MX2008012188A - Construccion de un panel balistico superpuesto, de ceramica. - Google Patents

Construccion de un panel balistico superpuesto, de ceramica.

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Harold Lindley Murray Jr
Lori L Wagner
Brian D Arvidson
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Abstract

Se describe un panel resistente a proyectiles balísticos, el cual se forma a partir de una capa de cerámica y una pluralidad de capas de respaldo fibrosas. Una primera capa de respaldo fibrosa está junto a la capa de cerámica, y una segunda capa de respaldo fibrosa está junto a la primera capa de respaldo fibrosa. Cada una de las capas de respaldo fibrosas se forma de una red de fibras de alta tenacidad, pero las fibras de cada una de las capas de respaldo tienen una composición diferente. Preferentemente la primera capa fibrosa es más rígida que la segunda capa fibrosa. El panel tiene una existencia balística que es considerablemente equivalente a o mayor que la resistencia balística de una construcción de paneles de cerámica comparable, que tiene solo una capa fibrosa única y del mismo tipo de fibras de alta tenacidad como las de la primera y segunda capas de respaldo para prácticamente la misma densidad superficial.

Description

CONSTRUCCIÓN DE UN PANEL BALÍSTICO SUPERPUESTO, DE CERÁMICA ANTECEDENTE DE LA INVENCIÓN Campo de la invención Esta invención se refiere a blindajes que incluyen una capa superpuesta de cerámica.
Descripción de la técnica relacionada Se han propuesto diversos tipos de construcciones de blindaje balístico y lo utilizan en diferentes aplicaciones. Esto incluye blindaje para vehículos terrestres, aviones, objetos fijos, y similares. En un tipo de construcción de blindaje balístico conocido que es útil, por ejemplo, para vehículos terrestres y aviones, se adhiere una capa de cerámica a una capa de fibra 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 los 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 .
Las fibras de alta tenacidad que son útiles en estas aplicaciones incluyen fibras de polietileno de peso molecular alto, fibras de aramida, y similares. Sin embargo, las fibras de alta tenacidad son en general difíciles de fabricar debido a los procedimientos complejos de fabricación. Como resultado, la capacidad de fabricación ha sido restringida, y en general no se puede aumentar fácilmente en tiempos de necesidades especiales. Por ejemplo, habrá muchas veces en que aumenten las necesidades para aplicaciones militares, lo cual puede provocar conflictos con necesidades para aplicaciones comerciales, y esas necesidades no se pueden cumplir.
Consecuentemente, habrá tiempos en que habrá escasez de un tipo de fibra de alta tenacidad, y la sola sustitución de un tipo de fibra de alta tenacidad por otro tipo de fibra de alta tenacidad puede no cumplir los requisitos de rendimiento de una aplicación de uso final particular. Esta sustitución también puede no estar precalificada para la aplicación particular.
Más aún, las condiciones de peso generalmente no permiten el uso de placas de cerámica más gruesas como un sustituto para la capa de fibras de alta tenacidad.
Seria deseable proporcionar un panel con resistencia balística superpuesto de cerámica que cumpliera los requisitos balísticos necesarios pero que tengan una construcción que sea más adaptable para cumplir las necesidades cambiantes de los clientes.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN De acuerdo con esta invención se proporciona un panel con resistencia balística, el panel consiste en: una capa de cerámica superpuesta en la parte externa que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna; una primera capa fibrosa que consiste en una red de un primer tipo 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 junto a la superficie superpuesta interna del a capa de cerámica; y una segunda capa fibrosa que consiste en una red de un segundo tipo de fibra de alta tenacidad y que tienen 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 primera capa fibrosa; el primer tipo de fibras de alta tenacidad tiene una composición diferente de la composición del segundo tipo de fibras de alta tenacidad; la primera capa fibrosa es más rígida que la segunda capa fibrosa.
Preferiblemente, 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 únicamente una capa fibrosa única que contiene el mismo tipo de fibra de alta tenacidad del primero o segundo tipo de fibra de alta tenacidad, la capa de fibra única tiene una densidad superficial considerablemente igual a la densidad superficial de la primera capa fibrosa y la segunda capa fibrosa.
También de acuerdo con esta invención, se proporciona un panel con resistencia balística, el panel consiste en; una capa de cerámica superpuesta en la parte externa que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna; una primera capa fibrosa que consiste en una red de un primer tipo de fibras de alta tenacidad seleccionado 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 primera capa fibrosa junto a la superficie superpuesta interna de la capa de cerámica; y una segunda capa fibrosa que consiste en una red de un segundo tipo de fibra de alta tenacidad seleccionadas del grupo que consiste en fibras de aramida y fibras de polietileno de peso molecular alto, y que tienen 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 primera capa fibrosa; el primer tipo de fibra de alta tenacidad tiene una composición diferente de la composición del segundo tipo de fibras de alta tenacidad; La primera capa fibrosa tiene módulo flexural que es de por lo menos aproximadamente 5% más alto que el módulo flexural de la segunda capa fibrosa.
