ITMI20091223A1 - Struttura multistrato per la realizzazione di protezioni balistiche - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE

La presente invenzione riguarda una struttura per la realizzazione di protezioni balistiche, in particolare del tipo rigido.

E’ noto che allo scopo di fornire protezione contro proiettili sparati da pistola (alla velocità dell’ordine dei 400 m/sec) si utilizzano elementi ottenuti dalla sovrapposizione di strutture tessili morbide o flessibili composte da fibre ad alta resistenza. Tali strutture possono essere impregnate in matrici sintetiche per migliorarne il comportamento balistico, ovvero per incrementarne la capacità di assorbimento dell’impatto, senza alterarne la morbidezza e flessibilità. Tuttavia, le strutture balistiche così realizzate non risultano idonee ad arrestare il proiettile incidente, e quindi a fornire adeguata protezione, nel caso di proiettili sparati da fucile. In tale ambito, si utilizzano strutture composite rigide.

Esempi di strutture rigide per protezione balistica sono forniti nei brevetti US4836084, US4613535 ed US6893704.

Sui mercato sono disponibili piastre balistiche ottenute dalla sovrapposizione e compattazione di strati di tessuti unidirezionali comprendenti fibre di polietilene UHMW come per esempio le fibre commercializzate con i marchi Dyneema® e Spectra®. Tali strutture sono in grado di arrestare proiettili del tipo 7.62 Nato Ball sparati a velocità di 830 m/sec, teoricamente anche con peso pari a circa 16 kg/m<2>; tuttavia non soddisfano i requisiti imposti dalle normative (in particolare, le normative N.I.J. 0101.03 e 0101.04) in quanto superano il massimo valore di trauma ammesso che è di 44 mm. Pertanto, è necessario utilizzare tali piastre in combinazione con un giubbotto antiproiettile soffice che contribuisca alla riduzione del trauma oppure incrementarne il peso fino ad un valore di circa 19 kg/m<2>; tali modifiche tuttavia, oltre a causare disagio quando si indossa la protezione a causa del peso più elevato, comportano anche un aumento del costo dell’elemento protettivo.

Scopo principale della presente invenzione è quello di proporre un elemento di protezione balistica che consenta di ridurre i valori di trauma, senza compromettere il potere di arresto nei confronti di proiettili sparati sia da pistola che da fucile, e con riduzione dei costi e tempi di fabbricazione dell’elemento protettivo.

A questo risultato si è pervenuti, in conformità della presente invenzione, attraverso la realizzazione di una struttura per la realizzazione di protezioni balistiche comprendente una pluralità di elementi tessili distinti e cooperanti tra loro per la dissipazione dell’energia connessa all'impatto di un proiettile incidente secondo una direzione (X), struttura caratterizzata dal fatto che tra un primo elemento tessile (1) e un secondo elemento tessile (2) della pluralità di elementi è interposto un terzo elemento (3) che costituisce una superficie di discontinuità tra essi.

Tale terzo elemento può essere di natura tessile oppure di altro materiale come ad esempio schiume, elastomeri, gomme, strutture a nido d’ape (e.g. di alluminio) o materiali comunque compressibili.

Secondo una realizzazione della presente invenzione il terzo elemento ha una durezza almeno il 10% inferiore rispetto a detta pluralità di elementi tessili.

Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione gli elementi tessili (1, 2) comprendono fibre in grado di dissipare parte dell’energia connessa all’impatto del proiettile incidente per modifica della fase cristallina. Tali fibre possono anche avere la caratteristica di subire un cambiamento dello stato fisico in seguito all’impatto del proiettile incidente, per esempio perfusione.

Inoltre, vantaggiosamente, gli elementi tessili comprendono fibre di polietilene, in particolare fibre di polietilene UHMW, come ad esempio fibre del tipo Dyneema® o Spectra®.

