MX2008012131A

MX2008012131A - Construccion de un panel de ceramica para balistica, mejorado.

Info

Publication number: MX2008012131A
Application number: MX2008012131A
Authority: MX
Inventors: Ashok Bhatnagar; Harold Lindley Murray Jr; Lori L Wagner
Original assignee: Honeywell Int Inc
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-11-28
Also published as: CN101454633A; WO2008054843A2; JP2009543010A; EP1999428A2; WO2008054843A3

Abstract

Se describe un panel resistente a proyectiles balísticos, el cual se forma a partir de una pluralidad de capas de cerámica relativamente delgadas y por lo menos una capa de respaldo fibrosa de fibras de elevada tenacidad. Las dos capas de cerámica relativamente delgadas están adyacentes entre sí, pero pueden estar separadas por una capa de respaldo fibrosa adicional de fibras de alta tenacidad. El panel de cerámica superpuesto proporciona un nivel de protección deseado contra proyectiles balísticos. Puede obtenerse protección contra diferentes niveles de amenazas eligiendo el número de capas de cerámica que se utilizan en el panel. Las capas de cerámica relativamente delgadas son más sencillas de fabricar que los paneles de cerámica gruesos del mismo espesor general como el espesor combinado de las múltiples capas de cerámica superpuestas. Los panel de esta invención que tienen un número múltiple de capas de cerámica proporcionan prácticamente la misma resistencia balística o mejor que un panel monolítico de prácticamente el mismo espesor y composición. Es posible proporcionar protección contra diferentes niveles de amenazas utilizando un número deseado de preformas de la capa de cerámica relativamente delgada y el respaldo fibroso. Esto permite mayor flexibilidad de fabricación y puede reducir el inventario de las construcciones del panel que necesitan ser almacenadas para proporcionar protección contra diferentes niveles de amenaza.

Description

CONSTRUCCION DE UN PANEL DE CERAMICA PARA BALISTICA, MEJORADO ANTECEDENTE DE LA INVENCIÓN Campo de la invención Esta invención se refiere a ndajes que incluyen una capa de cerámica.

Descripción de la técnica relacionada Se han propuesto diversos tipos de construcciones de blindaje balístico y utilizado en diferentes f aplicaciones . Esto incluye blindaje para vehículos terrestres, aviones, objetos fijos, y similares. En un tipo de construcciones de blindaje balístico conocido que es útil, por ejemplo, para vehículos terrestres y aviones, se adhiere una capa de cerámica a una capa de fibras de alta tenacidad. La placa de cerámica está diseñada para superponerse en la parte externa de la construcción, actuando como la capa primaria que proporciona protección inicial contra proyectiles balísticos. Estas estructuras son conocidas como paneles superpuestos de cerámica. Estos paneles en general son efectivos para absorber y disipar la energía cinética de los proyectiles y fragmentos de proyectil.

Estos tipos de paneles están diseñados con un nivel de amenaza particular en mente. A medida que aumenta el nivel de amenaza, el espesor de la placa de cerámica necesita aumentarse. Sin embargo, es difícil fabricar placas de cerámica con resistencia balística que sean relativamente gruesas, lo cual aumenta el costo y complejidad del proceso de fabricación.

En adición, los niveles de amenaza contra los cuales se puede utilizar un panel de cerámica pueden no ser conocidos al momento de instalación. Para cumplir con un nivel de amenaza específico, el fabricante o instalador de las placas de blindaje balístico deben conservar un inventario de una diversidad de paneles de cerámica que tengan diferentes espesores, de manera que un panel de cerámica particular esté disponible para su instalación contra el tipo específico de amenaza que se perciba .

Sería deseable proporcionar un panel con resistencia balística superpuesto de cerámica, mejorado, que cumpliera los requisitos balísticos necesarios pero que también solucione las necesidades antes mencionadas.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN De acuerdo con esta invención se proporciona un panel con resistencia balística, el panel consiste en: una primera capa de cerámica relativamente delgada que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna; una primera capa fibrosa que consiste en una red de fibras de alta tenacidad y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la primera capa fibrosa junto a la superficie superpuesta interna de la capa de cerámica; y una segunda capa de cerámica relativamente delgada y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la segunda capa de cerámica junto a la superficie superpuesta interna de la primera capa fibrosa .

Preferiblemente, el panel tiene una resistencia balística que es prácticamente equivalente a o mayor que la resistencia balística de una construcción de panel de cerámica comparable que tiene únicamente una capa fibrosa única respaldada con una capa fibrosa, el panel tiene un espesor total prácticamente igual al espesor combinado de la primera capa de cerámica, la primera capa fibrosa, la segunda capa de cerámica y la segunda capa fibrosa.

También se proporciona una segunda capa fibrosa que consiste en una red de fibras de alta tenacidad y tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la segunda capa fibrosa junto a la superficie superpuesta interna de la segunda capa de cerámica, y la superficie superpuesta interna de la segunda capa fibrosa junto a la superficie superpuesta externa de la primera capa de cerámica .

También de acuerdo con esta invención, se proporciona un panel con resistencia balística, el panel consiste en; una primera capa de cerámica relativamente delgada que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna; una primera capa fibrosa que consiste en una red de fibras de alta tenacidad y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la primera capa fibrosa junto a la superficie superpuesta interna de la capa de cerámica; y una segunda capa de cerámica relativamente delgada que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la segunda capa de cerámica junto a la superficie superpuesta interna de la primera capa fibrosa; y una segunda capa fibrosa que consiste en una red de fibras de alta tenacidad y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la segunda capa fibrosa está intercalada entre la primera capa de cerámica y la segunda capa de cerámica, la superficie superpuesta externa de la segunda capa fibrosa junto a la superficie superpuesta interna de la segunda capa de cerámica.

Aun de acuerdo con esta invención, se proporciona un panel con resistencia balística superpuesto de cerámica diseñado para proteger contra un cierto nivel de amenaza de proyectiles balísticos, el mejoramiento consiste en formar el panel de una estructura que consiste en: una primera capa de cerámica relativamente delgada que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna; una primera capa fibrosa que consiste de una red de fibras de alta tenacidad y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la primera capa fibrosa junto a la capa superficie superpuesta interna de la capa de cerámica; y una segunda capa de cerámica relativamente delgada que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta interna de la segunda capa de cerámica junto a la superficie superpuesta externa de la primera capa de cerámica.

La presente invención proporciona un panel con resistencia balística que tiene una pluralidad de capas de cerámica y por lo menos una (y preferiblemente dos) capa de respaldo fibrosa con el fin de proporcionar un panel superpuesto de cerámica de un nivel de protección deseada. Por ejemplo, en general se necesitan niveles de protección más altos para protegerse contra balas perforadoras de blindaje en lugar de balas de rifle. Formando el panel de una pluralidad de placas de cerámica relativamente delgadas, cada una de las cuales está preferiblemente respaldada con un respaldo fibroso, puede estar protegido contra diferentes niveles de amenaza escogiendo el número de capas de materiales de cerámica que se usarán en el panel. Las placas de cerámica relativamente delgadas son más simples de fabricar que los paneles de cerámica delgada del mismo espesor total que el espesor combinado de las capas múltiples superpuestas de cerámica. Sorpresivamente, los paneles de esta invención que tienen un número múltiple de capas de cerámica proporcionan prácticamente la misma o mejor resistencia balística que un panel monolítico de prácticamente el mismo espesor y composición.

En adición, fabricando una placa de cerámica relativamente delgada con un respaldo fibroso, el fabricante o instalador de la protección balística necesita tener únicamente un tipo de panel de cerámica, o un tipo de panel superpuesto de cerámica en existencia. La protección contra diversas amenazas balísticas se puede proporcionar utilizando un número deseado de placas de cerámica relativamente delgadas o placas superpuestas de cerámica. Estas placas múltiples pueden ser fabricadas y ensambladas en un proceso relativamente simple que se puede usar en el campo, si se desea. Esto permite mayor flexibilidad de fabricación y puede reducir el costo total de la estructura.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como se menciona anteriormente, los paneles balísticos de esta invención están formados de una pluralidad de capas de cerámica relativamente delgadas y por lo menos una, y preferiblemente una pluralidad de capas fibrosas de fibras de alta tenacidad. El material de cerámica puede estar en la forma de una estructura monolítica o en la forma de mosaicos de cerámica individuales más pequeños que están conectados juntos en una forma adecuada (por ejemplo, adheridos en una capa de soporte o en las capas fibrosas) . Las capas de cerámica que son útiles en aplicaciones balísticas son conocidas en la técnica.

