®, Spectra® son telas disponibles en el mercado hechas de fibras de alta resistencia. Otro material es el acero ballstico, que esta compuesto por acero de alta resistencia a la tension endurecido, tejido en forma de fibra. Asimismo, se puede usar carburo de boro como un material, por ejemplo, en la produccion de blindaje corporal.

20

[0003] Los materiales ceramicos, en particular los compuestos metaloceramicos han encontrado utilidad en el blindaje corporal de peso ligero.

[0004] Los sistemas existentes intentan atenuar las ondas de choque presentando un material de gran masa 25 entre la fuente de la onda de choque y la cosa que se protege. El material de gran masa absorbe algo de la energla

de la onda de choque, dando como resultado de ese modo una onda de choque de amplitud disminuida. Sin embargo, aunque la amplitud de la onda se puede disminuir, solo se disminuye en una cierta cantidad y aun puede hacer un dano considerable.

30 [0005] Por lo tanto, hay una necesidad de un material que interrumpa una onda de choque, reduciendo de

ese modo su efecto.

[0006] La tecnica anterior se proporciona en los documentos WO-2010/019609-A1 y WO-03/025493-A1.

35 [0007] El documento WO-2010/019609-A1 describe materiales compuestos de ingenierla adecuados para

aplicaciones que pueden beneficiarse de un material compuesto capaz de interactuar con o responder, de manera controlada o predeterminada, a cambios en su entorno circundante. El material compuesto generalmente incluye una estructura de capa con gradiente de una secuencia de, por ejemplo, en tres o mas capas que contribuyen al gradiente de partlculas a microescala, en el que un tamano de partlcula medio de las partlculas de las capas que 40 contribuyen al gradiente colindantes en la seccion transversal de la estructura de capa con gradiente varla de capa a capa, formandose de ese modo un gradiente de tamano de partlcula, y en contacto con la estructura de capa con gradiente, una estructura de partlculas densamente compactadas que incluye partlculas a microescala densamente compactadas, en el que un tamano de partlcula medio de las partlculas a microescala densamente compactadas no forma un gradiente de tamano de partlcula en la seccion transversal de la estructura de partlculas densamente 45 compactadas.

[0008] El documento WO-03/025493-A1 describe la disposicion de una estructura y un procedimiento para la

proteccion de un sistema central frente a un elemento ballstico que impacte. La disposicion de la estructura incluye un compuesto. El compuesto incluye una matriz y una multiplicidad de nanotubos de carbono de pared simple. Los 50 nanotubos de carbono de pared simple se disponen con respecto a la matriz de modo que se defina un array para el acoplamiento con un elemento ballstico que impacte.

RESUMEN DE LA INVENCION

55 [0009] La presente invencion es un material de atenuacion de onda de choque como se define en la

Reivindicacion 1 de las reivindicaciones anexas. Algunas realizaciones de la invencion se exponen en las reivindicaciones dependientes.

[0010] Las desventajas de la tecnica anterior se superan mediante la presente invencion que, en una

realizacion, proporciona un material de atenuacion de onda de choque que incluye una capa de sustrato. Una pluralidad de capas de atenuacion de choque se disponen en la capa de sustrato. Cada una de la pluralidad de capas de atenuacion de choque incluye una capa de nanopartlculas con gradiente que incluye una pluralidad de nanopartlculas de diferentes diametros que se disponen en un gradiente del diametro mas pequeno al diametro mas 5 grande y una capa grafltica dispuesta adyacente a la capa de nanopartlculas con gradiente. La capa grafltica incluye una pluralidad de miembros alotropos del carbono suspendidos en una matriz.

[0011] Otra realizacion de la invencion proporciona un casco que incluye un miembro de casco configurado

para que lo lleve puesto un usuario. Una pluralidad de capas de atenuacion de choque se aplican al miembro de 10 casco. Cada capa de atenuacion de choque incluye una capa de nanopartlculas con gradiente que incluye una pluralidad de nanopartlculas de diferentes diametros que se disponen en un gradiente del diametro mas pequeno al diametro mas grande; y una capa grafltica dispuesta adyacente a la capa de nanopartlculas con gradiente, incluyendo la capa grafltica una pluralidad de miembros alotropos del carbono suspendidos en una matriz.