Aún de acuerdo con esta invención, se proporciona un panel con resistencia balística, el panel consiste en: una capa de cerámica superpuesta en la parte externa que tiene una superficie superpuesta externa y una superficie superpuesta interna, la capa de cerámica contiene carburo de silicio; una primera capa fibrosa que consiste de una red de un primer tipo de fibra de alta tenacidad seleccionadas del grupo que consiste en fibras de aramida y fibras de polietileno de peso molecular alto y que tienen 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 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 tienen 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 primera capa fibrosa; cada una de las capas fibrosas primera y segunda está en la forma de una red orientada unidireccionalmente no tejida de fibras con una matriz de resina, el primer tipo de fibras de alta tenacidad tienen una capacidad diferente que la composición del segundo tipo de fibras de alta tenacidad; la primera capa fibrosa tiene un módulo flexural que es de por lo menos aproximadamente 15% más alto que el módulo flexural de la segunda capa fibrosa.
Por lo tanto el panel tiene una resistencia balística que es considerablemente igual a o mayor que la resistencia balística de una construcción de paneles de cerámica comparables que tiene únicamente una capa fibrosa única que consiste del mismo tipo de fibras de alta tenacidad del primero o segundo tipo de fibras de alta tenacidad, la capa fibrosa única tiene una densidad superficial considerablemente igual a la densidad superficial combinada de la primera capa fibrosa y la segunda capa fibrosa.
La presente invención proporciona un panel con resistencia balística que tiene una pluralidad de capas de diferentes fibras que proporcionan protección de respaldo en una placa de cerámica. También se encontró que la capa de fibras junto a la capa de cerámica es más rígida que la capa fibrosa superpuesta interior con el fin de proporcionar resistencia mejorada a las amenazas balísticas. También se encontró inesperadamente que utilizando por ejemplo, una capa de fibras de aramida como la primera capa fibrosa y un capa de fibras de polietileno de peso molecular alto como la segunda capa fibrosa, se logra protección balística mejorada cuando se compara con una capa de respaldo que está formada solamente de fibras de aramida pero con una densidad superficial equivalente.
Proporcionando una pluralidad de capas de respaldo fibrosas utilizando diferentes tipos de fibras permite mayor flexibilidad para cumplir las demandas de los clientes para diversas amenazas balísticas en que las varias capas de fibra pueden ser sustituidas por una capa de fibra única y obtener por lo menos el mismo grado de protección. De esta forma, la disponibilidad de panales con resistencia balística no se afecta debido al suministro limitado de un tipo único de material fibroso. Esto también permite mayor flexibilidad de fabricación y ayuda a reducir costos.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como se menciona anteriormente, los paneles balísticos de esta invención están formados de un material de cerámica y 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 alguna forma (por ejemplo, adheridos en una capa de soporte o en una capa fibrosa) . Aunque una capa de cerámica única es preferida, dependiendo de la aplicación de uso final y consideraciones de peso se puede emplear una pluralidad de capas de cerámica en la construcción de esta invención. Esas 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. Un material de cerámica preferido es el carburo de silicio .
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 estar unida o estar envuelta con fibras de vidrio, fibras de grafito, o similares. La capa de cerámica puede de cualquier espesor deseado, reconociendo por supuesto que hay consideraciones de peso en la selección del espesor de la capa de cerámica. La capa puede tener un espesor de, por ejemplo, desde aproximadamente 0.7 a aproximadamente 1 pulgada (1.78 a 25.4 mm) , preferiblemente desde aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.5 pulgadas (2.54 a 1.27 mm) , y más preferiblemente desde aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.4 pulgadas (2.54 a 10.16 mm) . Una capa de cerámica de carburo de silicio que tiene un espesor de aproximadamente 0.145 pulgadas (3.68 mm) normalmente puede tener una densidad superficial de aproximadamente 2.50 psf (12.2 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.
Junto a la capa interna de la capa de cerámica está una primera capa fibrosa, que está preferiblemente adherida a ella mediante un medio adhesivo adecuado. La primera capa fibrosa tiene superficies interna y externa, y la superficie externa de la primera capa fibrosa está junto a la superficie interna de la capa de cerámica. Junto a la primera capa fibrosa está una segunda capa fibrosa. Esta capa también tiene superficies interna y externa, ya la superficie externa de la segunda capa fibrosa está junto a la superficie interna de la primera capa fibrosa. Preferiblemente, la primera y segunda capas fibrosas están adheridas entre si.