Los materiales de cerámica normales útiles en los paneles de esta invención incluyen nitruros metálicos y no metálicos, boruros, carburos, óxidos y similares, y la mezcla de éstos. Materiales específicos incluyen carburo de silicio, óxido de silicio, nitruro de silicio, carburo de boro, nitruro de boro, diboruro de titanio, alúmina, óxido de magnesio, y similares, así como la mezcla de éstos. Los materiales de cerámica preferidos incluyen óxido de aluminio, carburo de silicio, carburo de boro, y mezclas de éstos.

Las capas de cerámica de esta invención son relativamente delgadas. Por "relativamente delgadas" como se usa en la presente se entiende que las capas de cerámica en general tienen un espesor de hasta aproximadamente 0.6 pulgadas (15.2 mm) , más preferiblemente hasta aproximadamente 0.5 pulgadas (12.7 mm) y más preferiblemente hasta aproximadamente 0.4 pulgadas (10.2 mm) . El espesor de la capa de cerámica puede variar, por ejemplo, desde aproximadamente 0.5 a aproximadamente 0.6 pulgadas (1.3 a 15.2 mm) , más preferiblemente desde aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.5 pulgadas (2.5 a 12.5 mm) y más preferiblemente desde aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.4 pulgadas (2.5 a 10.2 mm) .

La capa de cerámica puede ser sin reforzar o reforzada como puede ser con un material fibroso, y están disponibles de un número de fuentes. Por ejemplo, la capa de cerámica puede ser aglomerada o estar envuelta con fibras de vidrio, fibras de grafito, o similares.

La capa de cerámica puede de cualquier densidad superficial, como puede ser desde aproximadamente 0.5 a aproximadamente 15 psf (2.44 a 73.24 ksm) , más preferiblemente desde aproximadamente 1 a aproximadamente 10 psf (4.88 a 48.83 ksm) y más preferiblemente desde aproximadamente 2 a aproximadamente 5 psf (9.77 a 24.41 ksm) . Por ejemplo, una capa de cerámica de óxido de aluminio tiene un espesor de aproximadamente 0.110 pulgadas (2.8 mm) normalmente puede tener una densidad superficial de aproximadamente 2.30 psf (11.23 ksm).

Las diversas capas de esta invención en general son de configuración rectangular o cuadrada, aunque se pueden emplear otras formas como pueden ser capas curvas. La capa de cerámica tiene una superficie externa y una superficie interna.

Esta invención proporciona una primera capa de cerámica relativamente delgada. La primera capa de cerámica está respaldada con una primera capa fibrosa, que está preferiblemente adherida a ella. Por lo menos otra capa de cerámica relativamente delgada está incluida en la construcción del panel de cerámica. La segunda capa de cerámica relativamente delgada es una capa superpuesta hacia fuera (como es cualquier capa de cerámica adicional) . La segunda capa de cerámica relativamente delgada, y cualquier capa de cerámica subsiguiente, preferiblemente tiene la misma construcción que la primera capa de cerámica. La segunda capa de cerámica puede estar junto a y preferiblemente está adherida a la superficie superpuesta externa de la primera capa de cerámica. En una modalidad, la segunda capa de cerámica está directamente adherida a la primera capa de cerámica. En otra modalidad preferida, la segunda capa de cerámica también está respaldada con una capa fibrosa (la segunda capa fibrosa) , la cual es preferiblemente igual a la capa fibrosa que está en la primera capa fibrosa. Sin embargo, de otro modo, las fibras en la segunda capa fibrosa pueden ser diferentes a las de la primera capa fibrosa. Cuando se emplea una segunda capa fibrosa, se intercala entre la primera y segunda capas de cerámica relativamente delgada, con la superficie superpuesta externa de la segunda capa fibrosa junto a la capa superpuesta interna de la segunda capa de cerámica, y la superficie superpuesta interna de la segunda capa fibrosa junto a la superficie superpuesta externa de la primera capa de cerámica. Preferiblemente, todas las capas en el panel están adheridas juntas.

Si se desea, se pueden utilizar capas de cerámica adicionales y/o capas fibrosas adicionales en los. paneles de esta invención. Estas capas adicionales están junto a la segunda capa de cerámica (y por lo tanto se extiende hacia fuera en la construcción) o pueden estar junto a la primera capa fibrosa (y por lo tanto se extienden hacia adentro de la estructura) . Preferiblemente estas capas adicionales son capas combinadas de una capa de cerámica relativamente delgada y otra capa fibrosa. Por ejemplo, se puede utilizar una tercera capa de cerámica relativamente delgada, la cual tiene una superficie externa y una superficie interna. La superficie interna de la tercera capa de cerámica está preferiblemente junto a, y preferiblemente adherida a, la superficie externa de la segunda capa de cerámica. También se puede emplear una tercera capa fibrosa, la cual del mismo modo tiene una superficie externa y una superficie interna. La superficie externa de la tercera capa de cerámica está junto a, y preferiblemente adherida a, la superficie interna de la tercera capa de cerámica y a la superficie externa del segundo panel de cerámica. Las capas de cerámica adicionales (por ejemplo, la tercera capa, una cuarta capa, etc.) son preferiblemente del mismo tipo que la primera y segunda capas de cerámica (aunque pueden ser diferentes si se desea) . Las capas fibrosas adicionales (por ejemplo, la tercera capa fibrosa, una cuarta capa fibrosa, etc.) preferiblemente son iguales a la primera y segunda capas fibrosas (aunque pueden ser diferentes si se desea) .

En una modalidad preferida, la primera capa de cerámica y la primera capa fibrosa están preformadas en una unidad única. Del mismo modo, la segunda capa de cerámica y la segunda capa fibrosa están preferiblemente preformadas en una unidad única. Esto es también preferiblemente extendido a cualquier tercera, cuarta o más capas de cerámica y respaldo fibroso. Las capas preformadas están adheridas preferiblemente entre si por medio de un medio adhesivo adecuado. En otra modalidad preferida, cada una de las capas está en una capa separada, la cual se consolida después en la estructura final.

Cualquiera de las capas de cerámica puede estar en la forma de una estructura monolítica o una pluralidad de mosaicos más pequeños separados por uniones. Si dos capas de cerámica están formadas de mosaicos más pequeños, en una modalidad preferida ellos son apilados verticalmente en la estructura de manera que las uniones de los mosaicos en una capa sean desplazadas de las uniones de los mosaicos en la segunda capa. El resultado es que las uniones de una capa están cubiertas por una parte sólida de la capa de cerámica de la otra capa. De otro modo, la capa de cerámica puede estar en la forma de una estructura monolítica y otra capa de cerámica en la forma de una pluralidad de mosaicos pequeños, o ambas capas de cerámica puede estar en la forma de estructuras monolíticas. Si están presentes más capas de cerámica, se pueden arreglar en cualquier configuración deseada.

De acuerdo con esta invención cada una de la primera y la segunda capas fibrosas contiene fibras de alta tenacidad. Como se usa en la presente, "fibras de alta tenacidad" significa fibras que tienen tenacidades iguales a o mayores de aproximadamente 7 g/d. Preferiblemente, estas fibras tienen módulos de tracción inicial de por lo menos aproximadamente 150 g/d y energía al rompimiento de por lo menos aproximadamente 8 J/g medido con ASTM D2256. Como se usa en la presente, los términos "módulo de tracción inicial", "módulo de tracción", y "módulo" significan el módulo de elasticidad medido con ASTM 2256 para un hilo y con ASTM D638 para un elastómero o material matriz.

Es preferible que si se emplea una tercera capa fibrosa o capas fibrosas adiciones, del mismo modo contengan fibras de alta tenacidad.

Preferiblemente, las fibras de alta tenacidad tienen tenacidades iguales a o mayores de aproximadamente 10 g/d, más preferiblemente iguales a o mayores de aproximadamente 16 g/d, aún más preferiblemente iguales a o mayores de aproximadamente 22 g/d, y más preferiblemente iguales a o mayores de aproximadamente 28 g/d.

Para los propósitos de la presente invención, una fibra es un cuerpo alargado cuya dimensión longitudinal es mucho mayor que las dimensiones transversales de anchura y espesor. Por consiguiente, el término fibra incluye monofilamento, multifilamento, listón, cinta, fibras cortas y otras formas de fibra troceada, cortada o discontinua y similar que tienen sección transversal regular o irregular. El término "fibra" incluye una pluralidad de cualquiera de las anteriores o una combinación de éstas. Un hilo es una hebra continua compuesta de de muchas fibras o filamentos.