15 [0012] Otra realizacion de la invencion proporciona una unidad de blindaje que incluye un elemento

estructural, una chapa de blindaje y una pluralidad de capas de atenuacion de choque. La pluralidad de capas de atenuacion de choque se disponen en una relacion predeterminada con al menos uno del elemento estructural y la chapa de blindaje. Cada capa de atenuacion de choque incluye una capa de nanopartlculas con gradiente que incluye una pluralidad de nanopartlculas de diferentes diametros que se disponen en un gradiente del diametro mas 20 pequeno al diametro mas grande; y una capa grafltica dispuesta adyacente a la capa de nanopartlculas con gradiente, incluyendo la capa grafltica una pluralidad de miembros alotropos del carbono suspendidos en una matriz.

[0013] Otra realizacion mas de la invencion proporciona una unidad de blindaje corporal personal que incluye una chapa de ceramica, un miembro de gran masa y una capa de material de atenuacion de onda de choque de

25 nanopartlculas. El miembro de gran masa se dispone adyacente a la chapa de ceramica. La capa de material de atenuacion de onda de choque de nanopartlculas se dispone en el miembro de gran masa.

[0014] La capa de material de atenuacion de onda de choque de nanopartlculas se puede disponer entre el miembro de gran masa y la chapa de ceramica. De forma similar, la capa de material de atenuacion de onda de

30 choque de nanopartlculas se puede disponer en el exterior del miembro de gran masa o la chapa de ceramica o ambos. Se entiende que cualquier combinacion de estas configuraciones se incluye en el alcance de la invencion.

[0015] Estos y otros aspectos de la invencion seran evidentes por la siguiente descripcion de las realizaciones preferidas tomadas en conjuncion con los siguientes dibujos. Como serla obvio para alguien experto

35 en la materia, muchas variaciones y modificaciones de la invencion se pueden llevar a cabo sin desviarse del alcance de las reivindicaciones anexas.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS DE LOS DIBUJOS

40 [0016]

La FIG. 1 es un diagrama esquematico de una realizacion de un material de atenuacion de onda de choque.

La FIG. 2A es un diagrama esquematico de una realizacion de una capa de nanopartlculas con gradiente.

La FIG. 2B es un diagrama esquematico de una realizacion de una capa grafltica.

45 La FIG. 3 es un diagrama esquematico de la realizacion mostrada en la FIG. 1, que demuestra la atenuacion de la onda de choque.

La FIG. 4 es un diagrama esquematico de una realizacion de un casco.

La FIG. 5 es un diagrama esquematico de una realizacion de una unidad de blindaje.

La FIG. 6 es un diagrama esquematico de una realizacion de una unidad de blindaje corporal.

50 La FIG. 7 es un diagrama esquematico de una realizacion de una unidad de blindaje corporal.

La FIG. 8 es un diagrama esquematico de una realizacion de una unidad de blindaje corporal.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

55 [0017] Una realizacion preferida de la invencion se describe ahora en detalle. Con referencia a los dibujos,

los numeros similares indican partes similares a lo largo de las vistas. A menos que se indique especlficamente lo contrario en la descripcion que se expone a continuacion, los dibujos no estan dibujados necesariamente a escala. Como se usa en la descripcion en esta solicitud y a lo largo de las reivindicaciones, los siguientes terminos toman los significados expllcitamente asociados en esta solicitud, a menos que el contexto dicte claramente lo contrario: el

significado de "un", "uno", "una", y "el", "la" incluye la referenda plural, el significado de "en" incluye "dentro" y "en".

[0018] La solicitud de patente de los Estados Unidos num. 12/672.865 (Publicacion num. US-2011/0212320- A1) describe un material compuesto de nanoparticulas con gradiente y un procedimiento de hacer un material

5 compuesto de nanoparticulas con gradiente.

[0019] Como se muestra en la FIG. 1, una realizacion de un material de atenuacion de onda de choque 100 incluye una capa de sustrato 104 y una pluralidad 110 de capas de atenuacion de choque dispuestas en la capa de sustrato. Cada una de la pluralidad 110 de capas de atenuacion de choque incluye una capa de nanoparticulas con

10 gradiente 114 y una capa grafitica 118 dispuesta adyacente a la capa de nanoparticulas con gradiente 114. En una realizacion tipica, el material de atenuacion de onda de choque 100 incluina al menos 10 capas de nanoparticulas con gradiente 114 alternantes con al menos 10 capas grafiticas 118 (aunque solo se muestran tres en la FIG. 1 en aras de la simplicidad).

