MX2011011084A - Materiales compuestos balisticos mejorados que tienen valor grande de denier por hilos de filamento de alto rendimiento. - Google Patents

Materiales compuestos balisticos mejorados que tienen valor grande de denier por hilos de filamento de alto rendimiento.

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Abstract

Se proporciona un material compuesto resistente balístico que incluye una pluralidad de valor alto de denier por hilos de filamento (dpf), los cuales están en contacto con una resina para formar un material compuesto. La resina puede ser una resina de termofijación o una resina termoplástica. Los hilos con dpf grande se les pueden asignar un "factor de dpf de Material Compuesto-Coraza calculado por factor CA-dpf = dpf hilo x (densidad hilo)3, en donde "dpf hilo es el denier de filamento del hilo y "densidad hilo es la densidad de los hilos.

Description

MATERIALES COMPUEST O S BALISTICOS M EJORADOS QUE TIENEN VALOR GRANDE DE DENIER POR HILOS DE FILAMENTO DE ALTO RENDIMIENTO SOLICITUDES DE RELACIONADAS Esta solicitud reclama el beneficio de la Solicitud de patente provisional de E.U.A. No. 61/170,820, presentada el 20 de Abril, 2009 y titulada "Materiales Compuestos Balísticos Mejorados que Tienen Valor Grande de Denier por Hilos de Filamento de Alto Rendimiento", el contenido completo de la cual se incorpora aquí para referencia para todos los propósitos.
CAMPO TECNICO Las modalidades aquí descritas se refieren a compuestos resistentes balísticos que utilizan fibras o filamentos con valor grande de denier por relaciones de filamento (dpf).
INTRODUCCION Actualmente existe una gran demanda de sistemas de coraza de material compuesto rígido o semi-rígido que son ligeros económicos y ofrecen mejoras en desempeño de balística. Para satisfacer esta demanda los sistemas de coraza de material compuesto que utilizan hilos de alto rendimiento, tal como aramidas (por ejemplo, Kevlar®, Rwaron®, Heracron®), HMWPE (por ejemplo, Spectra®, Dyneema™), HMPP (por ejemplo, Innegra™), polipropileno, poliéster, nylon, PBO, Vectran®, S-2 glass®, basalto, fibra 5, carbón, etc., se están utilizando crecientemente en combinación con sistemas de resina termoplástica y de termof ijación .
Tradicionalmente, se ha logrado un mejor rendimiento balístico, particularmente en chalecos tácticos exteriores de coraza suave, a través del uso de hilos dtex más finos o más suaves y denier más fino o más pequeño por hilos de filamento (dpf), se ha encontrado que es deficiente para disipar la energía de un proyectil balístico de alta velocidad. Además, se lograron mejoras de rendimiento balístico a través del uso de hilos de alto rendimiento que se han diseñado específicamente para tener resistencia a la tensión superior, módulo inicial superior, y/o por ciento de alargamiento aumentado a la ruptura. Sin embargo, estas soluciones típicamente resultan en un hilo de entrada más costoso y por lo tanto productos de coraza significativamente más costosos.
Se ha realizado relativamente poco trabajo en el campo de correlacionar dpf y rendimiento balístico en coraza rígida debido a un número de factores: a) típicamente es muy costos y complicado para producir hilos de denier idénticos en diferentes dpf para prueba experimental, b) el número de filamentos y dpf de muchos hitos balísticos también se mantienen frecuentemente confidenciales por las compañías que producen los siglos, y c) históricamente, los fabricantes de coraza han tenido conocimiento limitado de textiles y como se hacen los hilos de alto rendimiento.
Park y otros (US 2008/000645) describe un material compuesto de coraza dura que incluye una cara frontal rígida y un respaldo de tela balístico. Park describe el uso de fibras de dpf bajo incluyendo Twaron® de 1.5 dpf e inferior, Spectra Shield® PC menor que 5.4 dpf, fibra Dyneema® unidireccional (UD) menor que 2.0 dpf, PBO Zylon® de 1.5 dpf o inferior, y aramida Kevlar® de 1.5 dpf. Las modalidades preferidas enseñadas por Park utilizan fibras de alto rendimiento que tienen menos de 5.4 dpf, más preferiblemente, menos de 2.0 dpf, y muy preferiblemente, menos de 1.5 dpf.
BRVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Las modalidades aquí descritas se refieren generalmente al uso de fibras o filamentos con dpf grandes en materiales compuestos resistentes balísticos rígidos o semirrígidos. De acuerdo con un aspecto, se proporciona un material compuesto resistente o balístico que comprende fibras de alto rendimiento orgánicas y una resina o laminado, tal como una película balística alterno plástica.
En algunas modalidades, los materiales compuestos resistentes balísticos como se describe aquí también pueden ser útiles como materiales compuestos resistentes a explosión.
