ITFI20090130A1 - Componenti per corazze ceramiche. - Google Patents
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Description
Titolo: Componenti per corazze ceramiche
Campo dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce al campo dei componenti per corazze in ceramica
Stato dell'arte
Le corazze in ceramica sono utilizzate per la protezione del corpo e di vari tipi di veicoli di terra, navi o aerei.
In generale una corazza ceramica comprende una piastra ceramica e materiale composito di supporto. Normalmente la piastra è applicata ad un substrato e quindi incapsulata in una copertura esteriore, detti substrato e copertura esteriore rappresentano il materiale composito di supporto della corazza.
La corazza (costituita da piastra e materiale composito di supporto) è poi applicata al veicolo attraverso vari mezzi di fissaggio appropriati o semplicemente disposta in una tasca come ad esempio nel caso di corazze per il corpo.
La funzione della piastra ceramica è di fermare il proiettile mentre il materiale composito di supporto ha il compito di mantenere in posizione la piastra ceramica durante l'impatto e di catturare i frammenti prodotti dall'impatto dissipando la loro energia meccanica attraverso una deformazione plastica. Una caratteristica importante dei componenti ceramici delle corazze è la loro capacità di opporsi ad una molteplicità di urti in un'area relativamente piccola. La sfida nello sviluppo di corazze ceramiche resistenti a urti molteplici (multi-hit) è di poter controllare il danno subito dalla corazza dopo l'impatto. Questa caratteristica è infatti implicita nel caso di corazze di acciaio, in conseguenza della duttilità e capacità di resistere alle deformazioni plastiche, ma nelle corazze ceramiche deve essere raggiunta con un adeguato disegno dei componenti.
Il danno prodotto nella piastra ceramica dall'impatto di un proiettile può essere classificato come segue:
una zona di materiale altamente polverizzato a forma di cono nel punto di impatto del proiettile,
crepe radiali e circolari;
spalling, attraverso lo spessore e in direzione laterale a causa di impulsi di tensione riflessi e
impatto di frammenti minuti.
La propagazione delie crepe si arresta sul limite della piastra colpita se la rete fra le piastre è disegnata in modo appropriato; tuttavia l'onda d'urto può arrivare a propagarsi nelle piastre adiacenti a quella colpita danneggiandole. Per quanto riguarda la piastra in ceramica il modo più comune per aumentare le capacità di resistenza multi-hit è l'uso di mosaici di piastre ceramiche. La separazione fisica fra le varie piastre costituisce una barriera alla propagazione delle crepe che si originano al momento dell'impatto. In questo modo l'area di superficie ceramica danneggiata dall'impatto si limita alla dimensione della piastra o al massimo a una porzione della superficie di due piastre se l'impatto avviene nel loro punto di giunzione.
Tuttavia la soluzione esposta presenta vari problemi nella sua realizzazione industriale in quanto è necessario ridurre la minimo il distacco fra le varie piastre, infatti mentre una minima distanza fra le piastre (0.1 - 3 mm) può essere positiva una distanza eccessiva (0.5 mm o più) rappresenterebbe un punto di debolezza che deve essere assolutamente evitato.
Per quanto detto la costruzione del mosaico su scala industriale rappresenta la fase più laboriosa e delicata di tutto il processo; l'allineamento delle piastre viene effettuato normalmente a mano da personale specializzato mentre la necessità di rispondere a richieste di resistenza multi-hit sempre maggiore obbliga ad adottare mosaici basati su piastre ceramiche sempre di più piccole (ad esempio 20mmx20mm or 30mmx30mm). E' evidente come usando piastre così piccole il loro numero per metro quadro aumenta rapidamente a più di 1000-2000 unità.
Inoltre una volta costituito il mosaico è necessario verificare che il distanziamento fra le piastre sia inferiore ad un massimo consentito (che generalmente è 0.3/4mm) e la sola possibilità è passare il manufatto ai raggi X con tutti i costi connessi con l'esecuzione di una tale procedura.
Per superare i problemi suddetti si è pensato di utilizzare piastre più grandi che presentino delle discontinuità nella loro struttura. Dette discontinuità sono costituite da intagli sia passanti (ricavati cioè nell'intero spessore della piastra ceramica) sia solo parziali (ricavate cioè solo per un tratto dello spessore). Detti intagli fungono da barriere di arresto contro la propagazione delle crepe causate dall'impatto.
Nelle domande di brevetto EP 1 878 933, WO 2005114089 e GB 2377006, sono descritte varie realizzazione in cui è stata applicata la soluzione sopra descritta.
Tuttavia anche la soluzione proposta non si è rilevata particolarmente soddisfacente ed in particolare presenta seri problemi in fase di produzione in quanto non è facile ottenere i necessari intagli nel corpo della piastra ceramica vista la sua eccezionale durezza.
Ed infatti la letteratura sopra riportata fa riferimento alla necessità di lavorazione meccanica o a complessi processi di formatura in più stadi e sempre con carburi ceramici.