15 [0020] Como se muestra en la FIG. 2A, cada capa de nanoparticulas 114 incluye una pluralidad de

nanoparticulas 120 de diferentes diametros (al menos dos diametros diferentes) que se disponen en un gradiente del diametro mas pequeno al diametro mas grande. La orientacion espedfica del gradiente (del mas pequeno al mas grande versus del mas grande al mas pequeno) depende de la aplicacion espedfica para la que se este usando el material.

20

[0021] Como se muestra en la FIG. 2B, la capa grafitica 118 incluye una pluralidad de miembros alotropos del carbono 128 suspendidos en una matriz 124. Los miembros alotropos del carbono 128 pueden incluir laminas de grafeno, nanotubos de carbono, fullerenos, laminas de grafeno funcionalizadas, nanotubos de carbono funcionalizados, y fullerenos funcionalizados.

25

[0022] Dependiendo de cualquier requisito de transparencia, se puede variar la naturaleza del sustrato. Dos sustratos potenciales son compuestos/laminados de policarbonato y fibra de carbono. De hecho, una capa de compuesto de polimero-grafeno mas gruesa (pero que sigue siendo transparente) se puede emplear directamente como el sustrato. La estructura con gradiente puede ser cualquiera de las mostradas, por ejemplo, en la Publicacion

30 de patente de los Estados Unidos num. US-2011-0212320-A1, asi como otras hechas a partir de los mismos principios. Una realizacion de una estructura con gradiente tiene un espesor total del orden de 5-10pm, que se puede repetir despues tantas veces como se requiera.

[0023] Una capa de fullereno se puede depositar directamente mediante recubrimiento, a partir de una 35 solucion de tolueno, sobre la estructura con gradiente de espesor tan pequeno como una monocapa. De forma

similar, nanotubos y laminas de grafeno o de oxido de grafeno se pueden recubrir a partir de suspensiones en disolventes organicos como cloroformo. Sin embargo, estos dos alotropos tambien se pueden depositar (preferentemente) como compuestos de polimero. El uso de un compuesto de polimero proporciona una integridad estructural adicional al recubrimiento global y, lo que es mas importante, proporciona regiones de impacto 40 adicionales para la generacion de ondas de choque reflejadas parcialmente y reducira aun mas el paso global de la energia de choque desde el lugar del impacto hasta el lugar de la proteccion. Los miembros alotropos del carbono 128 se pueden funcionalizar como un oxido de grafeno. De forma similar, los nanotubos y los fullerenos se pueden funcionalizar con acido carboxilico, aminas, se pueden hidroxilar o carboxilar.

45 [0024] Como se muestra en la FIG. 3, las capas grafiticas 118 son de un espesor que es suficiente para

reflejar al menos una porcion de una onda de choque que incide en las mismas. El espesor de las capas grafiticas 118 dependera del tipo de onda de choque contra la que el disenador desee proteger. Cuando una onda de choque 302 incide en el material 100, la primera capa de nanoparticulas con gradiente 114 empieza a atenuar la onda de choque 304 y la primera capa grafitica 118 refleja una porcion de la onda de choque 306, generandose de ese modo 50 una interferencia destructiva con cualquier energia de la onda de choque residual. Las ondas sucesivas 308 y 312 reflejan de manera similar para generar ondas reflejadas 310 y 314, las cuales interfieren aun mas con la energia de choque residual.

[0025] Las capas de carbono o de compuestos de carbono marcan el final de una nanoestructura y el inicio

55 de la siguiente. Una reduccion significativa de la onda de choque incidente se produce despues del paso a traves de menos de 10pm de nanoparticulas con gradiente. Pilas o capas de tales estructuras con el carbono y/o compuestos de carbono se intercalan y definen el fimite de capas o pilas. El efecto, en cada interfaz de carbono, sera crear una onda que se desplace hacia atras que cause la atenuacion de la onda de choque incidente, asi como una onda de choque transmitida hacia delante muy reducida, que pase a la siguiente capa de la estructura. Una pila de 50

estructuras de nanopartlcuias con gradiente (cada una compuesta de 30 capas de nanopartlcuias) y capas de compuestos alternantes darla como resultado un recubrimiento de 1 mm de espesor y una atenuacion significativa de la onda de choque incidente. Cada una de estas 50 capas con gradiente o de compuestos es una quinta parte del espesor del pelo humano normal.