Las secciones transversales de las fibras útiles en la presente pueden variar ampliamente. Pueden ser secciones transversales circulares, planas u oblongas. Pueden ser también de sección transversal multi-lobular irregular o regular que tengan uno o más lóbulos regulares o irregulares proyectándose desde el eje lineal o longitudinal de las fibras. Es preferible que las fibras sean de sección transversal prácticamente circular, plana u oblonga, más preferiblemente prácticamente circular.

Cada una de las capas fibrosas, primera y segunda (y preferiblemente asi como cualquier capa de fibra adicional), consiste en una red de fibras. Las fibras pueden estar en la forma de géneros tejidos, de punto o no tejidos. Preferiblemente, por lo menos 50% en peso de las fibras en el género son fibras de alta tenacidad, más preferiblemente por lo menos aproximadamente 75% en peso de las fibras en el género son fibras de alta tenacidad, y más preferiblemente prácticamente todas las fibras en el género son fibras de alta tenacidad.

Los hilos y géneros usados en la presente pueden consistir en una o más fibras de resistencia elevada diferentes. Los hilos pueden estar alineados esencialmente en paralelo, o los hilos pueden ser torcidos, sobre envueltos o enmarañados. Los géneros empleados en la presente pueden estar tejidos con hilos que tienen fibras diferentes en las direcciones de la trama y urdimbre, o en otras direcciones.

Las fibras de alta tenacidad útiles en los hilos y géneros de la invención incluyen fibras de poliolefina de peso molecular alto, altamente orientadas, particularmente fibras de polietileno de módulo alto, fibras de aramida, fibras de polibenzazol como pueden ser polibenzoxazol (PBO) y polibenzotiazol (PBT) , fibras de alcohol polivinílico, fibras de poliacrilonitrilo, fibras de copoliester de cristal líquido, fibras de vidrio, fibras de carbono o basalto u otras fibras minerales, así como fibras de polímero de varilla rígida, y las mezclas y combinaciones de éstas. Las fibras de resistencia elevada preferidas en esta invención incluyen fibras de poliolefina, fibras de aramida, fibras de polibenzoxazol y la mezcla de éstas. Más preferiblemente son fibras de polietileno de peso molecular alto, fibras de amarida, fibras de polibenzoxazol y la mezcla de dos o más de éstas .

La Patente E.U.A. No. 4,457,985 en general describe las fibras de polietieleno y polipropileno de peso molecular alto, y la descripción de esta patente se incorpora a la presente para referencia en la medida que concuerde con la misma. En el caso de polietileno, las fibras adecuadas son aquellas de peso molecular promedio de por lo menos aproximadamente 150,000, preferiblemente por lo menos aproximadamente un millón y más preferiblemente entre aproximadamente dos millones y aproximadamente cinco millones. Las fibras de polietileno de peso molecular alto pueden ser hiladas en solución (ver Patente E.U.A. No. 4, 137, 394 y Patente E.U.A. No .4 , 356, 138 ) o un filamento centrifugado de una solución para formar una estructura de gel (ver Patente E.U.A. No. 4,413,110, Of. Alemania No. 3,004,699 y Patente GB No. 2051667), o las fibras de polietileno pueden ser producidas por un proceso de laminado y estirado (ver Patente E.U.A. No. 5,702,657). Como se usa en la presente, el término polietileno significa un material predominantemente de polietileno lineal que puede contener cantidades menores de ramificación de cadena o comonómeros que no excedan de 5 unidades modificadoras por 100 átomos de carbono de cadena principal, y que también pueden contener mezclados con éstos no más de aproximadamente 50% en peso de uno o más aditivos poliméricos como pueden ser polímeros alqueno-1, en particular polietileno de baja densidad, polipropileno o polibutileno, copolímeros que contienen mono-olefinas como monómeros primarios, poliolefinas oxidadas, copolímeros injertados de poliolefina y polioximetilenos, o aditivos de peso molecular bajo como pueden ser antioxidantes, lubricantes, agentes filtradores de la luz ultravioleta, colorantes y similares que son comúnmente incorporados.

Las fibras de polietileno de alta tenacidad (también mencionadas como fibras de polietileno de cadena extendida o peso molecular alto) son preferidas como una de las fibras útiles para las capas fibrosas de esta invención. Esas fibras se venden bajo la marca comercial SPECTRA ® por Honeywell Internacional Inc. De Morristown, New Jersey, E.U.A.

Dependiendo de la técnica de formación, la proporción de estirado y temperaturas, y otras condiciones, se le puede impartir una variedad de propiedades a estas fibras. La tenacidad de las fibras es de por lo menos aproximadamente 7 g/d, preferiblemente por lo menos aproximadamente 15 g/d, más preferiblemente de por lo menos aproximadamente 20 g/d, aún más preferiblemente de por lo menos aproximadamente 25 g/d, y más preferiblemente de por lo menos aproximadamente 30 g/d. De forma similar, el módulo de tracción inicial de las fibras, medido por una máquina de prueba de tracción Instron, es preferiblemente de por lo menos aproximadamente 300 g/d, más preferiblemente de por lo menos aproximadamente 500 g/d, aún más preferiblemente de por lo menos aproximadamente 1, 000 g/d, y más preferiblemente de por lo menos aproximadamente 1,200 g/d. Estos valores más altos para el módulo de tracción inicial y tenacidad en general se obtienen únicamente empleando procesos de crecimiento en solución o hilado en gel. Muchos de los filamentos tienen puntos de fusión más altos que el punto de fusión del polímero del cual están formados. De esta manera, por ejemplo, el polietileno de peso molecular alto de aproximadamente 150,000, aproximadamente un millón y aproximadamente dos millones de peso molecular en general tienen puntos de fusión en el granel de 138°C. Los filamentos de polietileno altamente orientados hechos de estos materiales tienen puntos de fusión desde aproximadamente 7°C a aproximadamente 13°C más altos. De esta manera, un ligero aumento en el punto de fusión refleja la perfección cristalina y orientación cristalina más alta de los filamentos cuando se compara con el polímero a granel.

De forma similar, se pueden usar las fibras de polipropileno de peso molecular alto, altamente orientadas de peso molecular promedio de por lo menos aproximadamente 200,000, preferiblemente de por lo menos aproximadamente un millón y más preferiblemente de por lo menos aproximadamente dos millones. El polipropileno de cadena extendida se puede formar en filamentos razonablemente bien orientados por las técnicas ordenadas en las diversas referencias mencionadas anteriormente, y especialmente por la técnica de la Patente E.U.A. No. 4,413,110. Debido a que el polipropileno es un material mucho menos cristalino que el polietileno y contiene grupos metilo pendientes, los valores de tenacidad que se logran con el polipropileno en general son prácticamente inferiores que los valores correspondientes al polietileno. Por consiguiente, una tenacidad adecuada es preferiblemente de por lo menos aproximadamente 8 g/d, más preferiblemente de por lo menos aproximadamente 11 g/d. El módulo de tracción inicial para el polipropileno es preferiblemente de por lo menos aproximadamente 160 g/d, más preferiblemente de por lo menos aproximadamente 200 g/d. El punto de fusión del polipropileno en general aumenta varios grados por el proceso de orientación, de manera que el filamento de polipropileno preferiblemente tiene un punto de fusión principal de por lo menos 168°C, más preferiblemente de por lo menos 170°C. Los intervalos particularmente preferidos para los parámetros antes descritos pueden proporcionar ventajosamente rendimiento mejorado en el articulo final. Las fibras empleadas tienen un peso molecular promedio de por lo menos aproximadamente 200,000 acoplado con los intervalos preferidos para los parámetros descritos anteriormente (módulo y tenacidad) pueden proporcionar ventajosamente rendimiento mejorado en el articulo final.