Poiché il mercato costantemente richiede corazze robuste, a basso costo e di facile produzione capaci di alte prestazioni multi-hit è evidente alla luce di quanto detto sopra la necessità di sviluppare piastre ceramiche che non richiedano né una complessa struttura a mosaico ne presentino le difficoltà di realizzazione connesse con la realizzazione degli intagli come descritto nello stato dell'arte sopra riportato.
Sommario dell'invenzione
Sono descritte piastre ceramiche per corazze in cui dette piastre presentano canali passanti disposti nel corpo della piastra stessa
Breve descrizione delle figure
La figura 1 (a - b) rappresenta schematicamente una piastra in ceramica per corazze secondo l'invenzione e una sezione perpendicolare al piano rispettivamente.
La figura 2 (a - c) rappresenta, in Sezione, alcune particolari realizzazioni di canali secondo l'invenzione.
La figura 3 (a - e) rappresenta varie realizzazioni dell'invenzione in cui i canali sono disposti secondo geometrie diverse.
Descrizione dettagliata dell'invenzione
E' stato ora sorprendentemente trovato che piastre ceramiche che presentano canali cilindrici passanti, variamente distribuiti nel corpo ceramico, si prestano perfettamente alla produzione di corazze ceramiche eliminando gli inconvenienti di produzione di cui sopra ed offrendo inoltre altri inaspettati vantaggi rispetto alle analoghe piastre ad intagli come qui di seguito illustrato.
Come si vede dalla Fig. 1 le piastre ceramiche per corazze secondo l'invenzione sono normali piastre aventi un corpo 10 nel quale sono presenti canali 11 che uniscono le due superfici opposte delia piastra.
I bordi della piastrella possono essere lisci e continui oppure presentare lungo la loro superficie cavità 12 costitute da una parte (preferibilmente la metà) dei canali 11 (come mostrato appunto in Fig. 1).
I canali 11 presenti nella piastra possono essere semplici fori ricavati direttamente nel corpo della piastra stessa oppure esse costituiti da tubi cavi di materiale ceramico, o di altro materiale, disposti nel corpo della piastra a costituire un canale aperto su entrambe le superficie opposte della piastra. I canali 11 possono avere sezione circolare o poligonale (ad esempio , quadrata, triangolare, esagonale, pentagonale ecc.) e possono essere disposti perpendicolarmente alle due superfici della piastra, che collegano fra loro dall’interno della piastra, o inclinati rispetto ad esse.
Preferibilmente i canali secondo l'invenzione hanno dimensioni interne comprese fra 0,5 e 5mm. Inoltre, se necessario, i canali possono presentare una sezione interna rettangolare (vedi figura 1 (a)), conica, biconica, o, se preferito, i canali potranno essere rastremati ad una, o a entrambe, le loro estremità (vedi Fig. 2 (a - c) rispettivamente).
La presenza dei canali secondo l'invenzione incrementa notevolmente la resistenza multi-hit in quanto consente di ostacolare la propagazione dell'onda d'urto attraverso il materiale creando una serie di linee di diffrazione interne al materiale stesso. La formazione delle onde di shock all’impatto fra proiettile e corazza e la loro propagazione all’interno dei materiali ceramici è tra le principali cause di cedimento dei componenti ceramici. E’ noto in letteratura che l’attenuazione delle onde di shock all’interno dei componenti ceramici permette un significativo miglioramento delle loro prestazioni balistiche. Questa attenuazione è generalmente ottenuta introducendo discontinuità di tipo longitudinale (US4.704.943 e US20090136702). In questa invenzione le discontinuità sono presenti lungo tutto lo spessore del materiale ceramico e ed uniformemete distribuite sulla sua superficie, aumentando notevolmente la capacità di attenuazione
Se preferito la il volume interno del canale può essere funzionalizzato con materiali aventi una impedenza acustica molto diversa rispetto a quella della matrice ceramica come ad esempio materiali plastici (impedenza acustica bassa) o materiali ceramici/ metallici (impedenza acustica elevata) come ad esempio allumina, zirconia, carburo di boro o di silicio, nitruro di silicio, silice o loro combinazioni, rame, ferro, acciaio e tungsteno.
In questo modo è possibile modulare la capacità di attenuazione delle onde di shock in funzione di quelle che sono le diverse minacce da arrestare, ognuna delle quali, avendo velocità di impatto diverse, genera treni di ode di diversa frequenza ed intensità.
Un ulteriore vantaggio di questa invenzione è la riduzione di peso che si ottiene con la presenza dei canali, caratteristica che è di fondamentale importanza nelle corazze balistiche in quanto rappresentano sempre un peso parassita.
Secondo l'invenzione le piastre ceramiche sono costituite dai materiali ceramici correntemente utilizzati a questo scopo: ossido di alluminio, carburo di boro, carburo di silicio, vetroceramici, diboruro di titanio o loro miscele e altri prodotti simili e la loro produzione è realizzata secondo processi noti vuoi per stampo che per estrusione.
Analogamente i canali secondo l'invenzione possono essere facilmente realizzati semplicemente per pressatura a freddo in stampi con matrici a punzoni oppure per estrusione. Queste tecniche di formatura sono quelle più utilizzate per la produzione di massa.