5

[0026] Como se muestra en la FIG. 4, el material de atenuacion de onda de choque 110 puede ser parte de

un casco 400 o revestimiento de casco. En una realizacion, un casco 400 incluye un miembro de casco 402 configurado para que lo lleve puesto un usuario, como un Casco Mejorado de Combate [ECH] usado en aplicaciones militares. El miembro de casco 402 podrla estar hecho a partir de un compuesto de fibra sintetica de para-aramida, 10 como Kevlar®. En otras realizaciones, el casco podrla ser del tipo usado en el deporte. Por ejemplo, el material de atenuacion de onda de choque 110 se podrla usar en un casco de beisbol, un casco de futbol americano, un casco de hockey, un casco de ciclismo, o similares. El casco 400 podrla incluir una coraza externa (como, por ejemplo, acrilonitrilo butadieno estireno), una capa de material de atenuacion de onda de choque 110 y una coraza interna. El casco 400 podrla incluir incluso una coraza externa y diversas capas de material de atenuacion de onda de choque 15 110 alternantes con capas de material de gran masa. El material de gran masa podrla incluir, por ejemplo, un plastico de alta densidad, un compuesto, fibra de vidrio, un compuesto de fibra sintetica de para-aramida, un vinilo, acrilonitrilo butadieno estireno, un acrllico, un metal, o cualquier otro material usado habitualmente en un casco. Un revestimiento de espuma amortiguadora tambien se puede anadir al casco.

20 [0027] Como se muestra en la FIG. 5, el material de atenuacion de onda de choque 110 puede ser parte de

una unidad de blindaje 500, que puede incluir un elemento estructural 502, como el panel de un vehlculo. Una chapa de blindaje externa 510, como una chapa de ceramica o de compuesto, proporciona una superficie de blindaje externa. El material de atenuacion de onda de choque 110 se dispone entre el elemento estructural 502 y la chapa de blindaje 510. El material de atenuacion de onda de choque 110 tambien podrla estar en el exterior del elemento 25 estructural 502 o de la chapa de blindaje 510 o de ambos. Se apreciara que cualquier combinacion de estas configuraciones se incluira en el alcance de la invencion.

[0028] Como se muestra en la FIG. 6, una realizacion es un ensamblaje de blindaje corporal 600, como un ensamblaje de blindaje corporal interceptor (del tipo usado en el Chaleco Tactico Externo Mejorado, el Chaleco

30 Tactico Modular Mejorado y los porta placas del Ejercito de los Estados Unidos y del Cuerpo de Infanterla de Marina de los Estados Unidos). Tal ensamblaje 600 incluirla una chapa de blindaje 602 (como una chapa de ceramica) con un miembro de gran masa. Ejemplos de materiales adecuados para el uso en el miembro de gran masa incluyen: un pollmero de alta densidad 610 (como un polietileno de peso molecular ultraelevado), un compuesto de fibra sintetica de para-aramida, un compuesto de fibra de carbono, un metal, una ceramica o combinaciones de los mismos. El 35 material de atenuacion de onda de choque 110 se puede aplicar al pollmero de alta densidad 610 en el pollmero de alta densidad 610 opuesto a la chapa de blindaje 602 en el lado adyacente al cuerpo del usuario. Esta ultima aplicacion ayuda a solucionar el problema de deformacion de la cara trasera. Como se muestra en la FIG. 7, en una realizacion de un ensamblaje de blindaje corporal personal 620, el material de atenuacion de onda de choque 110 se dispone entre el pollmero de alta densidad 610 y la chapa de blindaje 602. Como se muestra en la FIG. 8, multiples 40 capas de material de atenuacion de onda de choque 110 se pueden aplicar al ensamblaje de blindaje 630.

[0029] En una aplicacion, el material de atenuacion de onda de choque 110 se puede aplicar a tales dispositivos como espinilleras de futbol, protectores para el pecho de un receptor de beisbol, hombreras de futbol americano, guantes de beisbol y similares. Tambien se puede aplicar a tales dispositivos como palos de golf y bates

45 de beisbol para reducir los efectos del choque asociado con su uso.

[0030] En algunas realizaciones, el material compuesto de nanopartlculas con gradiente es capaz de absorber un impacto de una onda de choque que, por ejemplo, se produzca por una explosion o sea causada durante la operacion de un dispositivo. En algunas realizaciones, el material compuesto de nanopartlculas con

50 gradiente es capaz de mitigar y/o remediar uno o mas efectos secundarios de la sacudida resultantes de la explosion.