En el caso de fibras de aramida, las fibras adecuadas formadas de poliamidas aromáticas se describen en la Patente E.U.A. No. 3,671,542, la cual se incorpora a la presente para referencia en la medida que concuerde con la misma. Las fibras de aramida tendrán una tenacidad de por lo menos aproximadamente 20 g/d, un módulo de tracción inicial de por lo menos aproximadamente 400 g/d, y una energía al rompimiento de por lo menos aproximadamente 8 J/g, y particularmente preferido las fibras de aramida tendrán una tenacidad de por lo menos aproximadamente 20 g/d, y una energía al rompimiento de por lo menos aproximadamente 20 J/g. Las fibras de aramida más preferidas tendrán una tenacidad de por lo menos aproximadamente 23 g/d, un módulo de por lo menos aproximadamente 500 g/d, y una energía al rompimiento de por lo menos aproximadamente 30 J/g. Por ejemplo, los filamentos de poli (p-fenileno tereftalamida) que tienen valores de módulos y tenacidad moderadamente altos son particularmente útiles para formar compuestos con resistencia balística. Ejemplos son Twaron® T2000 de Teijin que tiene un denier de 1000. Otros ejemplos son Kevlar® 29 que tiene 500 g/d y 22 g/d como valores de módulo de tracción inicial y tenacidad, respectivamente, así como Kevlar® 129 y KM2 que están disponibles en 400, 640 y 840 deniers de Du Pont. Las fibras de aramida de otros fabricantes también se pueden utilizar en esta invención. Los copolímeros de poli (p-fenileno tereftalamida) también se pueden utilizar, como puede ser co-poli (p-fenileno tereftalamida 3,4' oxidifenileno tereftalamida) . También útiles en la práctica de esta invención son las fibras poli (m-fenileno isoftalamida) vendidas por du Pont bajo el nombre comercial Nomex®.

Las fibras de alcohol polivinilico de peso molecular alto (PV-OH) que tienen módulo de tracción alto se describen en la Patente E.U.A. No. 4, 440, 711 de Kwon et al., la cual se incorpora a la presente para referencia en la medida que concuerde con la misma. Las fibras PV-OH de peso molecular alto deben tener un peso molecular promedio de por lo menos aproximadamente 200,000. Las fibras PV-OH particularmente útiles deben tener un módulo de por lo menos aproximadamente 300 g/d, una tenacidad preferiblemente de por lo menos aproximadamente 10 g/d, más preferiblemente de por lo menos aproximadamente 14 g/d y más preferiblemente de por lo menos aproximadamente 17 g/d, y una energía al rompimiento de por lo menos aproximadamente 8 J/g. La fibra PV-OH que tiene esas propiedades se puede producir, por ejemplo, por el proceso descrito en la Patente E.U.A. No. 4,599,267.

En el caso de poliacrilonitrilo (PAN) , la fibra PAN debe tener un peso molecular promedio de por lo menos aproximadamente 400,000. La fibra PAN particularmente útil debe tener una tenacidad preferiblemente de por lo menos aproximadamente 10 g/d y una energía al rompimiento de por lo menos aproximadamente 8 J/g. La fibra PAN que tiene un peso molecular de por lo menos aproximadamente 400,000, una tenacidad de por lo menos aproximadamente de 15 a 20 g/d y una energía al rompimiento de por lo menos aproximadamente 8 J/g es más útil y esas fibras se describen, por ejemplo, en la Patente E.U.A. No. 4, 535, 027.

Las fibras de copoliéster de cristal líquido adecuadas para la práctica de esta invención se describen, por ejemplo, en las Patentes E.U.A. Nos. 3,975,487; 4,118,372 y 4, 161, 470.

Las fibras adecuadas de polibenzazol para la práctica de esta invención se describen, por ejemplo, en las Patentes E.U.A. Nos. 5,286,833, 5,296,185, 5,356,584, 5,534,205 y 6,040,050. Preferiblemente, las fibras de polibenzazol son fibras de polibenzoxazol marca Nylon® de Toyobo Col.

Las fibras de varilla rígida se describen, por ejemplo, en las Patentes E.U.A. Nos. 5,674,969, 5,939,553, 5,945,537 y 6,040,478. Esas fibras están disponibles bajo la designación de fibras M5® de Magullan Systems International .

Las capas fibrosas pueden estar en la forma de un género tejido, de punto o no tejido o varias combinaciones de éstos en diferentes capas. Si el género es un género tejido, puede ser de cualquier tejido deseado, como puede ser de patrón de tejido abierto.

En una modalidad preferida, las capas fibrosas están en la forma de un género no tejido, como pueden ser estratos de fibras orientadas unidireccionalmente, o fibras que están apelmazadas en una orientación aleatoria, que están incrustadas en una matriz de resina adecuada, como es sabido en la técnica. Los géneros formados de fibras orientadas unidireccionalmente normalmente tienen una capa de fibras que están alineadas en paralelo entre si a lo largo de una dirección de fibra común, y una segunda capa de fibras orientadas unidireccionalmente alineadas en paralelo entre si a lo largo de una dirección de fibra común que es de 90° de la dirección de las primeras fibras. Donde los estratos individuales son fibras orientadas unidireccionalmente, los estratos sucesivos son preferiblemente girados entre si, por ejemplo en ángulos de 0°/90°, 0°/90o/0°/90o o 0°/45o/90o/45o/0°, o en otros ángulos. Esos alineamientos unidireccionales girados se describen, por ejemplo, en las Patentes E.U.A. Nos. 4,623,574; 4,737,402; 4,748,064; y 4,916,000.

La capa o capas fibrosas están preferiblemente en una matriz de resina. La matriz de resina para los estratos de fibra se puede formar de una variedad de materiales elastoméricos que tienen las características deseadas. En una modalidad, los materiales elastoméricos usados en la matriz poseen módulo de tracción inicial (módulo de elasticidad) igual a o menor de aproximadamente 6, 000 psi (41.4 MPa) medido con ASTM D638. Más preferiblemente, el material elastomérico tiene un módulo de tracción inicial igual a o menor de aproximadamente 2, 400 psi (16.5 MPa). Más preferiblemente, el material elastomérico tiene módulo de tracción inicial igual a o menos de aproximadamente 1,200 psi (8.23 MPa). Estos materiales resinosos son normalmente de naturaleza termoplástica pero los materiales termofi os también son útiles.

De otro modo, la matriz de resina se puede seleccionar para tener un módulo de tracción alto cuando es curado, como por lo menos aproximadamente 1 x 106 psi (6895 MPa) . Ejemplos de esos materiales se describen, por ejemplo, en la Patente E.U.A. No. 6, 642, 159, la cual se incorpora expresamente a la presente para referencia en la medida que concuerde con la misma.

La proporción del material matriz de resina a la fibra en las capas compuestas puede variar ampliamente dependiendo del uso final. El material matriz de resina preferiblemente forma aproximadamente de 1 a aproximadamente 98 por ciento en peso, más preferiblemente desde aproximadamente 5 a aproximadamente 95 por ciento en peso, y más preferiblemente desde aproximadamente 5 a aproximadamente 40 por ciento en peso, del peso total de las fibras y matriz de resina.

Se puede utilizar una amplia variedad de materiales como matriz de resina, incluyendo resinas termoplásticas y termofijas. Por ejemplo, cualquiera de los siguientes materiales se puede emplear: polibutadieno, poliisopreno, caucho natural, copolimeros etileno-propileno, terpolimeros etileno-propileno-dieno, polímeros de polisulfuro, poliuretanos termoplásticos, elastómeros de poliuretano, polietileno clorosulfonado, policloropreno, cloruro polivinílico plastificado usando ftalato de dioctilo u otros plastificadotes bien conocidos en la técnica, elastómeros butadieno acrilonitrilo, poli (isobutileno-co-isopreno) , poliacrilatos, poliésteres, poliéteres, fluoroelastómeros, elastómeros de silicona, elastómeros termoplásticos, y copolimeros de etileno. Ejemplos de resinas termofijas incluyen aquellas que son solubles en disolventes saturados carbono-carbono como puede ser metil etil cetona, acetona, etanol, metanol, alcohol isopropílico, ciclohexano, etil acetona y la combinación de éstos. Entre las resinas termofijas están ésteres de vinilo, copolimeros en bloque estireno-butadieno, ftalato de dialilo, fenol formaldehido, polivinilo butiral y mezclas de éstos, como se describe en la Patente E.U.A. No. 6,642,159 antes mencionada. Las resinas termofijas preferidas para los géneros de fibra de polietileno incluyen por lo menos un éster vinilico, ftalato de dialilo, y opcionalmente un catalizador para curar la resina de éster vinilico.

Un grupo preferido de materiales son los copolimeros en bloque de dienos conjugados y copolimeros aromáticos de vinilo. Butadieno e isopreno son elastómeros dieno conjugados preferidos. Estireno, vinilo touleno y t-butil estireno son monómeros aromáticos conjugados preferidos. Los copolimeros en bloque que incorporan poliisopreno pueden ser hidrogenados para producir elastómeros termoplásticos que tienen segmentos de elastómero de hidrocarburo saturado. Los copolimeros pueden ser copolimeros tri-bloque simples del tipo R- (BA) x (x=3-150) : en donde A es un bloque de un monómero aromático de polivinilo y B es un bloque de un elastómero dieno conjugado. Una matriz de resina preferida es un copolimero en bloque isopreno-estireno-isopreno, como puede ser Kraton® D1107 copolimero en bloque isopreno-estireno-isopreno, disponible de Kraton Polymer LLC. Otra resina de matriz preferida es un poliuretano plástico, como puede ser una mezcla de copolimero de resinas de poliuretano en agua.