Tanto la primera como la segunda capas fibrosas contiene fibras de alta tenacidad. Como se usa en la presente, "fibras de al 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 150g/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.
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-lobulares 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 considerablemente circular, plana u oblonga, más preferiblemente considerablemente circular .
Cada una de las capas fibrosas, primera y segunda, consisten 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 pesos de las fibras en el género son fibras de alta tenacidad, más preferiblemente por lo menos aproximadamente 75% en pesos de las fibras en el género son fibras de alta tenacidad, y más preferiblemente considerablemente 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 pesos 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 polivinilico, fibras de poliacrilonitrilo, fibras de copoliéster de cristal liquido, fibras de vidrio, fibras de carbono o basalto u otras fibras minerales, asi como fibras de polímero de varilla rígida, y las mezclas y combinaciones de éstas. Las fibras de alta resistencia preferidas en esta invención incluyen fibras de poliolefina y fibras de aramida. Más preferiblemente fibras de polietileno de pesos molecular alto y fibras de aramida .
La Patente E.U.A. No. 4,457,985 en general describe las fibras de polietileno 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. de 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 ramificación de cadena o de comonómeros que no excedan de 5 unidades modificadoras por cadena principal de átomos de carbono, y que también pueden contener mezclados con éstos no más de aproximadamente 50% en pesos 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 poliolefinas 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 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, 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 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 pesos molecular alto de aproximadamente 150,000, aproximadamente un millón y aproximadamente dos millones de pesos 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 pesos 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 prescritas en las diversas referencias referidas 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 considerablemente 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 presente. 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® T200 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'oxidifelinelo 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 polivinílico 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 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 liquido 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 de respaldo adicionales formadas de fibras de alta tenacidad también se pueden emplear en los paneles de esta invención, como puede ser una tercera capa fibrosa, una cuarta capa fibrosa, etc. Estas capas pueden estar localizadas hacia adentro de la segunda capa fibrosa, o entre la primera y segunda capas fibrosas, o ambas entre la primera y segunda capas fibrosas y hacia adentro de las segundas capas fibrosas.
Como se menciona anteriormente, las capas fibrosas pueden estar en la forma de un género tejido, de punto o no tejido. Si el género es un género tejido, puede ser de cualquier tejido deseado, como puede ser de patrón de tejido abierto.
Preferiblemente, 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 1,200 psi (8.23 MPa). Estos materiales resinosos son normalmente de naturaleza termoplástica pero los materiales termofijos 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 a la presente para referencia en la medida que concuerde con la presente.
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) , poli acrilatos, poli esteres, poli éteres, fluoro elastómeros, 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 isopropilico, ciclohexano, etil acetona y la combinación de éstos. Entre las resinas termofijas están ésteres vinilicos, 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, vinil tolueno y t-butil estireno son monómeros aromáticos conjugados preferidos. Los copolimeros en bloque que incorporan poliisopreno pueden ser hidrogenados para producir elastómeros termoplásticos que tiene segmentos de elastómero de hidrocarburo saturado. Los copolimeros pueden ser copolimeros tri-bloque simple 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 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 matriz resina preferida es un poliuretano termoplástico, como puede ser una mezcla de copolimero de resinas de poliuretano en agua.
El material 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 radiación 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 considerablemente unidireccional .
La composición resina 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 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 (unitape) 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 estrato de película, o las fibras pueden colocarse inicialmente en un velo portador antes de recubrirlas con la resina matriz. El estrato y la unitape pueden entonces tejerse en un rollo continuo en una forma conocida.
Los hilos útiles en las capas fibrosas pueden ser de un 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.
Como se menciona anteriormente, las fibras en la primera y segunda capas fibrosas tienen diferentes composiciones. Preferidas entre las fibras de alta tenacidad listadas anteriormente para esas capas son las fibras de polietileno de cadena extendida y las fibras de aramida. La proporción de peso de la primera y segunda capas fibrosas puede variar como se desee. Preferiblemente, la proporción de peso de la primera capa fibrosa a la segunda capa fibrosa varia desde aproximadamente 10:1 a aproximadamente 1:10, más preferiblemente desde aproximadamente 10:1 a aproximadamente 1:10, más preferiblemente desde aproximadamente 3:1 a aproximadamente 1:3, y más preferiblemente desde aproximadamente 1.5:1 a aproximadamente 1:1.5. En una modalidad más preferida, la primera y segunda capas fibrosas tienen aproximadamente el mismo peso. El espesor de las capas fibrosas, primera y segunda, combinadas también puede variar, dependiendo de la aplicación especifica, limitaciones de costos y peso. Por ejemplo, el espesor combinado de las capas fibrosas primera y segunda 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) .
