ITMN20090019A1 - Struttura 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 deH'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.

Sul 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 sarebbero 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 soddisfarebbero i requisiti imposti dalle normative (in particolare, le normative N.I.J. 0101.03 e 0101.04) in quanto non sarebbe rispettato 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 limitare la praticità 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 comprendente almeno un primo e un secondo elemento tessile distinti e cooperanti tra loro per la dissipazione dell’energia connessa all’impatto di un proiettile incidente, struttura caratterizzata dal fatto che il primo elemento tessile comprende fibre in grado di dissipare parte dell’energia connessa all’impatto del proiettile incidente modificando la fase cristallina e il secondo elemento tessile comprende fibre in grado di dissipare parte del'energia connessa all’impatto del proiettile incidente per fibrillazione. Vantaggiosamente, il detto primo elemento tessile è posizionato anteriormente rispetto al secondo o, in altre parole, sul lato disposto verso l’attacco rispetto alia direzione del proiettile incidente.

Inoltre, vantaggiosamente, il primo elemento tessile comprende fibre di polietilene, in particolare fibre di polietilene UHMW, come ad esempio fibre del tipo Dyneema® o Spectra®. Tipicamente, il detto secondo elemento tessile è realizzato con fibre aramidiche come fibre del tipo Kevlar®, Twaron® o Artec® e loro miscele.

L’impiego di un elemento tessile comprendente fibre in polietilene, o politene, in particolare quando combinate con uno strato comprendente fibre aramidiche, consente di incrementare la performance balistica della struttura in conformità dell’invenzione, diminuendo di oltre 25% il valore di trauma, grazie a un aumento della dissipazione dell’energia di impatto del proiettile.

Secondo una possibile forma di realizzazione della presente invenzione, tra il primo e il secondo elemento tessile è interposto un terzo elemento, che costituisce una superficie di discontinuità tra essi. Tale terzo elemento può essere tessile oppure altro materiale come ad esempio schiume, metalli, elastomeri o materiali comunque compressibili.

Secondo un’ulteriore realizzazione vantaggiosa della presente invenzione, la resistenza a trazione delle fibre del primo elemento tessile è almeno il 10% maggiore della resistenza a trazione del secondo elemento tessile.

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, detto primo elemento tessile è realizzato con filati aventi resistenza a trazione maggiore o uguale a 30 g/den e il detto secondo elemento tessile è realizzato con filati aventi resistenza a trazione maggiore o uguale a 20 g/den.

In conformità della presente invenzione, le fibre del secondo elemento tessile possono essere anche, almeno in parte, impregnate in una matrice a base di polimeri viscosi o viscoelastici che hanno la caratteristica di rimanere liquidi fino a bassissime temperature. Tali materiali hanno una temperatura di transizione vetrosa compresa nell'intervallo tra -40°C e -128°C.

Secondo una possibile forma di realizzazione della presente invenzione, le fibre del detto primo elemento tessile possono essere parallele alle fibre del secondo od anche orientate con un angolo compreso tra 0° e 90° (per esempio 45°) rispetto a queste.

Il detto primo elemento tessile può anche essere impregnato con polimeri termoplastici, termoindurenti o elastomerici o loro combinazioni e posizionato adiacente al secondo elemento tessile anche se non a diretto contatto con esso.

La combinazione di strati tessili realizzati con filati aventi differenti caratteristiche meccaniche, in particolare diversa resistenza a trazione, fornisce risultati particolarmente vantaggiosi.

Grazie alla presente invenzione è possibile realizzare un elemento di protezione balistica particolarmente efficace sia nei confronti di proiettili sparati da pistola che 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.

Ridotta alla sua forma essenziale e 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, in cui la resistenza a trazione del filato di un primo elemento tessile (1) è almeno il 10% maggiore della resistenza a trazione di un secondo elemento tessile (2). I due elementi tessili 1 e 2 secondo la presente forma di realizzazione sono a contatto diretto tra loro e possono essere uniti mediante per esempio sostanze collanti (e.g. polimeri termoindurenti, termoplastici o elastomerici).

Nello schema di Fig.1 , il detto primo elemento tessile (1) è posizionato anteriormente rispetto al secondo (2) con riferimento alla direzione (X) del proiettile incidente.

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 (7,62x51 AP), 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 er una migliore dissipazione di energia.

Detto primo elemento tessile (1) può essere realizzato con filati aventi resistenza a trazione maggiore o uguale a 30 g/den.

Detto secondo elemento tessile (2) può essere realizzato con filati aventi resistenza a trazione maggiore o uguale a 20 g/den.

Inoltre, detto primo elemento tessile (1) può essere realizzato con fibre di Politene UHMW come fibre del tipo Dyneema® o Spectra®, che possono essere impregnate con elastomeri tipo Kraton®.

Vantaggiosamente, il polietilene con cui sono realizzate le fibre del detto primo elemento tessile (1) è scelto dal gruppo comprendente polietilene UHMW, polietilene HDPE e loro miscele.