El material de resina puede estar compuesto con cargas como puede ser negro de humo, sílice, etc. y puede ser extendido con aceites y vulcanizado por azufre, peróxido, oxido metálico o sistemas de curado por radicación usando métodos bien conocidos por los tecnólogos del caucho. También se pueden usar mezclas de diferentes resinas.

En general, las capas fibrosas de la invención preferiblemente se forman construyendo una red de fibra inicialmente y después se recubre la red con la composición matriz. Como se usa en la presente, el término "recubrir" se utiliza en un sentido amplio para describir una red de fibra en donde las fibras individuales tienen una capa continua de la composición matriz circundando las fibras o una capa discontinua de la composición matriz en la superficie de las fibras. En el caso anterior, se puede decir que las fibras están totalmente incrustadas en la composición matriz. Los términos recubrir e impregnar se usan de forma intercambiable en la presente. Las redes de fibra se pueden construir mediante una variedad de métodos. En el caso preferido de redes de fibra alineadas unidireccionalmente, los manojos de hilo de los filamentos de alta tenacidad son suministrados desde una estizola y dirigidos a través de guias y una o más barras espadadoras hacia un peine colimante antes de recubrirlos con el material matriz. El peine colimante alinea los filamentos de forma coplanar y en una forma prácticamente unidireccional.

La composición de resina de la matriz se puede aplicar de cualquier forma adecuada, como puede ser una solución, dispersión o emulsión sobre la capa fibrosa, preferiblemente una red de fibra unidireccional. La red de fibra recubierta con matriz se seca después. La solución, dispersión o emulsión de la resina de la matriz puede ser rociada sobre los filamentos. De otro modo, la estructura de filamentos puede ser recubierta con la solución acuosa, dispersión o emulsión por goteo o por medio de un recubridor de rodillo o similar. Después del recubrimiento, la capa fibrosa recubierta puede pasarse después a través de un horno para secado, en el cual la capa de red de fibra recubierta (uní tape) se somete a suficiente calor para evaporar el agua u otro liquido en la composición matriz. La red fibrosa recubierta se puede colocar después ' en un velo portador, que puede ser un papel o un sustrato de película, o las fibras pueden colocarse inicialmente en un velo portador antes de recubrirlas con la resina de la matriz. El sustrato y la unitape pueden entonces devanarse en un rollo continuo en una forma conocida.

Los hilos útiles en las capas fibrosas pueden ser de cualquier denier adecuado, como puede ser desde aproximadamente 50 denier a aproximadamente 3000 denier. La selección es gobernada por consideraciones de propiedades y costo deseados. Los hilos más finos son más costosos para fabricar y tejer, pero se pueden producir mejores propiedades (como puede ser mayor efectividad balística por peso de unidad) . Los hilos son preferiblemente desde aproximadamente 200 denier a aproximadamente 3000 denier. Más preferiblemente, los hilos son desde aproximadamente 650 denier a aproximadamente 1500 denier. Más preferiblemente, los hilos son desde aproximadamente 800 denier a aproximadamente 1300 denier.

Cada una de las capas fibrosas, primera, segunda y cualquiera adicional pueden estar formadas de fibras de la misma composición o estar en la forma de capas híbridas de fibras que tienen dos o más composiciones diferentes. Esto es una o más capas fibrosas puede estar formada de por lo menos dos capas de materiales de fibra diferentes que están adheridos juntos, o de una mezcla de materiales de fibra diferente que están adheridos juntos en la misma capa.

El espesor de cada capa fibrosa es preferiblemente el mismo pero puede ser diferente y puede variar dependiendo de la aplicación específica, y limitaciones de costo y peso. El espesor normal de las capas fibrosas puede variar desde aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.8 pulgadas (2.54 a 20.32 mm) , más preferiblemente desde aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.6 pulgadas (5.08 a 15.24 mm) , y más preferiblemente desde aproximadamente 0.3 a aproximadamente 0.5 pulgadas (7.62 a 12.70 mm) .

En una modalidad preferida, la primera capa fibrosa está formada de fibras de polietileno de peso molecular alto, fibras de aramida y fibras de polibenzoxazol en la forma de un género no tejido unidireccional o un género tejido, y la segunda capa fibrosa está formada de las mismas fibras de la primera capa fibrosa o en la forma de un género no tejido unidireccional. En otra modalidad preferida la primera capa fibrosa está formada de fibras de polietileno de peso molecular alto o fibras de aramida que están en la forma de un género tejido o en la forma de un género no tejido unidireccional y la segunda capa fibrosa está formada de las mismas fibras de la primera capa fibrosa que están en la forma de un género no tejido unidireccional o un género tejido.

También preferiblemente la primera y segunda capas fibrosas (asi como cualquier capa fibrosa adicional) están formada de una pluralidad de estratos que han sido laminados juntos. El número de estratos en cada capa depende de la densidad superficial deseada, espesor, nivel de protección, y similares. Por ejemplo, cuando la capa fibrosa está formada de fibras de polietileno de peso molecular alto, fibras de aramida, o fibras de polibenzoxazol, el número de estratos individuales puede variar desde aproximadamente 2 a aproximadamente 200, más preferiblemente desde aproximadamente 10 a aproximadamente 150, y más preferiblemente desde aproximadamente 50 a aproximadamente 100. Se debe reconocer que los estratos individuales pueden ser preformados en una hoja preimpregnada múltiple. Por ejemplo, si la hoja preimpregnada está formada de 4 estratos, entonces el número de estratos mencionados anteriormente se reduciría a un cuarto de la cantidad mencionada .

Los estratos individuales también pueden estar preferiblemente en la forma de submontajes de dos o cuatro unidades que incluyen estratos cruzados, preferiblemente a 0°/90° para una unidad de dos estratos y de 0°/90o/0o/90° para una unidad de cuatro estratos. Las capas fibrosas se pueden formar de una pluralidad de unidades de estratos cruzados.

Los laminados de dos o más estratos que forman las capas fibrosas de la invención son producidos preferiblemente de rollos continuos de hojas preimpregnadas unidireccionales, utilizando una operación continua de estratos cruzados. Ese método se describe en las Patentes E.U.A. 5,173,138 y 5,766,725, las cuales se incorporan a la presente para referencia en la medida que concuerden con la misma. De otro modo, los estratos pueden colocarse a mano, o por cualquier otro medio adecuado. Los estratos, (por ejemplo, dos estratos) están consolidados por la aplicación de calor y presión en el proceso de estratos cruzados. Las temperaturas pueden variar desde aproximadamente 90°C a aproximadamente 160°C, y las presiones pueden variar desde aproximadamente 100 a aproximadamente 2500 psi (69 a 17, 0000 (sic) kPa) , dependiendo del tipo de fibras y hoja matriz que se emplee. Por "consolidación" se entiende que el material matriz y los estratos fibrosos se combinan en una capa unitaria única. La consolidación puede ocurrir por secado, enfriado, calentado, presión o una combinación de éstos .

Los montajes de los diversos estratos que constituyen las capas fibrosas de esta invención pueden contener montajes rígidos o montajes flexibles. Los montajes rígidos generalmente se forman apilando y consolidando los estratos en una prensa, como pueden ser bajo las condiciones antes mencionadas. Los montajes flexibles se pueden formar apilando sueltamente los estratos, en los cuales los estratos están sin unir o unidos únicamente en uno o más bordes por costura, por ejemplo.

Una o más películas plásticas pueden incluirse en las capas fibrosas, por ejemplo para permitir que diferentes capas se deslicen sobre otra para formar fácilmente la forma deseada. Estas películas plásticas normalmente se adhieren a una o ambas superficies de cada capa fibrosa o cada hoja preimpreganada consolidada de dos o cuatro estratos que forman las capas fibrosas. Cualquier película plástica adecuada se puede emplear, como pueden ser las películas hechas de poliolefinas, por ejemplo, películas de polietileno de baja densidad lineal (LLDPE) y películas de polietileno de peso molecular ultra alto (UHM PE) , así como películas de poliéster, películas de nailon, películas de policarbonato y similares. Estas películas pueden ser de cualquier espesor deseado. Los espesores normales varían desde aproximadamente 0.1 a aproximadamente 1.2 mils (2.5 a 30 um) , más preferiblemente desde aproximadamente 0.2 a aproximadamente 1 mil (5 a 25 µp?) , y más preferiblemente desde aproximadamente 0.3 a aproximadamente 0.5 mils (7.5 a 12.5 µp?) . Las películas más preferidas son de LLDPE.