Es preferible que la primera capa fibrosa tenga un módulo flexural que sea mayor que el módulo flexural de la segunda capa fibrosa. El módulo flexural que está siendo mencionado en este ejemplo es el módulo flexural de la capa fibrosa completa (incluyendo matriz de resina) . De esta manera, la capa junto a la capa de cerámica (la primera capa fibrosa) es más rígida que la capa que está separada de la capa de cerámica (la segunda capa fibrosa) .
Preferiblemente, el módulo flexural de la primera capa fibrosa es de por lo menos aproximadamente 5% más alto que el módulo flexural de la segunda capa fibrosa. Más preferiblemente, el módulo flexural de la primera capa fibrosa es de por lo menos aproximadamente 15% más alto que el módulo flexural de la segunda capa fibrosa. Más preferiblemente, el módulo flexural de la primera capa fibrosa es de por lo menos aproximadamente 25% más alto que el módulo flexural de la segunda capa fibrosa. Como se utiliza en la presente, el módulo flexural se determina de acuerdo con ASTM D790 a temperatura ambiente .
En una modalidad preferida, la primera capa fibrosa está formada de fibras de polietileno de pesos molecular alto en la forma de un género no tejido unidireccional o un género tejido, y la segunda capa fibrosa está formada de fibras de aramida que están en la forma de un género tejido o en la forma de un género no tejido unidireccional. En otra modalidad preferida la primera capa fibrosa está formada de 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 fibras de polietileno de pesos molecular alto 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 o fibras de aramida, 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 hojas preimpregnadas múltiples. Por ejemplo, si la hoja preimpregnada está formada de 4 estratos, entonces el número de estratos mencionados anteriormente se reduciría a un cuarto de las cantidades establecidas.
Los estratos individuales también pueden estar en la forma de submontajes de dos o cuatro unidades que incluyen estratos cruzados, preferiblemente a 0°/90° para una unidad de dos estrados y en 0°/90o/0°/90o 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 cruzamiento de estratos. 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 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.
El grado de flexibilidad de cada capa fibrosa depende de las fibras y resinas empleadas, así como las condiciones de procesamiento. Estas consideraciones son conocidas por las personas que cuentan con experiencia en la técnica.
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 preimpregnada consolidando 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 (UHMWPE) , 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 um) , y más preferiblemente desde aproximadamente 0.3 a aproximadamente 0.5 mils (7.5 a 12.5 um) . 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 la primera capa fibrosa y la capa de cerámica. Esos compuestos se pueden formar con una resina deseada, como puede ser una resina epóxica termofija. Si está presente, esa capa o capas adicionales es deseable que tengan un módulo flexural que sea mayor que el de la primera capa fibrosa. De otro modo, esos materiales compuestos pueden estar presentes en otros lugares en el articulo de esta invención .
En una modalidad particularmente preferida de esta invención, la capa de cerámica está formada de carburo de silicio, la primera capa fibrosa está formada de fibras de aramida, la segunda capa fibrosa está formada de fibras de polietileno de peso molecular alto, y la densidad superficial de la primera y segunda capas fibrosas es aproximadamente la misma.
Preferiblemente, la capa de cerámica y la primera y segunda capas fibrosas se adhieren juntas bajo condiciones adecuadas, como puede ser solamente unido a temperatura ambiente, o unido bajo calor y presión adecuados. 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. 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). Preferiblemente la primera y segunda capas fibrosas se ensamblan juntas primero (como puede ser por moldeo bajo presión y calor adecuados) , preferiblemente sin un adhesivo, antes de unirse a la capa de cerámica.
Los siguientes ejemplos no limitantes se presentan para proporcionar un más completo entendimiento de la invención. Las técnicas especificas, condiciones, materiales, proporciones y datos reportados 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 carburo de silicio (SiC-N, disponible de Cercom Ceramics, y el fabricante reportó que tenia una densidad voluminica de 3.20 g/cm3, un tamaño de grano promedio de 3-5 µ??, y una resistencia flexural (4-pt MOR a temperatura ambiente) de 85 ksi (586 MPa) . Se utilizaron cuatro mosaicos, cada uno con un espesor de 0.145 pulgadas (3.68 mm) , una densidad superficial de 2.50 psf (12.2 ksm) y en la forma de placa de 5.25 x 5.25 pulgadas (13.34 x 13.34 cm) .