[0031] En algunas realizaciones, el material compuesto de nanopartlculas con gradiente es capaz de reaccionar a y/o interactuar con uno o mas estlmulos existentes en el entorno de una zona de sacudida. Por

55 ejemplo, en algunas realizaciones el material puede absorber al menos una porcion de un impacto de onda expansiva inicial y/o la onda de sobrepresion resultante de una explosion. Ademas, o de forma alternativa, el material compuesto de nanopartlculas con gradiente puede estar disenado para mitigar y/o remediar uno o mas efectos relacionados de la sacudida resultantes del propio impacto de la onda expansiva. De ese modo, algunas realizaciones pueden proporcionar un material compuesto que a traves de un diseno inteligente del sistema pueda

no solo reducir el impacto de la onda expansiva con una mayor eficiencia y eficacia, sino que tambien pueda mitigar y/o remediar uno o mas efectos secundarios de la sacudida.

[0032] En algunas realizaciones, el material compuesto de nanopartlculas con gradiente puede proporcionar

5 la mitigacion y/o el remedio de la sacudida de una bomba reduciendo el valor de reflexion de la sacudida de la bomba mediante la absorcion de la energla de la sacudida de la bomba. En algunas realizaciones, el proceso primario de mitigacion y/o remedio puede ser mediante la absorcion de la onda de choque de la sacudida de la bomba. En algunas realizaciones, el proceso de mitigacion y/o remedio puede ser mediante la absorcion de la onda de sobrepresion previa que precede a la onda de choque. La absorcion de la onda de choque y/o la onda de 10 sobrepresion previa se puede producir a traves de uno o mas mecanismos, incluyendo, por ejemplo, la transferencia de momento, la destruccion de la simetrla espacial de, por ejemplo, la onda expansiva, la deformacion plastica, la rotura de partlculas, por ejemplo partlculas nucleo-coraza llenas y vaclas, la restitucion, y el cizallamiento interpartlcula/intercapa.

15 [0033] En algunas realizaciones, el material compuesto de nanopartlculas con gradiente puede proporcionar

una plataforma desde la cual se puede mitigar y/o remediar una amplia variedad de efectos de sacudida. Por ejemplo, en un material de coraza llena la energla absorbida se puede utilizar para romper, por ejemplo, microcapsulas para introducir una serie o seleccion de materiales o sistemas de materiales en el entorno de la sacudida y para de ese modo mitigar y/o remediar los efectos de la sacudida. En algunas realizaciones, el material 20 compuesto de nanopartlculas con gradiente puede proporcionar un material de peso relativamente ligero que se puede aplicar a estructuras o sistemas preexistentes sin efectos nocivos sobre los atributos de rendimiento de la estructura o sistema preexistente.

[0034] Algunas realizaciones proporcionan aplicaciones de material de impacto o inteligente a prueba de

25 bombas. Ejemplos de aplicaciones a prueba de bombas incluyen receptaculos y revestimientos (como en receptaculos y bolsas de basura etc.), satelites, helicopteros, y dispositivos de alta tecnologla (cubiertas de ordenador/hardware, proteccion de cables), construccion (edificios y sus fachadas), puentes y sus miembros estructurales, canos y canerlas (para combustibles fosiles, conductos, utilidades), automocion (paneles de puertas, paragolpes, salpicaderos, parabrisas y ventanas, chasis y techos), industria aeroespacial (interior/exterior de los 30 aviones), etc. En algunas realizaciones, el material compuesto de nanopartlculas con gradiente se puede usar en conexion con equipos militares, estructuras, vehlculos, embarcaciones y naves para tierra, mar, y fuerzas aerotransportadas incluyendo vehlculos blindados y no blindados, aeronaves, (lo cual incluye helicopteros y vehlculos aereos no tripulados), y embarcaciones nauticas como submarinos, barcos, botes y similares.

35 [0035] Para usos militares y civiles, el material compuesto de nanopartlculas con gradiente se puede aplicar

como un recubrimiento exterior, pellcula, capa intermedia y/o como un panel para equipos preexistentes o, de forma alternativa, se puede utilizar para formar componentes estructurales del vehlculo militar, aeronave, o embarcacion nautica.