En adición a las capas fibrosas de fibras de alta tenacidad que están presentes en el material compuesto de esta invención, también se pueden emplear otras capas. Por ejemplo, un compuesto de fibra de vidrio y/o un compuesto de grafito se pueden intercalar entre las dos capas de cerámica. Esos compuestos se pueden formar con una resina deseada, como puede ser una resina epóxica termofija. De otro modo, esos materiales compuestos pueden estar presentes en otros lugares en el artículo de esta invención.

En una modalidad particularmente preferida de esta invención, las capas de cerámica están formadas de óxido de aluminio, y las capas fibrosas están formadas de fibras de aramida, o fibras de polietileno de peso molecular alto.

En una modalidad, la primera capa de cerámica y la primera capa fibrosa se adhieren juntas para formar una unidad preformada. Cualquier medio adecuado se puede utilizar para unir las capas juntas, como puede ser una película adhesiva sólida, un adhesivo líquido, etc. Las películas adhesivas son preferidas, como pueden ser los adhesivos de poliuretano, adhesivos epóxicos, adhesivos de polietileno, y similares. Estas capas se pueden unir entre sí en una prensa adecuada, como puede ser una prensa match-die o autoclave. Las capas son combinadas bajo temperaturas y presiones adecuadas. Por ejemplo, si se utiliza un adhesivo líquido, las capas se pueden unir juntas en condiciones de temperatura ambiente. De otro modo, las capas se pueden unir juntas utilizando una película adhesiva o líquida bajo presiones y temperaturas adecuadas. Si se utiliza calor y presión para unir las capas juntas, preferiblemente las temperaturas empleadas son preferiblemente de aproximadamente 20 a aproximadamente 30°F (11.1 a 16.7°C) menor que la temperatura utilizada en la consolidación de las capas fibrosas mencionadas anteriormente, o aproximadamente de 20 a aproximadamente 30°F (11.1 a 16.7°C) menor que el punto de fusión de las fibras usadas en las capas de respaldo fibrosas. Las presiones pueden ser inferiores que las utilizadas en la consolidación de las capas fibrosas, como puede ser de aproximadamente 20 a aproximadamente 500 psi (0.14 a 3.4 MPa) . Si se emplea una autoclave, las presiones pueden variar, por ejemplo, desde aproximadamente 50 a aproximadamente 250 psi (0.34 a 1.7 MPa) .

De otro modo, la segunda capa de cerámica y la segunda cpa fibrosa (si está presente) se pueden adherir juntas en una forma similar mediante un adhesivo similar. Si se utilizan capas adiciones de cerámica y fibras, también se adhieren preferiblemente juntas por un medio adhesivo.

Las diversas capas combinadas, preformadas de la primera capa de cerámica y la primera capa fibrosa, junto con la segunda capa de cerámica y la segunda capa fibrosa (y cualquier capa adicional de cerámica y/o fibrosa) puede ser apilada en una prensa adecuada con capas intercaladas de película adhesiva. La prensa puede ser una autoclave o C una prensa match-die de alta presión. El adhesivo puede ser el mismo o diferente del que se utilizó para unir la primera capa de cerámica con la primera capa fibrosa. Las capas preformadas apiladas se combinan en un artículo consolidado preferiblemente bajo calor y presión. Las misas presiones y temperaturas que se emplearon para formar cada una de las capas preformadas se puede emplear para formar el panel completo de la invención, o se pueden utilizar otras presiones y temperaturas.

De otro modo, todas las capas pueden estar en la forma de capas individuales (capa de cerámica, capa fibrosa, capa de cerámica, capa fibrosa, etc.) que se unen entre sí en un paso único, como puede ser apiladas en una prensa y unidas bajo calor y presión adecuadas.

Los siguientes ejemplos no limitantes se presentan para proporcionar un más completo entendimiento de la invención. Las técnicas específicas, condiciones, materiales, proporciones y datos reportados que se exponen para demostrar los principios de la invención son ejemplares y no deben considerarse como limitantes del alcance de la invención.

EJEMPLOS Ejemplo 1 (Comparativo) Se preparó un panel superpuesto de cerámica a partir de un mosaico de cerámica. El mosaico era una cerámica de óxido de aluminio (AD-90, disponible de Coors Tek) con dimensiones de 4 x 4 pulgadas (101.6 x 101.6 mm) y un espesor de 0.4 pulgadas (10.16 mm) . La capa de cerámica tenía una densidad superficial de 7.41 psf (36.17 ksm) . La cerámica se respaldó y moldeó con SPECTRA SHIELD® PCR, un compuesto no tejido de dos estratos formado de fibras de polietileno de peso molecular alto (de Honeywell Internacional Inc.). Este material era una estructura orientada unidireccionalmente, no tejida, con una resina de matriz (20% en peso de Kraton® D1107 copolímero en bloque isopreno-estireno-isopreno disponible de Kraton Polymer LLC) . La estructura de 2 estratos incluía estratos individuales que eran estratos cruzado a 0°/90°. Las fibras de polietileno SPECTRA ® tienen una tenacidad de 30 g/d, un módulo de tracción de 850 g/d y una energía al rompimiento de 45 g/d.

La capa fibrosa contenia 148 capas del producto SPECTRA SHEILD® PCR de Honeywell International Inc.) y tenia una densidad superficial de 4 psf (19.5 kdm) . Estas capas se formaron como una capa consolidada separada apilando las capas en una prensa hidráulica de 200 toneladas, y moldeadas precalentando a 240°F (116°C) durante 10 minutos, seguido por moldeo a 240°F (116°C) bajo una presión de 1500 psi (10.3 MPa) durante 10 minutos, seguido de enfriamiento bajo presión a 150°F (66°C). La capa fibrosa estaba en la forma de una hoja de 12 x 12 pulgadas (30.5 x 30.5cm).

La capa de cerámica se adhirió a la capa fibrosa preformada de fibras de polietileno de peso molecular alto bajo condiciones de temperatura ambiente utilizando un adhesivo en aspersión (III-9 de 3M Company) . La capa de cerámica se colocó en el centro de la capa fibrosa, con la película adhesiva (de aproximadamente la misma área que la capa de cerámica) entre la capa de cerámica y la capa fibrosa. El panel resultante tenía una densidad superficial total de 11.41 psf (55.7 ksm) .

El panel se probó para rendimiento balístico de acuerdo con la Norma del Instituto Nacional de Justicia (NU) 0101.04 nivel de blindaje IV. El proyectil fue una bala APM2 perforadora de blindaje calibre 0.50, grano 710, con una chaqueta de acero y núcleo de acero. Los resultados se muestran en la Tabla 1, abajo.

Ejemplo 2 Se repitió el ejemplo 1 excepto que se utilizaron dos de los paneles fibrosos de cerámica combinados del Ejemplo 1. Cada panel se preparó como en el Ejemplo 1. Los paneles individuales se adhirieron después juntos de la misma forma que en el Ejemplo 1.

El panel tuvo dos capas de cerámica y dos capas de género no tejido de SPECTRA SHEILD® PCR de fibras de polietileno de peso molecular alto. El panel se probó para rendimiento balístico como en el Ejemplo 1. Los resultados se muestran en la Tabla 1, abajo.

Tabla 1 *comparativo Como se puede ver en los Ejemplos comparativos 1 y 2, una capa única de cerámica combinada y consolidada de fibras no tejidas falló la prueba, con la bala penetrando el blindaje a la velocidad de salida indicada. En contraste, cuando se utilizaron dos capas de cerámica y dos capas de las fibras no tejidas consolidadas, el blindaje pasó la prueba, siendo detenida la bala. De esta manera, un aumento en velocidad de amenaza puede ser frustrada adicionando una capa de cerámica, y no hay necesidad de cambiar la cerámica completa más el sistema de respaldo compuesto y reemplazarlo con un cerámica más gruesa y sistema de respaldo compuesto.

Ejemplo 3 Se preparó un panel superpuesto de cerámica. Las capas de cerámica se formaron de placas de alúmina (AC-96 de Coor Tek) con dimensiones de 3.985 x 3.985 pulgadas (101.219 x 101.219 mm) , y un espesor de 0.110 pulgadas (2.794 mm) . La densidad superficial de cada capa de cerámica fue de 2.30 psf (11.23 ksm) .