Se formó una capa fibrosa de un compuesto de fibra de polietileno de pesos molecular alto de cuatro estratos (SPECTRA SHEILD® PCR de Honeywell Internacional Inc.). Este material era una estructura no tejida orientada unidireccionalmente, con una resina matriz (16% en peso de Kraton® D1107 copolimero en bloque isopreno-estireno-isopreno disponible de Kraton Polymer LLC) . La estructura de 4 estratos incluía estratos individuales que eran estratos cruzados a 0°/90o/0o/90° . Las fibras de polietileno SPECTRA® tienen una tenacidad de 30 g/d, un módulo de tracción de 830 g/d y una energía al rompimiento de 45 g/d.
Se cortó un total de 42 capas de hoja preimpregnada de 4 estratos a un tamaño de 12 x 12 pulgadas y se apiló, con cada hoja preimpregnada siendo orientada 90° con respecto a una capa de hoja preimpregnada adyacente. La pila de hoja preimpregnada se moldeó a 240°F (116°C) a una presión de 1500 psi (10.3 MPa) durante 10 minutos, seguido de enfriamiento. La capa de respaldo fibrosa tenía una densidad superficial de 2.05 psf (10.0 ksm) , un espesor de 0.422 pulgadas (10.72 mm) y un módulo flexural de 117.5 ksi (809.6 MPa) .
Cuatro placas de cerámica fueron montadas en la capa de género no tejido de polietileno de peso molecular alto, moldeado, utilizando una película adhesiva, y la estructura combinada se consolidó en una autoclave a 240°F (116°C) a una presión de 100 psi (0.69 MPa). La película adhesiva era un poliuretano alifático poliéter disponible de Stevens Urethane que tiene un intervalo de fusión de 1.07 g/cc. La densidad superficial total fue de 4.55 psf (22.2 ksf) . Después de separarlo de la autoclave, el panel completo se envolvió- con un género no tejido de SPECTRA SHIELD® PCR en ambas direcciones, para propósitos de prueba. La envoltura del panel permite al material de cerámica retener su integridad (no expulsar componentes destrozados) aún después de varios impactos balísticos .
El panel se probó para rendimiento balístico de acuerdo con MIL-STD-662E . El proyectil fue una bala Russian Dragnov (7.62 x 54 R LPS) , pesando 149 granos. Se utilizó un material de respaldo de arcilla para determinar la deformación de la cara posterior (Roma Plastilina #1, de 4 pulgadas (10 cm) de espesor) . Los resultados se muestran en la Tabla 1, abajo.
Ejemplo 2 (Comparativo) Se repitió el Ejemplo 1 utilizando un material de respaldo fibroso diferente. El material de respaldo se formó de GOLD SHIELD® (de Honeywell Internacional Inc.), que es una estructura orientada unidireccionalmente no tejida de aramida con una resina matriz (16% en peso de una resina de poliuretano termoplástico, descrita por su fabricante como una mezcla de copolimero de resinas de poliuretano en agua. La estructura de 4 estratos incluyó estratos individuales que eran estratos cruzados a 0°/90o/0°/90o . Las fibras de aramida tienen un denier de 100 y una tenacidad de 26 g/d.
Se cortó un total de 44 capas de hoja preimpregnada de 4 estratos al mismo tamaño del Ejemplo 1 y se apiló, con cada hoja preimpregnada siendo orientado 90° con respecto a una capa de hoja preimpregnada adyacente. La pila de hoja preimpregnada se moldeó a 240°F (116°C) a una presión de 1500 psi (10.3 MPa) durante 10 minutos, seguido de enfriamiento. La capa de respaldo fibrosa tenia una densidad superficial de 2.00 psf (9.76 ksm) , un espesor de 0.324 pulgadas (8.23 mm) y un módulo flexural de 159.0 ksi (1095 MPa) .
Cuatro placas de cerámica fueron montadas en la capa de género no tejido de aramida, moldeado, utilizando la película adhesiva del Ejemplo 1, y la estructura combinada se consolidó en una autoclave como en el Ejemplo 1. La densidad superficial total fue de 4.50 psf (21.96 ksf) . El panel completo se envolvió después con género no tejido de SPECTRA SHIELD® PCR en ambas direcciones.
El panel se probó para rendimiento balístico como en el Ejemplo 1. Los resultados se muestran en la Tabla 1, abajo .
Ejemplo 3 Se repitió el Ejemplo 1, excepto que se utilizó una primera capa fibrosa de polietileno de peso molecular alto y una segunda capa fibrosa de aramida como las capas de respaldo. La capa de polietileno de pesos molecular alto se formó a partir de un total de 20 capas de hoja preimpregnada de polietileno de peso molecular alto de cuatro estratos del Ejemplo 1, y se utilizó como la primera capa de respaldo fibrosa. La capa de aramida se formó a partir de un total de 22 capas de hoja preimpregnada de aramida de 4 estratos del Ejemplo 2, y se utilizó como la segunda capa de respalda fibrosa.