II secondo elemento tessile (2) può essere realizzato con fibre aramidiche come fibre del tipo Kevlar®, Twaron® o Artec® e loro miscele.

Inoltre, come detto in precedenza, le fibre del secondo elemento (2) possono essere, almeno in parte, impregnate in una matrice a base di polimeri viscosi o viscoelastici liquidi fino a bassissime temperature (i.e. con temperatura di transizione vetrosa tra -40°C e -128°C).

Le fibre del detto primo elemento tessile (1) possono essere parallele alle fibre del secondo (2) od anche orientate con angolazione compresa tra 0° e 90° rispetto a queste (ad esempio, con angolazione di 45° come schematicamente rappresentato in Fig.2, in cui le fibre del primo elemento tessile sono contraddistinte dal riferimento “FI” e quelle del secondo elemento tessile sono contraddistinte dal riferimento “F2”). Il primo elemento tessile (1) può anche essere impregnato con polimeri termoplastici o termoindurenti o elastomerici o loro combinazioni e posizionato adiacente al secondo elemento tessile (2) anche se non necessariamente a diretto contatto con esso. L’utilizzo di resine termoplastiche o termoindurenti, eventualmente miscelate tra loro, consente all’elemento (1) di facilitare l’arresto del proiettile incidente grazie alla formazione di un materiale composito rigido,

in conformità di una possibile forma di attuazione della presente invenzione, il detto primo elemento (1) può essere formato 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 ρΒίΆΓηβίθή superiore all'80%, cristailinità superiore al 65% e peso specifico compreso tra 0,94 e 0.99 kg/m<3>.

Inoltre, il detto secondo elemento (2) può essere formato mediante sovrapposizione e compattazione di tessuti o strati tessili multiassiali opzionalmente impregnati, come per esempio KEVLAR XP.

Il secondo elemento tessile (2) assorbe energia, in fase di impatto del proiettile, sia in relazione al lavoro di deformazione plastoelastica, sia per rottura delle fibre, sia per la fibrillazione delle stesse.

In particolare, la combinazione di due elementi (1 , 2), dei quali il secondo è in grado di indurre una dissipazione di energia per fibrillazione, comporta indubbi benefici in termini di protezione balistica. Nel secondo elemento (2) la disposizione alternata di adesivi termoplastici o termoindurenti (che serve a connettere gli strati fibrosi dei tessuti unidirezionali adiacenti) e fibre impregnate con polimero viscoso o viscoelastico liquido consente la dissipazione di elevati valori di energia a causa della frizione della resina tra le fibre (effetto di delaminazione tra fibrilla e resina) assicurando la stabilità di struttura per la presenza dell’adesivo suddetto.

La struttura (S) sopra descritta consente di ottenere una drastica riduzione dei valori di trauma e una V50 sostanzialmente invariata rispetto a quella relativa al solo elemento (1).

E’ così possibile realizzare piastre balistiche più leggere ma pienamente rispondenti alle normative in vigore, sia con riferimento ai valori di trauma che alla V50.

I “pacchetti” costituiti dagli elementi (1) e (2) della 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 o meglio quando un elemento di discontinuità (3) è interposto tra i pacchetti.

Prove sperimentali hanno permesso di accertare che, a parità di V50, quando gli elementi (1) e (2) 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) e (2) incollati. Interponendo un elemento soffice tra gli elementi (1) e (2), creando una discontinuità tra tali elementi, si ha una ulteriore diminuzione del valore di trauma (-8mm) ed un aumento della V50 (+20 m/sec).

L’elemento di discontinuità (3) può essere costituito da lastre di schiuma vario spessore, feltri e, più in generale, da elementi la cui durezza Shore risulta almeno del 10% minore della minima durezza misurata tra i due pacchetti (1 , 2) tra i quali l'elemento di discontinuità è posizionato.

In conformità di una possibile forma di realizzazione della presente invenzione, la struttura (S) è composta per circa i’85% in peso dall’elemento (1) e per circa il 15% in peso dall’elemento (2).

In conformità di una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, la struttura (S) è composta per circa il 60% in peso dall’elemento (1) e per circa il 40% in peso dall’elemento (2).

Secondo un'altra 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. Gli esempi che seguono sono riferiti a prove sperimentali condotte dalla richiedente e sono fomiti a puro titolo illustrativo ma non sono da intendersi in senso limitativo. Con riferimento a tutte le prove illustrate nel seguito, la struttura prodotta è stata applicata su un blocco di plastilina conforme alle normative N.I.J. e sono stati sparati 3 colpi con proiettili 7,62X51 mm tipo NATO Ball per la verifica dei valori di trauma e della V50.

ESEMPIO 1 fPRIOR ART)

72 strati di tessuto unidirezionale composto di fibre Dyneema® HB2 sono stati pressati a temperatura di 122°C e pressione di 280 bar per 20 minuti (pacchetto o elemento 1). I valori di trauma rilevati sono indicati nella seguente tabella.