L'eventuale funzionalizzazione può facilmente essere condotta o in fase di produzione del pannello balistico o come fase intermedia dopo la produzione del manufatto ceramico. Il riempimento dei canali può essere facilmente condotto in un secondo tempo, successivamente alla produzione della piastrella monolitica, ad esempio per fusione di materiali plastici, materiali metallici o materiali vetrosi. Nel caso di materiali ceramici i canali possono venire riempiti con polveri che vengono poi sinterizzate con un secondo trattamento termico. Un secondo sistema di produzione consiste nella coformatura di due polveri ceramiche o di ceramica e metallo. Recentemente sono stati messi a punto sistemi di co-iniezione di materiali ceramici di diversa natura per ottenere manufatti ceramici componenti. Un altro sistema consiste nel riempimento di uno stampo con due polveri, una che costituisce la matrice e la seconda i canali, con la seconda disposta verticalmente in forma di canali. Sistemi di dosaggio di più componenti che poi vengono ad essere co-sinterizzati sono ben noti ed utilizzati in molti settori delle ceramiche tecniche, polveri secondo un profilo
Si noti come la realizzazione di piccoli canali permette l'ottenimento di una piastrella avente una "omogeneità" molto maggiore rispetto alle soluzioni con intagli proposte dallo stato dell'arte.
Infatti in questo caso si può raggiungere una discontinuità dell'ordine di 2-10 mm (canali di 1 mm di diametro distanziati almeno 2 mm tra loro) contro le decine di mm (20-50 mm) realizzabili con gli intagli. Una densità di discontinuità di due ordini di grandezza superiore (una ogni 2x2 mm contro una ogni 20/50x20/50 mm) esalta gli effetti e migliora l'arresto della propagazione delle fratture. La presenza dei canali offre inoltre la possibilità di connettere meccanicamente le due parti del composito balistico portando ad una struttura potenzialmente molto più resistente e compatta, cosa che con gli intagli non è possibile realizzare vista la necessità di doverli realizzare in sezioni non maggiori di 0.5 mm.
L'elevata densità di discontinuità che è possibile realizzare facilita la resistenza multihit in quanto vicino al punto di impatto ci saranno sempre dei punti di congiunzione tra le due parti dei pannello composito (anteriore e posteriore) che andranno ad aumentare il confinamento della ceramica e come è noto in letteratura il confinamento delia ceramica ne aumenta il multihit. I frammenti di ceramica generati nell'impatto saranno tenuti insieme e confinati meglio per l'elevata densità delle connessioni rispetto a quanto avviene con soluzioni alternative.
I canali secondo l'invenzione possono essere distribuiti nel corpo ceramico in modo casuale o secondo disegni geometrici ripetuti, come ad esempio: in file parallele equidistanti o a distanze variabili fra fila e fila oppure distribuiti in modo da costituire una disposizione quadrata, esagonale, a stella, ecc. come schematicamente rappresentato in Figura 3 o secondo disegni più complessi.
Claims (10)
- Rivendicazioni 1. Piastre ceramiche per corazze in cui dette piastre presentano canali passanti disposti nel corpo della piastra stessa.
- 2. Piastre secondo la rivendicazione 1 in cui detti canali sono semplici fori cilindrici ricavati direttamente nel corpo della piastra stessa oppure sono costituiti da cilindri cavi di materiale ceramico, o di altro materiale, disposti nel corpo della piastra.
- 3. Piastre secondo la rivendicazione 2 in cui detti canali sono disposti perpendicolarmente alle superfici della piastra o inclinati rispetto ad esse.
- 4. Piastre secondo le rivendicazioni 1 - 3 in cui detti canali hanno diametro medio interno compreso fra 0,5 e 5mm.
- 5. Piastre secondo la rivendicazione 4 in cui detti canali hanno sezione interna rettangolare, conica o biconica.
- 6. Piastre secondo la rivendicazione 5 in cui la superficie interna del canale è funzionalizzata con materiali aventi una impedenza acustica molto diversa rispetto a quella della matrice ceramica
- 7. Piastre secondo la rivendicazione 6 in cui detti materiali sono scelti fra polimeri organici, materiali ceramici quali: allumina, zirconia, carburo di boro o di silicio, nitruro di silicio, silice o loro combinazioni, materiali metallici quali rame, ferro, acciaio e tungsteno.
- 8. Piastre secondo le rivendicazioni 1 - 7 costituite da: ossido di alluminio, carburo di boro, carburo di silicio, vetroceramici, diboruro di titanio o altri prodotti simili o loro miscele.
- 9. Processo per la fabbricazione di piastre secondo le rivendicazioni 1 - 8 in cui i canali sono realizzati semplicemente per pressatura a freddo in stampi con matrici a punzoni oppure per estrusione e l'eventuale funzionalizzazione è realizzata in fase di produzione del pannello balistico o come fase intermedia dopo la produzione del manufatto ceramico.
- 10. Corazze comprendenti piastre ceramiche secondo le rivendicazioni 1 - 9.
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