Las capas combinadas se cortaron al mismo tamaño y se apilaron como en el Ejemplo 1, junto con los estratos adyacentes de las fibras de polietileno de peso molecular alto y las fibras de aramida siendo giradas 909° entre sí. Las capas combinadas se moldearon bajo las condiciones del Ejemplo 1. Las capas de respaldo fibrosas combinadas tenían una densidad superficial de 2.02 psf (9.86 ksm) , un espesor de 0.374 pulgadas (9.50 mm) y un módulo flexural de 211.6 ksi (1457.9 MPa) .
Cuatro placas de cerámica fueron montadas en las capas de género no tejido de polietileno de peso molecular alto combinado, moldeado, y la capa de género no tejido de aramida utilizando la película adhesiva del Ejemplo 1, con las capas de polietileno de peso molecular alto junto a las placas de cerámica. La estructura combinada se consolidó en una autoclave como en el Ejemplo 1. La densidad superficial total fue de 4.52 psf (22.05 ksf) . El panel completo se envolvió después con género no tejido de SPECTRA SHIELD® PCR en ambas direcciones.
El panel se probó para propiedades balísticas, como en el Ejemplo 1. Los resultados se muestran en la Tabla 1, abajo.
Ejemplo 4 Se repitió el Ejemplo 3, excepto que el arreglo de la capa fibrosa de polietileno de peso molecular alto y la capa fibrosa de aramida se invirtió, con la · capa de aramida formando la primera capa fibrosa (junto a la capa de cerámica) y la capa de polietileno de peso molecular alto formando la segunda capa fibrosa.
Las capas combinadas se cortaron al mismo tamaño y se apilaron como en el Ejemplo 1, junto con los estratos adyacentes de las fibras de polietileno de peso molecular alto y las fibras de aramida siendo giradas 90° entre si. Las capas combinadas se moldearon bajo las condiciones del Ejemplo 1. Las capas de respaldo fibrosas combinadas tenían una densidad superficial de 2.02 psf (9.86 ksm) , un espesor de 0.371 pulgadas (9.42 mm) y un módulo flexural de 193.9 ksi (1336.0 MPa) .
Cuatro placas de cerámica fueron montadas en las capas de género no tejido de polietileno de peso molecular alto combinado, moldeado, y la capa de género no tejido de aramida utilizando la película adhesiva del Ejemplo 1, con las capas de aramida junto a las placas de cerámica. La estructura combinada se consolidó en una autoclave como en el Ejemplo 1. La densidad superficial total fue de 4.52 psf (22.05 ksf) . El panel completo se envolvió después con género no tejido de SPECTRA SHIELD® PCR en ambas direcciones.
El panel se probó para propiedades balísticas como en el Ejemplo 1. Los resultados se muestran en la Tabla 1, abajo .
Tabla 1 *comparativo Estos ejemplos demuestran que el producto de cerámica con respaldo fibroso de la invención tiene aproximadamente la misma o mejor resistencia balística que un material comparativo que se formó únicamente de un tipo de capa de respaldo fibroso. Comparando los Ejemplos 1 y 3, se puede ver que el uso de una capa fibrosa de aramida separada y una capa fibrosa de polietileno de peso molecular alto separa (en donde aproximadamente una mitad de los estrados de aramida son sustituidos por los estrados de polietileno de peso molecular alto) producen un panel con resistencia balística mejorada comparado con un panel de una capa única de fibras de aramida (con los paneles siendo de considerablemente la misma densidad superficial) . En adición, la deformación de la cara posterior se mejoró en el ejemplo de la invención. Comparando los Ejemplos 2 y 4, se puede ver que el uso de una capa fibrosa de polietileno de peso molecular alto, separada, y una capa fibrosa de aramida, separada (en donde aproximadamente una mitad de los estratos de polietileno de peso molecular alto son sustituidos por estratos de aramida) del mismo modo produce un panel balístico mejorado comparado con un panel formado únicamente con una capa única de fibras de polietileno de peso molecular alto (con el panel siendo de considerablemente la misma densidad superficial) . En este caso, la deformación de la cara posterior es prácticamente similar.