El material de respaldo fibroso fue SPECTRA SHIELD® PCRw, un compuesto no tejido de 4-estratos formado de fibras de polietileno de peso molecular alto de Honeywell Internacional, Inc.)- Este material fue una estructura orientada Unidireccionalmente no tejida con una resina de matriz de 16% en peso de Kraton® D1107 copolimero en bloque isopreno-estireno-isopreno disponible de Kraton Polymer LLC) . La estructura de 4-estratos incluyó estratos individuales que eran estratos cruzados 0°/90o/0o/90° . Las fibras tenían las mismas propiedades del Ejemplo 1. Los materiales de respaldo fibrosos se formaron de 40 capas de producto SPCETRA SHIELD®, y se consolidaron bajo calor y presión en las mismas condiciones del Ejemplo 1. La capa fibrosa consolidada estaba en la forma de una hoja de 12 x 12 pulgadas (30.5 x 30.5 cm) . La densidad superficial de esta capa fue de 2.00 psf (9.76 ksm) .

La capa de cerámica se adhirió a la capa fibrosa utilizando' una película adhesiva. La película adhesiva era un polieter poliuretano alifático disponible de Stevens Urethane, el cual tiene un intervalo de fusión de 120 a 140°C, un alargamiento al rompimiento de 450% y una gravedad específica de 1.07g/cc. La capa de cerámica se colocó en la mitad de la capa fibrosa.

Una segunda capa de cerámica del mismo tipo que la primera capa se adhirió a la superficie externa de la primera capa usando el mismo tipo de película adhesiva. Las tres capas combinadas se unieron entre sí en una autoclave bajo las siguientes condiciones: vació de 14.7 psf (71.7 ksm), presión de 250 psi (1.72 MPa) , temperatura de 240°F (116°C), duración de 2 horas del proceso seguido por enfriamiento a 150°F (66°C).

El panel se probó para rendimiento balístico de acuerdo con la Norma del Instituto Nacional de Justicia (NU) blindaje IV nivel 0101.04. El proyectil fue una bala M2AP perforadora de blindaje calibre 0.30, grano 162, con una chaqueta de acero y un núcleo de acero. Los resultados se muestran en la Tabla 2, abajo.

Ejemplo 4 (comparativo) Se repitió el Ejemplo 3 excepto que la segunda capa de cerámica no se empleó. La densidad superficial de la capa de cerámica única fue de 2.8 psf (13.67 ksm) y la densidad superficial total de la estructura fue de 4.8 psf (23.43 ksm) .

El panel se probó para rendimiento balístico como en el Ejemplo 1. La bala de velocidad más baja que se pudo disparar fue de 1580 fps (482 mps) . La bala penetró completamente el panel.

Ejemplo 5 Se repitió el Ejemplo 3 usando tres de las capas de cerámica del Ejemplo 3 que están unidas juntas. La capa de respaldo fibroso se formó de 42 capas del material de 4-estratos del Ejemplo 3. La densidad superficial de la capa fibrosa fue de 2.15 psf (10.49 ksm) .

La estructura se unió junta bajo las mismas condiciones del Ejemplo 3.

El panel se probó para propiedades balísticas como en el Ejemplo 3. Los resultados se muestran en la Tabla 2, abajo .

Ejemplo 6 Se repitió el Ejemplo 4 usando cuatro de las capas de cerámica del Ejemplo 3. La capa de respaldo fibroso fue la misma del Ejemplo 4.

Tabla 2 ^comparativo ## Penetración total de bala Cuando se compararon los Ejemplos 3 y 4, se pudo ver que el uso de una capa de cerámica relativamente delgada adicional proporciona una estructura que cumple el nivel de amenaza considerando que la estructura de capa única no tuvo resistencia para detener el tipo de balas utilizado. También como se puede ver en la Tabla 2, las capas de cerámica relativamente delgadas adicionales se pueden adicionar a la cara delantera del panel para proporcionar niveles aún más altos de protección sin necesitar reemplazar el panel por un panel de material de respaldo fibroso de cerámica más grueso.

Por consiguiente, se puede ver que la presente invención proporciona un panel con resistencia balística que tiene una pluralidad de capas de cerámica y por lo menos una (y preferiblemente dos) capas de respaldo fibrosos con el fin de proporcionar un panel superpuesto de cerámica de un nivel de protección deseada. Formando el panel de una pluralidad de capas de cerámica relativamente delgada con por lo menos un respaldo fibrosos, se puede proteger contra diferentes niveles de amenaza escogiendo el número de capas de materiales de cerámica que se van a usar en el panel. Las capas de cerámica relativamente delgadas son más simples de fabricar que los paneles de cerámica más gruesos del mismo espesor total que el espesor combinado de las capas superpuestas de cerámica múltiples. De forma sorpresiva, los paneles de esta invención que tienen un número múltiple de capas de cerámica proporcionan prácticamente la misma o mejor resistencia balística que las de un panel monolítico de prácticamente el mismo espesor y composición.

La protección contra diversos niveles de amenaza se puede proporcionar utilizando un número deseado de preformas la capa de cerámica relativamente delgada y el respaldo fibroso. Esto permite mayor flexibilidad de fabricación y puede reducir el inventario de construcciones de paneles que necesitan estar almacenados con el fin de proporcionar protección contra diferentes niveles de amenaza.

Los paneles de esta invención son particularmente útiles para protección balística de vehículos terrestres y aviones. También son útiles como insertos para armaduras para el cuerpo humano como pueden ser chalecos y cascos, en dispositivos fijos así como en aplicaciones de seguridad nacional.

Habiendo descrito la invención detalladamente, se entenderá que ese detalle no necesita adherirse estrictamente sino que puede sugerir cambios y modificaciones por sí mismo a las personas que cuentan con experiencia en la técnica, cayendo todas dentro del campo de la invención como se define por las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un panel con resistencia balística, el panel consiste en: una primera capa de cerámica relativamente delgada que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna; una primera capa fibrosa que consiste en una red de fibras de alta tenacidad y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la primera capa fibrosa junto a la superficie superpuesta interna de la capa de cerámica; y una segunda capa de cerámica relativamente delgada y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta interna de la segunda capa de cerámica junto a la superficie superpuesta interna de la primera capa fibrosa, la segunda capa de cerámica superpuesta hacia fuera del panel.

2. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 además contiene una segunda capa fibrosa que consiste en una red de fibras de alta tenacidad y tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la segunda capa fibrosa está intercalada entre la primera capa de cerámica y la capa de cerámica, con la superficie superpuesta externa de la segunda capa fibrosa estando junto a la superficie superpuesta interna de la capa de cerámica y la superficie superpuesta interna de la segunda capa fibrosa que está junto a la superficie superpuesta externa de la primera capa de cerámica.

3. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 en donde el panel tiene una resistencia balística que es considerablemente equivalente a o mayor que la resistencia balística de una construcción de panel de cerámica comparable que tiene solamente una capa de cerámica única respaldada con una capa fibrosa, la capa de cerámica única tiene un espesor total de prácticamente el mismo espesor combinado de la primera capa de cerámica y la segunda capa de cerámica.

4. El panel de acuerdo con la reivindicación 3 en donde las fibras de alta tenacidad se seleccionan del grupo consistente en polietileno de peso molecular alto, polipropileno de peso molecular alto, aramida, alcohol polivinílico, poliacrilonitrilo, polibenzazol, poliéster y fibras de varilla rígida, y el segundo tipo de fibras de alta tenacidad se seleccionan del grupo consistente en polietileno de peso molecular alto, polipropileno de peso molecular alto, aramida, alcohol polivinilico, poliacrilonitrilo, polibenzazol, poliéster y fibras de varilla rígida, y mezclas de dos o más de éstas.

5. El panel de acuerdo con la reivindicación 4 en donde las fibras de alta tenacidad tienen tenacidades de por lo menos aproximadamente 22 g/d.

6. El panel de acuerdo con la reivindicación 4 en donde las fibras de alta tenacidad tienen tenacidades de por lo menos aproximadamente 28 g/d.

7. El panel de acuerdo con la reivindicación 4 en donde la primera capa está en la forma de una red de fibras orientadas unidireccionalmente no tejida, con una matriz de resina.

8. El panel de acuerdo con la reivindicación 7 en donde la resina contiene desde aproximadamente 5 a aproximadamente 40 por ciento en peso de la primera capa fibrosa.

9. El panel de acuerdo con la reivindicación 7 en donde la primera capa fibrosa contiene una pluralidad de estratos individuales que están orientados entre sí.

10. El panel de acuerdo con la reivindicación 9 en donde los estratos están orientados en un ángulo de 90° con respecto a los estratos adyacentes.