40 [0036] La aplicacion de compuestos nanoestructurados con gradiente para la atenuacion de ondas de choque

se basa en los mismos principios que aplican esferas granulares macroscopicas para crear muros contra explosiones. Materiales granulares, especialmente dispuestos en un gradiente, crean la discrepancia de la onda solitaria en el punto de contacto de cada partlcula y, por tanto, la atenuacion de esa onda. El efecto es una combinacion de procesos flsicos pasivos y activos: absorcion, distorsion, y redireccion generada por ingenierla de la 45 onda de choque sin un calentamiento apreciable. En efecto, el compuesto causa una interferencia destructiva de la onda de choque para atenuar la onda incidente. El compuesto, una estructura ordenada que incluye nanopartlculas solidas, huecas y llenas seleccionadas, puede recubrir una superficie (por ejemplo, un dispositivo de proteccion, como un casco) y tambien se puede producir como un revestimiento autoportante (usando un confinamiento de plastico). Adicionalmente, mientras que el array con gradiente proporciona la atenuacion del choque, el material 50 dentro de las nanopartlculas llenas actua para crear un indicador de que el usuario ha experimentado una onda de choque suficiente para causar una lesion cerebral traumatica leve o severa mientras lleva puesto el dispositivo de proteccion, como un casco. El producto final es un recubrimiento de peso ligero que no cambia la flexibilidad del material tratado y que se puede hacer transparente por la cuidadosa seleccion de materiales de nanopartlculas. Despues de la activacion, el dispositivo de proteccion se puede volver a recubrir, si se uso esa tecnologla en la 55 produccion, o el revestimiento se puede reemplazar, si se empleo esa estrategia.

[0037] Modelos unidimensionales de una onda de choque que se propaga a traves de una cadena granular

homogenea o una gradual demuestran una atenuacion de onda de choque. Aunque las estructuras tridimensionales son demasiado complejas para los sistemas de modelacion existentes, las propiedades principales observadas para

los calculos unidimensionales son validas en el caso tridimensional. Suponiendo que no hay un efecto elastico ni una carga, las esferas estan tocando simplemente en un unico punto de contacto, la perdida de energla cinetica se calcula como una funcion del cambio del radio de las esferas, q, a medida que una onda se desplaza a traves de las esferas, la energla perdida por colision en las esferas, Ep, y el numero de esferas, N, en la cadena:

EC,

EC

FUERA _ J

DENTRO

2 (1 - qf - Ep

(1 - q)3 1 + (1 - q)3

N-1

2

(1)

Los valores de q y N son fijados por el experimento; el termino de la perdida se define por la relacion de la fuerza de 10 carga cuando dos partlculas se juntan bajo la influencia de una onda y las fuerzas de descarga, cuando se separan. La disminucion de energla cinetica prevista por la Ecuacion (1), ECfuera/ECdentro, es independiente del tamano de las esferas. La disminucion de energla cinetica se produce porque cada partlcula absorbe algo de la energla incidente y esa energla permanece con la partlcula. Observese que para valores pequenos de N, una cadena de tamano constante (q = 0) muestra una pequena perdida de energla cinetica. Para valores de q del orden del 10% y 15 perdidas elasticas de aproximadamente el 5%, tanto como el 80% de la energla de entrada se puede absorber en una cadena de 20 esferas. Las pruebas experimentales confirman la prediction teorica. El gran numero de nanopartlculas en un recubrimiento tlpico proporciona un gran numero de los puntos de contacto de partlcula a partlcula requeridos por la Ecuacion (1) y tambien sirve para disipar la energla cinetica rodeada por la onda de choque incidente sin un calentamiento apreciable del recubrimiento.

20

[0038] Las pruebas experimentales y la teorla indican que el concepto y su beneficio de atenuacion de

choque son independientes del tamano de las partlculas. Ese hecho abre la puerta para usar los principios para disenar nanoestructuras con una estructura similar a una cadena gradual. Tal estructura es inherentemente tridimensional y se halla mas alla de los modelos teoricos actuales. Sin embargo, una cuidadosa consideration 25 indica que se describe mejor como un array con gradiente de nanopartlculas; una estructura gradual en multiples direcciones y que ofrece una atenuacion aumentada de ondas de choque recibidas. La estructura se podrla hacer a partir de monocapas de nanopartlculas depositadas en un sustrato empezando con el radio mas pequeno y creciendo con un q de aproximadamente el 10%, el gradiente de las monocapas se podrla invertir, cualquiera de los dos gradientes se podrla repetir en orden o se podrlan construir gradientes alternantes que inviertan el orden de las 30 capas de nanopartlculas o se podrlan usar multiples capas de cada tamano de partlcula para construir el gradiente. Ademas, las nanopartlculas modificadas qulmicamente presentan la oportunidad de anadir funcionalidad a la nanoestructura. Las nanoesferas pueden ser solidas y estar hechas de cualquier numero de pollmeros, metales, ceramicas u otros materiales, de manera que se puedan variar las propiedades elasticas y las fuerzas interpartlculas. Las nanopartlculas huecas ofrecen una capacidad interesante de insertar vaclos, esferas 35 fragmentadas bajo compresion por la onda de choque, que solo actuarlan cuando las partlculas se comprimieran mediante una fuerza suficiente. Se pueden construir corazas de nanopartlculas de pollmero para portar otros materiales dentro de la nanopartlcula, proporcionando los medios para incluir en la estructura indicadores del paso de una onda expansiva o la habilidad de liberar un agente beneficioso para los usuarios al activarse por la onda expansiva. El producto final es un recubrimiento de peso ligero que no cambia la flexibilidad del material tratado y se 40 puede hacer transparente por la cuidadosa selection de materiales de nanopartlculas. Tomadas en conjunto, estas caracterlsticas de arrays con gradiente nanoestructurados proporcionan un menu para el desarrollo de una protection contra ondas expansivas con aplicaciones especlficas.