Por consiguiente, se puede ver que la presente invención proporciona un panel de cerámica que está formado de por lo menos dos capas fibrosas que tienen diferentes composiciones de fibra, aunque la resistencia balística no se compromete. De hecho, la resistencia balística aumenta cuando se mide mediante la propiedad V50. Esto significa que es posible sustituir un respaldo de cerámica de una capa única de fibras de tenacidad elevada con dos capas de diferentes fibras de alta tenacidad (de considerablemente la misma densidad superficial) y lograr el rendimiento balístico requerido. Por lo mismo, cuando un material fibroso escasea es posible sustituir una parte considerable de ese material con otro material fibroso de alta tenacidad y aún lograr las propiedades deseadas. Esto aumenta grandemente la flexibilidad para fabricar y suministrar paneles para muchas aplicaciones criticas .
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 en total detalle, se entenderá que no se necesita adherirse estrictamente a ese detalle sino que se pueden sugerir otros cambios y modificaciones por sí mismos a las personas que cuentan con experiencia en la técnica, cayendo todos dentro del alcance de la invención como lo definen las reivindicaciones anexas.

Claims (36)

REIVINDICACIONES
1. 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 superpuesta interna; una primera capa de respaldo 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, y una segunda capa de respaldo consiste en una red de un segundo tipo de fibras de alta tenacidad 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 es más rígida que la segunda capa fibrosa.
2. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 en donde el panel tiene una resistencia balística que es considerablemente igual a o mayor que la resistencia balística de una construcción de panel de cerámica comparable que tiene únicamente una capa fibrosa única que contiene el mismo tipo de fibras de alta tenacidad del primero o segundo tipo de fibras de alta tenacidad, la capa fibrosa única tiene una densidad superficial considerablemente igual a la densidad superficial combinada de la primera capa fibrosa y la segunda capa fibrosa .
3. El panel de acuerdo con la reivindicación 2 en donde la primera capa fibrosa tiene un módulo flexural que es de por lo menos aproximadamente 15% mayor que el módulo flexural de la segunda capa fibrosa.
4. El panel de acuerdo con la reivindicación 2 en donde la primera capa fibrosa tiene un módulo flexural que es de por lo menos aproximadamente 25% mayor que el módulo flexural de la segunda capa fibrosa.
5. El panel de acuerdo con la reivindicación 2 en donde el primer 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 el segundo tipo de fibras de alta tenacidad se seleccionan del grupo consisten en polietileno de peso molecular alto, polipropileno de peso molecular alto, aramida, alcohol polivinilico, poliacrilonitrilo, polibenzazol, poliéster y fibras de varilla rígida.
6. El panel de acuerdo con la reivindicación 5 en donde el primero y segundo tipos de fibras de alta tenacidad tienen tenacidades de por lo menos aproximadamente 22 g/d.
7. El panel de acuerdo con la reivindicación 5 en donde el primero y segundo tipos de fibras de alta tenacidad tienen tenacidades de por lo menos aproximadamente 28 g/d.
8. El panel de acuerdo con la reivindicación 5 en donde por lo menos una de la primera capa fibrosa y la segunda capa fibrosa está en la forma de una red orientada unidireccionalmente no tejida de fibras con una matriz de resina .
9. El panel de acuerdo con la reivindicación 8 en donde la resina contiene desde aproximadamente 5 a aproximadamente 40 por ciento en peso de la por lo menos una primera capa fibrosa y segunda capa fibrosa.
10. El panel de acuerdo con la reivindicación 8 en donde la por lo menos una de la primera y segunda capas fibrosas contiene una pluralidad de estratos individuales que están orientados entre si.
11. El panel de acuerdo con la reivindicación 10 en donde los estratos están orientados en un ángulo de 90° con respecto a los estratos adyacentes.
12. El panel de acuerdo con la reivindicación 10 en donde tanto la primera como la segunda capas fibrosas están en la forma de una red de fibras orientadas unidireccionalmente, no tejidas, con una matriz de resina .
13. El panel de acuerdo con la reivindicación 11 en donde tanto la primera como la segunda capas fibrosas contienen una pluralidad de estratos individuales que están orientados entre si.
14. El panel de acuerdo con la reivindicación 5 en donde por lo menos una de la primera capa fibrosa y la segunda capa fibrosa están en la forma de un género tejido con una matriz de resina .
15. El panel de acuerdo con la reivindicación 5 en donde cada una de la primera y segunda capas fibrosas contienen una pluralidad de estratos individuales que están orientados entre si, y el número de estratos varia desde aproximadamente 2 a aproximadamente 200.
16. El panel de acuerdo con la reivindicación 5 en donde la primera capa fibrosa contiene fibras seleccionadas del grupo que consiste en fibras de polietileno de peso molecular alto y fibras de aramida y la segunda primera capa fibrosa (sic) contiene fibras seleccionadas del grupo que consiste en fibras de polietileno de peso molecular alto y fibras de aramida .