Secondo un’ulteriore realizzazione vantaggiosa della presente invenzione, è previsto un quarto elemento, posto posteriormente rispetto alla pluralità di elementi tessili (1, 2) con la funzione di ridurre ulteriormente il valore di trauma. Tale quarto elemento potrà essere costituito da materiale compressibile come ad esempio feltro, schiume, elastomeri, gomma, strutture a nido d’ape (e.g. di alluminio).

E’ altresì vantaggiosamente previsto che la struttura comprenda un elemento ceramico disposto anteriormente rispetto a detti elementi tessili. Tale elemento ceramico può essere realizzato per esempio con ceramiche a base di ossidi di carburi o nitruri (per esempio allumina, carburo di boro, carburo di silicio, nitruro di boro e nitruro di silicio).

Secondo una ulteriore caratteristica della presente invenzione, detta pluralità di elementi tessili è realizzata con filati aventi resistenza a trazione maggiore o uguale a 30 g/den.

Secondo una possibile forma di realizzazione della presente invenzione, le fibre dei vari strati di elementi tessili possono essere parallele tra loro o anche orientate tra loro con un angolo compreso tra 0° e 90° (per esempio 45°).

I vari strati di elementi tessili possono anche essere impregnati anche parzialmente con polimeri termoplastici, termoindurenti o elastomerici o loro combinazioni.

Grazie alla presente invenzione è possibile realizzare un elemento di protezione balistica particolarmente efficace sia nei confronti di proiettili sparati da pistola sia nei confronti di proiettili sparati da fucile. Inoltre, un elemento protettivo in conformità dell’invenzione consente di ridurre i valori di trauma senza ridurre il potere di arresto esercitato nei confronti dei proiettili incidenti e, al contempo, consente di ridurre il peso ed il costo della protezione.

Questi ed ulteriori vantaggi, scopi e caratteristiche della presente invenzione saranno più e meglio compresi da ogni tecnico dalla descrizione che segue e dai disegni allegati, relativi ad esempi di realizzazione aventi carattere esemplificativo, ma da non intendersi in senso limitativo, nei quali:

- la Fig.1 rappresenta una schematica vista in sezione verticale di una struttura per la realizzazione di protezioni balistiche in conformità di una possibile forma di attuazione della presente invenzione;

- la Fig.2 rappresenta una schematica vista esplosa della struttura di Fig.1.

Con riferimento alle figure degli annessi disegni, una protezione balistica in conformità della presente invenzione comprende una struttura (S) con due o più elementi tessili (1, 2) distinti tra loro. Interponendo un elemento (3) tra gli elementi (1) e (2), creando una discontinuità tra tali elementi, si ha una diminuzione del valore di trauma (-8mm) ed un aumento della V50 (+20 m/sec).

L'elemento di discontinuità (3) può essere costituito da qualsiasi materiale, anche per esempio carta, lastre di polimeri di vario tipo o film. Particolarmente vantaggioso è l'utilizzo di materiali compressibili, con durezza inferiore a quella della pluralità degli elementi tessili (1, 2) come per esempio: feltri, schiume, polimeri viscoelastici, termoplastici o termoindurenti o elastomerici, lastre di schiuma di vario spessore, tessuti non tessuti, reti, strutture a nido d’ape (e.g. di alluminio).

L’elemento di discontinuità (3) ha normalmente uno spessore compreso fra 0,05mm e 10mm. In una forma di realizzazione preferita della presente invenzione tale spessore è compreso tra 2 e 3 mm.

Nell’esempio mostrato in Fig.1 sono rappresentati per comodità due elementi tessili (1 e 2) e un elemento di discontinuità tra i due elementi tessili (1, 2). Tuttavia è possibile comprendere una pluralità di elementi tessili, anziché solo due elementi e, analogamente, più di un elemento di discontinuità (3) tra elementi tessili adiacenti.