[0039] Una version supone una estructura que incorpora capas de alotropos del carbono (fullereno,

45 nanotubos o grafeno) y/o de compuestos de alotropos del carbono-pollmero en la estructura global. Los alotropos del carbono proporcionan una resistencia aumentada a la nanoestructura ya que estos materiales figuran entre los mas resistentes conocidos. Una realization emplea "pilas" o "capas" de tales estructuras con el carbono y/o compuestos de carbono intercaladas y definiendo el llmite de capas o pilas. El efecto, en cada interfaz de carbono, es crear una onda que se desplace hacia atras que cause la atenuacion de la onda de choque incidente, as! como 50 una onda de choque transmitida hacia delante reducida en gran medida, que pase a la siguiente capa de la estructura. Una pila de 50 estructuras de nanopartlculas con gradiente (cada una compuesta de 30 capas de nanopartlculas) y capas de compuestos darla como resultado un recubrimiento de 1 mm de espesor y una atenuacion significativa de la onda de choque incidente. Esta estructura tendrla un espesor de aproximadamente 100 pm o 10 pelos humanos.

[0040] En una realization experimental, se hicieron muestras usando una tecnica de recubrimiento por centrifugation y que median aproximadamente 6 cm2. Se emplearon muestras que tenian una amplia variedad de gradientes y emplearon nanoparticulas solidas de polimero, solidas de silice, huecas de poKmero y llenas (con

5 hidrocarburos de cadena larga, como prototipos) de silice. Tambien se usaron recubrimientos monodispersos, gradientes graduales (de grande a pequeno y de pequeno a grande) y gradientes repetitivos usando sustratos de policarbonato tratados con luz ultravioleta para hacer la superficie polar. La mayoria de las muestras emplearon un empaquetamiento hexagonal compacto de las nanoparticulas. Los recubrimientos habitualmente tenian un gradiente gradual de 320nm/ 260nm/ 220nm/ 160nm/ 130nm. Un probador de impacto hecho en laboratorio se uso para

10 explorar los efectos de las nanoestructuras sobre la onda de choque causada por el impacto de una masa que caiga. Lo maximo en la onda de choque del impacto se redujo de magnitud y se demoro con relation a la initiation del evento. La fuerza reducida tambien se esparcio por una region temporal mas grande para minimizar el efecto neto. Un listado de algunos de los resultados de los presentes inventores se contiene en la tabla que se muestra a continuation, junto con breves descripciones de los gradientes de las nanoesferas.

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[0041] La siguiente tabla muestra resultados experimentales del choque del impacto para nanoesferas de poliestireno o de silice entre dos chapas de policarbonato tratadas. Las nanoparticulas eran esferas solidas, excepto el tamano de 400nm, que eran huecas:

Muestra: Fuerza max., N Anchura, ms Demora, ms Comentarios

Sensor desnudo: 1334 0,16 — Control-sin ninguna muestra

Policarbonato x2: 1156 0,27 0,10 Control-dos sustratos de policarbonato

#1: 872 0,31 0,18 130-160-220-260: 8 repeticiones/4 capas

#3: 783 0,30 0,21 130-160-220-260-220-160: 5 repeticiones/6 capas

#5: 623 0,34 0,22 130-160-220-260-320-400-320-260-220-160: 3 repeticiones/10 capas