17. El panel de acuerdo con la reivindicación 16 en donde la primera capa fibrosa contiene fibras de aramida y la segunda capa fibrosa contiene fibras de polietileno de peso molecular alto.
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 nitruros metálicos y no metálicos, boruros, carburos y óxidos, y la mezcla de éstos.
19. 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, diboruro de titanio, alúmina y óxido de magnesio, y las mezclas de éstos.
20. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 en donde la capa de cerámica contiene carburo de silicio.
21. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 además contiene una tercera capa fibrosa intercalada entre la primera capa fibrosa y la capa de cerámica.
22. El panel de acuerdo con la reivindicación 21 en donde las fibras de la tercera capa fibrosa son seleccionadas del grupo que consiste en fibra de vidrio y fibras de grafito.
23. El panel de acuerdo con la reivindicación 1 además contiene por lo menos una capa de una película plástica.
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 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 24 en donde el panel tiene una resistencia balística que es considerablemente igual a o mayor que la resistencia balística de una construcción de panel de cerámica comparable que tiene únicamente una capa fibrosa única conteniendo el mismo tipo de fibras de alta tenacidad como el primero o segundo tipo de fibras de alta tenacidad, la capa fibrosa única tiene una densidad superficial considerablemente igual a la densidad superficial combinada de la primera capa fibrosa y la segunda capa fibrosa.
26. El panel de acuerdo con la reivindicación 24 en donde la primera capa fibrosa tiene un módulo flexural que es por lo menos aproximadamente 25% más alto que el módulo flexural de la segunda capa fibrosa.
27. El panel de acuerdo con la reivindicación 24 en donde la placa de cerámica contiene carburo de silicio.
28. El panel de acuerdo con la reivindicación 24 en donde por lo menos una de la primera capa fibrosa y la segunda capa fibrosa están en la forma de red de fibras orientada unidireccionalmente, no tejida con una matriz de resina.
29. El panel de acuerdo con la reivindicación 28 en donde cada una de la primera y segunda capas fibrosas contiene una pluralidad de hojas preimpregnadas que contienen una pluralidad de estratos de fibra que están orientados entre si.
30. El panel de acuerdo con la reivindicación 29 en donde la primera capa fibrosa contiene fibras de aramida y la segunda capa fibrosa contiene fibras de polietileno de peso molecular alto.
31. El panel de acuerdo con la reivindicación 30 en donde la matriz de resina de la primera capa fibrosa contiene una resina de poliuretano termoplástico y la matriz de resina de la segunda capa fibrosa contiene un copolimero en bloque estireno-isopreno-estireno.
32. 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 superpuesta interna, la capa de cerámica contiene carburo de silicio; una primera capa fibrosa que consiste en una red de un primer tipo 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, y una segunda capa de respaldo 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 primera capa fibrosa está junto a la superficie 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 junto a la superficie superpuesta interna de la primera capa fibrosa. cada una de l-as capas fibrosas primera y segunda está en la forma de una red de fibras orientada unidireccionalmente, no tejida con una matriz de resina. el primer tipo de fibras de alta tenacidad tienen una composición diferente a la composición del segundo tipo de fibras de alta tenacidad; la primera capa fibrosa tiene un módulo flexural que es de por lo menos aproximadamente 15% más alto que el modulo flexural de la segunda capa fibrosa, por lo tanto el panel balístico tiene una resistencia que es considerable igual a o mayor que la resistencia balística de una construcción de panel de cerámica comparable que tiene solamente una capa fibrosa única que contiene el mismo tipo de fibras de alta tenacidad como el primero o segundo tipo de fibras de alta tenacidad, la capa fibrosa única tiene una densidad superficial considerablemente igual a la densidad superficial combinada de la primera capa fibrosa y la segunda capa fibrosa.
33. El panel de acuerdo con la reivindicación 32 en donde la matriz de resina es una resina de poliuretano termoplástico cuando las fibras son de aramida y la matriz de resina es un copolimero en bloque estireno-isopreno-estireno cuando las fibras con fibras de polietileno de peso molecular alto.
34. El panel de acuerdo con la reivindicación 33 en donde la proporción del espesor de la primera capa fibrosa con el espesor de la segunda capa fibrosa es de aproximadamente 1.5:1 a aproximadamente 1:1.5.
35. El panel de acuerdo con la reivindicación 34 en donde el denier del primer tipo de fibras de alta tenacidad y el denier del segundo tipo de fibras de alta tenacidad es de aproximadamente 50 a aproximadamente 3000.
36. El panel de acuerdo con la reivindicación 35 en donde la primera capa fibrosa está adherida a la capa de cerámica por medio de una pelicula adhesiva.
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