ESEMPIO 2

57 strati di tessuto unidirezionale composto di fibre Dyneema® HB2 (pacchetto o elemento 1) sono stati pressati a temperatura di 122°C e pressione di 280 bar per 20 minuti in combinazione con 7 strati di tessuto multiassiale da 500 g/m<2>(pacchetto o elemento 2) accoppiato con film adesivo su un lato. I valori di trauma rilevati sono indicati nella seguente tabella.

ESEMPIO 3

50 strati di tessuto unidirezionale composto di fibre Dyneema® HB2 (pacchetto o elemento 1) sono stati pressati a temperatura di 122°C e pressione di 280 bar per 20 minuti in combinazione con 10 strati di tessuto multiassiale da 500 g/m<2>(pacchetto o elemento 2) accoppiato con film adesivo su un lato. I valori di trauma rilevati sono indicati nella seguente tabella.

ESEMPIO 4

37 strati di tessuto unidirezionale composto di fibre Dyneema® HB2 (pacchetto o elemento 1) sono stati pressati a temperatura di 122°C e pressione di 280 bar per 20 minuti in combinazione con 10 strati di tessuto muitiassiale da 500 g/m<2>(pacchetto o elemento 2) accoppiato con film adesivo su un lato. I valori di trauma rilevati sono indicati nella seguente tabella.

ESEMPIO 5

50 strati di tessuto unidirezionale composto di fibre Dyneema® HB2 (pacchetto o elemento 1) sono stati pressati a temperatura di 122°C e pressione di 280 bar per 15 minuti in combinazione con 10 strati di tessuto muitiassiale da 500 g/m<2>(pacchetto o elemento 2) accoppiato con film adesivo su un lato e interponendo carta siliconata antiadesiva tra i due pacchetti. I valori di trauma rilevati sono indicati nella seguente tabella.

ESEMPIO 6

Tra i pacchetti (1) e (2) di cui all’esempio 5 è stata inserita una lastra di polietilene espanso da 35 kg/m<2>spessa 3 mm. 1 valori di trauma rilevati sono indicati nella seguente tabella.

Resta inteso che, neH'ambito della presente invenzione, il termine “polimero" è riferito sia a materiale polimerico 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.

Negli esempi illustrati nella presente invenzione si è fatto riferimento a due elementi tessili (1 e 2) ed eventualmente un elemento di discontinuità (3) tra i due elementi tessili. Tuttavia è possibile comprendere una pluralità di “pacchetti” costituiti dai due elementi tessili (1 , 2) con o senza l'aggiunta dell’elemento (3) di discontinuità, 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 almeno un primo e un secondo elemento tessile (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 il primo elemento tessile (1) comprende fibre in grado di dissipare parte dell'energia connessa all’impatto del proiettile incidente modificando la fase cristallina e il secondo elemento tessile comprende fibre in grado di dissipare parte del’energia connessa all’impatto del proiettile incidente per fibrillazione.
2. 2) Struttura secondo la rivendicazione 1, 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.
3. 3) Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che detto secondo elemento tessile (2) comprende fibre aramidiche.
4. 4) Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che tra il primo elemento tessile (1) e il secondo elemento tessile (2) è interposto un terzo elemento (3) che costituisce uno strato di discontinuità tra essi.
5. 5) Struttura secondo la rivendicazione 4 in cui il terzo elemento è costituito da materiale compressibile la cui durezza è inferiore a quella di ognuno dei due elementi tessili (1, 2).
6. 6) Struttura secondo la rivendicazione 5 in cui il terzo elemento è composto da uno dei seguenti materiali: schiume a base di polimeri elastomerici, plastomerici, siliconici termoindurenti o loro miscele, feltri, strutture a nido d’ape, gomma .
7. 7) 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.
8. 8) Struttura secondo la rivendicazione 7 caratterizzata dal fatto che detto almeno un elemento ceramico (C) è realizzato con ceramiche a base di ossidi di carburi e/o nitruri.
9. 9) Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che il detto primo elemento tessile (1) è realizzato con fibre aventi resistenza a trazione maggiore o uguale a 30 g/den e detto secondo elemento tessile (2) è realizzato con fibre aventi resistenza a trazione maggiore o uguale a 20 g/den. 10)Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che le fibre del secondo elemento (2) sono, almeno in parte, impregnate in una matrice a base di polimeri viscosi o viscoelastici aventi una temperatura di transizione vetrosa inferiore a -40°C. 11)Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che il detto secondo elemento tessile (2) è costituito da più tessuti o strati tessili multiassiali. 12)Struttura secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che il detto primo elemento tessile (1) è impregnato con polimeri termoplastici, termoindurenti o elastomerici o combinazione di essi. 13)Struttura secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che il primo elemento (1) è formato con fibre aventi un modulo di elasticità maggiore di 60 GPa. 14) Articolo protettivo balistico comprendente una struttura secondo una delle rivendicazioni da l a 13.