#7: 712 0,31 0,20 150-150-150 (silice): 30 repeticiones/1 capa

#8: 578 0,34 0,24 320-400:13 repeticiones/2 capas

#10: 712 0,30 0,21 400-320-260-220-160-130:4 repeticiones/6 capas

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[0042] Las realizaciones descritas anteriormente, aunque incluyen la realization preferida y el mejor modo de

la invention conocido para el inventor en el momento de la presentation, solo se dan como ejemplos ilustrativos. Se apreciara facilmente que se pueden hacer muchas desviaciones con respecto a las realizaciones especificas descritas en esta memoria descriptiva sin desviarse del alcance de la invention como se define en las 25 reivindicaciones anexas. Segun esto, el alcance de la invention se determinara por las siguientes reivindicaciones en lugar de estar limitado a las realizaciones descritas de manera especifica anteriormente.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un material de atenuacion de onda de choque (100), que comprende:

5 una pluralidad de capas de atenuacion de choque (110), incluyendo cada una:

(i) una capa de nanopartlculas con gradiente (114) que incluye una pluralidad de nanopartlculas (120) de diferentes diametros que se disponen en un gradiente; y

(ii) una capa de alotropos del carbono (118) dispuesta adyacente a la capa de nanopartlculas con gradiente (114), 10 incluyendo la capa de alotropos del carbono (118) una pluralidad de miembros alotropos del carbono (128)

suspendidos en una matriz (124).
2. El material de atenuacion de onda de choque de la Reivindicacion 1, en el que la capa de nanopartlculas con gradiente (114) comprende nanopartlculas (120) de al menos dos diametros diferentes.

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3. El material de atenuacion de onda de choque de la Reivindicacion 1, en el que los miembros alotropos del carbono (128) se seleccionan de un listado de alotropos del carbono que consiste en: laminas de grafeno, nanotubos de carbono, fullerenos, laminas de grafeno funcionalizadas, nanotubos de carbono funcionalizados, fullerenos funcionalizados y combinaciones de los mismos.

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4. El material de atenuacion de onda de choque de la Reivindicacion 1, que comprende ademas una capa de sustrato (104), en el que la pluralidad de capas de atenuacion de choque (110) se disponen en la capa de sustrato (104).

25 5. El material de atenuacion de onda de choque de la Reivindicacion 1, en el que el gradiente comprende

la pluralidad de nanopartlculas (120) de diferentes diametros dispuestas en un array con gradiente del diametro mas pequeno al diametro mas grande.
6. Un casco (400) o revestimiento de casco que comprende el material de atenuacion de onda de choque 30 de la Reivindicacion 1.
7. El casco (400) de la Reivindicacion 6, que comprende ademas un material seleccionado del grupo que consiste en: un plastico de alta densidad, un compuesto, fibra de vidrio, un compuesto de fibra sintetica de para- aramida, un vinilo, acrilonitrilo butadieno estireno, un acrllico, un metal.

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8. Una unidad de blindaje (500) que comprende el material de atenuacion de onda de choque de la Reivindicacion 1, en la que la unidad de blindaje (500) comprende ademas un elemento estructural (502) y una chapa de blindaje (510).

40 9. La unidad de blindaje (500) de la Reivindicacion 8, en la que el elemento estructural (502) comprende

al menos uno de un techo, un suelo o una pared de un vehlculo.
10. La unidad de blindaje (500) de la Reivindicacion 8, en la que el elemento estructural (502) comprende un ensamblaje de blindaje corporal.

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11. Una unidad de blindaje corporal personal (600) que comprende una chapa de ceramica (602), un miembro de gran masa (610), y el material de atenuacion de onda de choque de la Reivindicacion 1 dispuesto en el miembro de gran masa.

50 12. La unidad de blindaje corporal personal (600) de la Reivindicacion 11, en la que el miembro de gran

masa (610) comprende un material seleccionado de un listado de materiales que consiste en: polietileno de peso molecular ultraelevado, un compuesto de fibra sintetica de para-aramida, un compuesto de fibra de carbono, un metal, una ceramica o combinaciones de los mismos.

55 13. Una cubierta de ordenador o de hardware que comprende el material de atenuacion de onda de

choque de la Reivindicacion 1.
14. Un recubrimiento exterior, pellcula, capa intermedia y/o panel que comprende el material de

atenuacion de onda de choque de la Reivindicacion 1, aplicado a equipos pre-existentes.
15. Una espinillera de futbol, protector para el pecho de un receptor de beisbol, hombrera de futbol

americano, guante de beisbol, palo de golf o bate de beisbol que comprende el material de atenuacion de onda de choque de la Reivindicacion 1.