11. El panel de acuerdo con la reivindicación 10 en donde la primera capa fibrosa contiene una pluralidad de hojas preimpregnadas que contienen una pluralidad de estratos de fibras que están orientados entre si.

12. El panel de acuerdo con la reivindicación 4 en donde la primera capa fibrosa está en la forma de un género tejido con una matriz de resina.

13. El panel de acuerdo con la reivindicación 4 en donde la primera capa fibrosa contiene una pluralidad de estratos individuales que están orientados entre si, y el número de estratos varia desde aproximadamente 2 a aproximadamente 200.

14. El panel de acuerdo con la reivindicación 4 en donde la primera capa fibrosa contiene fibras seleccionadas del grupo que consiste en fibras de polietileno de peso molecular alto, fibras de aramida, fibras de polibenzoxazol y mezclas de éstas.

15. El panel de acuerdo con la reivindicación 14 en donde la primera capa fibrosa contiene fibras de polietileno de peso molecular alto.

16. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 en donde la capa de cerámica contiene un material de cerámica seleccionado del grupo que consiste en nitruros metálicos y no metálicos, boruros, carburos y óxidos, y la mezcla de éstos.

17. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 en donde la capa de cerámica contiene un material de cerámica seleccionado del grupo que consiste en carburo de silicio, óxido de silicio, nitruro de silicio, carburo de boro, nitruro de boro, diboro de titanio, alúmina y óxido de magnesio, y las mezclas de éstos.

18. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 en donde la capa de cerámica contiene un material de cerámica seleccionado del grupo que consiste en alúmina, carburo de silicio, carburo de boro, y las mezclas de éstos.

19. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 en donde la capa de cerámica contiene alúmina.

20. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 en donde el espesor de cada una de las capas de cerámica, primera y segunda, es de aproximadamente 0.05 a aproximadamente 0.6 pulgadas (1.3 a 15.2 mm) . 5

21. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 en donde el espesor de cada una de las capas de cerámica, primera y segunda, es de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.5 pulgadas (2.5 a 12. 5 mm) . 10

22. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 en donde la primera capa de cerámica tiene la misma composición que la segunda capa de cerámica, y la fibra en la primera capa fibrosa es la misma fibra de la segunda capa ]5 fibrosa.

23. El panel de acuerdo con la reivindicación 23 en donde la primera capa de cerámica y la primera capa fibrosa están unidas juntas. 20

24. Un panel con resistencia balística, el panel consiste en: una capa de cerámica superpuesta hacia fuera que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie 25 superpuesta interna; una primera capa fibrosa que consiste en una red de un primer tipo de fibras de alta tenacidad seleccionadas del grupo que consiste en fibras de aramida y fibras de polietileno de peso molecular alto, y tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la primera capa fibrosa está junto a la capa superpuesta interna de la capa de cerámica, y una segunda capa fibrosa que consiste en una red de un segundo tipo de fibras de alta tenacidad seleccionadas del grupo que consiste en fibras de aramida y fibras de polietileno de peso molecular alto, y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la segunda capa fibrosa está junto a la superficie superpuesta interna de la primera capa fibrosa; el primer tipo de fibras de alta tenacidad tienen una composición diferente de la composición del segundo tipo de fibras de alta tenacidad; la primera capa fibrosa tiene un módulo flexural que es por lo menos aproximadamente 5% más alto que el módulo flexural de la segunda capa fibrosa.

25. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 además contiene una capa de cerámica relativamente delgada que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta interna de la tercera capa de cerámica junto a la superficie superpuesta externa de la segunda capa de cerámica, la tercera capa de cerámica superpuesta hacia fuera del panel .

26. Un panel con resistencia balística, el panel consiste en: una primera capa de cerámica relativamente delgada que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, una primera capa fibrosa que consiste en una red de fibras de alta tenacidad y tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la primera capa fibrosa está junto a la capa superpuesta interna de la capa de cerámica, una segunda capa de cerámica relativamente delgada y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna; la superficie superpuesta interna de la segunda capa de cerámica está junto a la superficie superpuesta externa de la primera capa de cerámica, la segunda capa de cerámica superpuesta hacia fuera del panel; y una segunda capa fibrosa que consiste en una red de fibras de alta tenacidad y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la segunda capa fibrosa está intercalada entre la primera capa de cerámica y la segunda capa de cerámica, con la superficie superpuesta externa de la segunda capa fibrosa junto a la superficie superpuesta interna de la segunda capa de cerámica.

27. El panel de acuerdo con la reivindicación 26 en donde cada una de las capas, primera capa de cerámica y segunda capa de cerámica contiene alumina.

28. El panel de acuerdo con la reivindicación 26 en donde cada una de las capas fibrosas, primera y segunda, contiene una pluralidad de hojas preimpregnadas que contiene una pluralidad de estratos de fibra que están orientados entre si.

29. El panel de acuerdo con la reivindicación 28 en donde cada una de las capas fibrosas, primera y segunda, contienen fibras seleccionadas del grupo que consiste en fibras de polietileno de peso molecular alto, fibras de aramida, fibras de polibenzoxazol y combinaciones de éstas.

30. El panel de acuerdo con la reivindicación 29 en donde cada una de las capas fibrosas, primera y segunda, contiene una red de fibras de alta tenacidad y una matriz de reina, la matriz de resina contiene un copolimero en bloque estireno-isopreno-estireno .

31. En un panel con resistencia balística superpuesto de cerámica diseñado para protección contra un cierto nivel de amenaza de proyectiles balísticos, el mejoramiento consiste en formar el panel de una estructura que consiste en: una primera capa de cerámica relativamente delgada que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna; una primera capa fibrosa que contiene una red de fibras de alta tenacidad y que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta externa de la primera capa fibrosa está junto a la superficie superpuesta interna de la primera capa de cerámica; y una segunda capa de cerámica relativamente delgada que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la superficie superpuesta interna de la segunda capa de cerámica está junto a la superficie superpuesta externa de la primera capa de cerámica.

32. El panel de acuerdo con la reivindicación 31 en donde el panel tiene una resistencia balística que es prácticamente equivalente a o mayor que la resistencia balística de una construcción de panel de cerámica comparable que tiene solamente una capa de cerámica única respaldada con una capa fibrosa, la capa de cerámica única tiene un espesor total que es prácticamente el mismos espesor de la primera capa de cerámica y la segunda capa de cerámica combinadas .

33. El panel de acuerdo con la reivindicación 32 en donde la primera capa fibrosa contiene una pluralidad de hojas preimpregnadas que contienen una pluralidad de estratos de fibras que están orientados entre sí, cada uno de los estratos de fibra contiene fibras seleccionadas del grupo que consiste en fibras de polietileno de peso molecular alto, fibras de aramida, fibras de polibenzoxazol y las combinaciones de éstas, y cada una de las capas de cerámica contiene una cerámica seleccionada del grupo consistente en alumina, carburo de silito, carburóte boro y las mezclas de éstos.

34. El panel de acuerdo con la reivindicación 33 en donde la primera capa fibrosa consiste en una red de fibras de alta tenacidad y una matriz de resina, cada una las capas tiene un espesor de aproximadamente 0.1 a roximadamente 0.5 pulgadas (2.5 a 12.5 mm) y en donde ia una de las capas está unida a las capas adyacentes. RESUMEN DE LA INVENCIÓN Se describe un panel resistente a proyectiles balísticos, el cual se forma a partir de una pluralidad de capas de cerámica relativamente delgadas y por lo menos una capa de respaldo fibrosa de fibras de elevada tenacidad. Las dos capas de cerámica relativamente delgadas están adyacentes entre sí, pero pueden estar separadas por una capa de respaldo fibrosa adicional de fibras de alta tenacidad. El panel de cerámica superpuesto proporciona un nivel de protección deseado contra proyectiles balísticos. Puede obtenerse protección contra diferentes niveles de amenazas eligiendo el número de capas de cerámica que se utilizan en el panel. Las capas de cerámica relativamente delgadas son más sencillas de fabricar que los paneles de cerámica gruesos del mismo espesor general como el espesor combinado de las múltiples capas de cerámica superpuestas. Los paneles de esta invención que tienen un número múltiple de capas de cerámica proporcionan prácticamente la misma resistencia balística o mejor que un panel monolítico de prácticamente el mismo espesor y composición. Es posible proporcionar protección contra diferentes niveles de amenazas utilizando un número deseado de preformas de la capa de cerámica relativamente delgada y el respaldo fibroso. Esto permite mayor flexibilidad de fabricación y puede reducir el inventario de las construcciones del panel que necesitan ser almacenadas para proporcionar protección contra diferentes niveles de amenaza.