Inoltre, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, un quarto elemento è posto in posizione posteriore agli elementi tessili (1 , 2) con riferimento alia direzione (X) del proiettile incidente, con lo scopo di ridurre ulteriormente il trauma causato dall’impatto del proiettile. Tale quarto elemento può essere composto da materiali compressibili come per esempio: feltri, schiume, polimeri viscoelastici, termoplastici o termoindurenti o eiastomerici, lastre di schiuma di vario spessore, tessuti non tessuti, strutture a nido d’ape (e.g. dì alluminio). Alla struttura sopra descritta possono essere associati uno o più elementi ceramici (C).

La struttura (S) può essere sprovvista degli elementi ceramici (C) se destinata alla realizzazione di elementi atti a fornire protezione nei confronti di proiettili non perforanti. L’impiego degli elementi ceramici (C) si rivela vantaggioso se la struttura (S) è destinata alla realizzazione di elementi atti a fornire protezione nei confronti di proiettili sparati da fucile, in particolare proiettili di tipo penetrante (7,62x51AP), per esempio con anima in acciaio con durezza minima HRC64 oppure in carburo di tungsteno.

I detti elementi ceramici (C), i quali possono essere realizzati, ad esempio, con ceramiche a base di ossidi di carburi o nitruri, possono essere monolitici, o costituiti da sub-elementi ceramici giustapposti come schematicamente rappresentato in Fig.1 e Fig.2. Tali elementi ceramici possono anche avere superficie non complanare per una migliore dissipazione di energia.

Inoltre, gli elementi tessili (1, 2), posti a valle degli elementi ceramici, possono essere realizzati con fibre di Politene UHMW come fibre dei tipo Dyneema® o Spectra®, che possono essere impregnate con elastomeri tipo Kraton®.

Vantaggiosamente, il polietilene con cui sono realizzate le fibre degli elementi tessili (1 , 2) è scelto dal gruppo comprendente polietilene UHMW, polietilene HDPE e loro miscele.

Le fibre dei vari strati di elementi tessili (1, 2) possono essere parallele tra loro o anche orientate tra loro con angolazione compresa tra 0° e 90° (ad esempio, con angolazione di 45° come schematicamente rappresentato in Fig.2, in cui le fibre del primo elemento tessile sono contraddistinte dal riferimento “F1" e quelle del secondo elemento tessile sono contraddistinte dal riferimento “F2”).

Gli elementi tessili (1, 2) possono anche essere impregnati con polimeri termoplastici o termoindurenti o elastomerici o loro combinazioni. L’utilizzo di resine termoplastiche o termoindurenti o elastomeriche, eventualmente miscelate tra loro, consente all'elemento (1) di contribuire all’arresto del proiettile incidente grazie alla coesione indotta nelle fibrille che compongono la struttura deH'elemento tessile tra loro. In conformità di una possibile forma di attuazione della presente invenzione, gli elementi tessili (1, 2} possono essere formati mediante sovrapposizione e compattazione di più strati di tessuto unidirezionale composto da fibre aventi un modulo di elasticità maggiore di 60 GPa. Vantaggiosamente, le dette fibre possono inoltre presentare allungamento superiore al 3%, orientamento delle catene molecolari (Hermann orientation parameter ) superiore all’80%, cristallinità superiore al 65% e peso specifico compreso tra 0,94 e 0.99 kg/m<3>.

La struttura (S) sopra descritta consente di ottenere una drastica riduzione dei valori di trauma e contemporaneamente un valore di V50 sostanzialmente uguale o addirittura maggiore rispetto a una struttura di pari peso. E’ così possibile realizzare piastre balistiche più leggere ma pienamente rispondenti alle normative in vigore, rispettando i parametri imposti dai capitolati, sia con riferimento ai valori di trauma che alla V50.

I “pacchetti” costituiti dalla pluralità di elementi tessili (1, 2) e dall’almeno un elemento di discontinuità (3) delia struttura (S) possono essere incollati tra loro saldamente, debolmente o per nulla.

Sorprendentemente si ottengono risultati particolarmente vantaggiosi quando tali pacchetti sono debolmente incollati tra loro o quando non sono affatto incollati.

Prove sperimentali hanno permesso di accertare che, a parità di V50, quando gli elementi (1), (2) e (3) non sono incollati tra loro, si verifica una riduzione del valore di trauma (-6 mm) rispetto al valore di trauma relativo ad una struttura costituita dagli stessi elementi (1), (2) e (3) incollati.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la struttura (S) è composta per circa il 60% in peso dall’elemento (1), per circa il 36% in peso dall’elemento (2) e per circa il 4% in peso dall’elemento (3).

Va da sé che ulteriori combinazioni sono possibili, in funzione della desiderata combinazione di valore di trauma e V50.

Per la realizzazione della struttura (S) sono vantaggiosamente utilizzabili presse, autoclavi e altri sistemi di produzione tradizionali. Resta inteso che, neH’ambito della presente invenzione, il termine “polimero” è riferito sia a materiale polimerico di natura organica che a resine, naturali o sintetiche, e loro miscele. Resta altresì inteso che il termine “fibra” è riferito a corpi allungati, con dimensione longitudinale molto maggiore della dimensione trasversale.

In pratica i particolari di esecuzione possono comunque variare in maniera equivalente per ciò che attiene ai singoli elementi costruttivi descritti e illustrati e alla natura dei materiali indicati senza per questo uscire dall’idea di soluzione adottata e perciò restando nei limiti della tutela conferita dal presente brevetto.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1) Struttura per la realizzazione di protezioni balistiche rigide, comprendente una pluralità di elementi tessili (1 , 2) distinti e cooperanti tra loro per la dissipazione dell'energia connessa all'impatto di un proiettile incidente secondo una direzione (X), struttura caratterizzata dal fatto che tra un primo elemento tessile (1 ) e un secondo elemento tessile (2) è interposto un terzo elemento (3) che costituisce uno strato di discontinuità tra essi.
2. 2) Struttura secondo la rivendicazione 1 in cui il terzo elemento è costituito da materiale compressibile il cui valore di durezza è inferiore alia durezza della pluralità di elementi tessili (1 , 2).
3. 3) Struttura secondo la rivendicazione 2 in cui il terzo elemento è composto da uno dei seguenti materiali: schiume a base di polimeri elastomerici, plastomerici, siliconici termoindurenti o loro miscele in forma di film, reti, feltro, strutture a nido d'ape, gomma.
4. 4) Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che almeno uno degli elementi tessili (1 ) comprende fibre in grado di dissipare parte dell’energia connessa all’impatto del proiettile incidente per modifica della fase cristallina e per modifica dello stato fisico.
5. 5) Struttura secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che dette fibre in grado di dissipare parte dell’energia connessa all’impatto del proiettile incidente modificando la fase cristallina comprendono fibre di polietilene UHMW.
6. 6) Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti comprendente un quarto elemento, costituito da materiale compressibile, posto posteriormente alla pluralità di elementi tessili (1, 2).
7. 7) Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui un primo elemento della pluralità di elementi tessili (1, 2), posto anteriormente agli altri rispetto alla direzione X del proiettile incidente, costituisce almeno il 60% del peso totale della struttura.
8. 8) Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno un elemento ceramico (C) disposto esternamente rispetto a detti elementi tessili (1, 2) e anteriormente rispetto alla direzione del proiettile incidente.
9. 9) Struttura secondo la rivendicazione 8 caratterizzata dal fatto che detto almeno un elemento ceramico (C) è realizzato con ceramiche a base di ossidi di carburi e/o nitruri. 10)Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che almeno uno degli elementi tessili (1, 2) è impregnato con polimeri termoplastici, termoindurenti o elastomerici o combinazione di essi. 11)Articolo protettivo balistico di tipo rigido comprendente una struttura secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10.