Generalmente, algunas modalidades incluyen un material compuesto resistente balístico que tiene una fibra de alto rendimiento orgánica o un filamento y exhiben mayor rendimiento balístico con dpf creciente de la fibra o filamento.
Los materiales compuestos resistentes balísticos aquí descritos se cree que tienen al menos algunas de las siguientes ventajas: · Proporcionan sistemas de coraza comparativamente con precio inferior a través del uso de hilo de entrada de costo inferior para producir la coraza de material compuesto.
• Proporcionan paneles, cascos, coraza, u otros miembros de material compuesto balísticos de peso equivalente, etc. con rendimiento balístico mejorado (es decir, coraza con un rendimiento V50 superior que una coraza de peso comparable hecha de hilo dpf menor) .
• Proporcionan paneles, cascos, coraza u otro miembro de paneles balísticos de peso ligero, etc. con el mismo rendimiento V5o balístico que sistemas de coraza más pesados.
• Proporcionan nuevos mercados y aplicaciones balísticas para hilos de alto rendimiento de dpf grande.
• Proporcionan sistemas de respaldo de coraza de cerámica de mejor rendimiento (por ejemplo, peso/costo/rendimiento) que sistemas actualmente disponibles.
• Hacen uso efectivo de hilos sintéticos de alto rendimiento orgánicos, de costo inferior (HMPP, Nylon, PET, PP, etc.) en sistemas de coraza rígidos o semi-rígidos de material compuesto producidos con hilo de dpf grande.
De acuerdo con un aspecto se proporciona un material compuesto resistente a balística que comprende una pluralidad de gran valor de denier por hilos de filamento (dpf). Los hilos de dpf grandes pueden tener un "factor de dpf de Material Compuesto-Coraza" (CA.dpf) seleccionado para proporcionar desempeño balístico mejorado, en donde CA.dpf se determina de acuerdo con la siguiente ecuación: CA · dpf faa r - / 1 dP^hÜ°— - = dpfkuo x {densidaÍio¡ [(densidad ) Los hilos con dpf grande pueden tener un CA.dpf mayor que o igual a 6.9.
Los hilos con dpf grande pueden incluir fibras de aramida que tienen un CA.dpf mayor que 6.72. Los hilos con dpf grande pueden incluir fibras de para-aramida modificadas que tienen un CA.dpf mayor que 3.49. Los hilos con dpf grande pueden incluir fibras de poliarilato de poliéster que tienen un CA.dpf mayor que 6.86. Los hilos con dpf grande pueden incluir fibras HMPP que tienen un CA.dpf mayor que 4.74 basándose en la densidad médica de los hilos. Los hilos con dpf grande pueden incluir fibras HMPP que tienen un CA.dpf mayor que 6.3. Los hilos con dpf grande pueden incluir fibras HMWPE que tienen un CA.dpf mayor que 4.93. Los hilos con dpf grande pueden incluir fibras PBO que tienen un CA.dpf mayor que 5.7. Los hilos con dpf grande pueden incluir fibras M5 que tienen un CA.dpf mayor que 4.91. Los hilos con dpf grande pueden incluir fibras de carbón que tienen un CA.dpf mayor que 3.27. Los hilos con dpf grande pueden incluir fibras de poliolefina que tienen un CA.dpf mayor que 4.95.
Los hilos con dpf grande pueden tener un CA.dpf entre 6.9 y 16. Los hilos con dpf grande pueden tener un CA.dpf entre 16 y 42. Los hilos con dpf grande pueden tener un CA.dpf menor que 85.
Los hilos con dpf grande pueden comprender fibras de aramida que tienen un dpf mayor que 2.25. Los hilos con dpf grande pueden comprender fibras de aramida que tienen un dpf entre 2.25 y 9.5.
Los hilos con dpf grande pueden comprender fibras de para-aramida modificadas con un dpf mayor que 1.1. Las cifras de para-aramida modificadas pueden tener un dpf de entre 1.1 y 8.8.
Los hilos con dpf grande pueden comprender fibras UHMWPE con un dpf mayor que 5.4. Las fibras UHMWPE pueden tener un dpf entre 5.4 y 30.6.
Los hilos con dpf grande pueden comprender fibras de poliarilato de poliéster con un dpf mayor que 2.5. Las cifras de poliarilato de poliéster pueden tener un dpf entre 2.5 y 35.
Los hilos con dpf grande pueden comprender fibras de alto rendimiento hechas de poliolefinas alifáticas (no aromáticas), y tienen un dpf mayor que 2.5. Las fibras de poliolefina alifática pueden incluir fibras de polipropileno de módulo alto que tienen un dpf mayor que 8. Las fibras de poliolefina de polipropileno de módulo alto alifáticas pueden tener un dpf entre 8 y 50.
El material compuesto resistente balístico además puede comprender una resina en contacto con la pluralidad de hilos con dpf grande. La resina puede ser una resina de termofijación. La resina puede ser una resina termoplástica. La resina puede seleccionarse del grupo que consiste de: poliésteres; polipropilenos, poliuretanos; poliésteres; polibutadieno; poliacrilato; copolímeros de etileno; policarbonatos; ¡onómeros; copolímeros de ácido etilen-acrílico (EAA); fenólicos; ésteres de vinilo; fenólicos se PVB; cauchos naturales; cauchos sintéticos; polietileno; y cauchos de estireno-butadieno.
La pluralidad de hilos con dpf grande puede incluir fibras de alto rendimiento orgánicas. La pluralidad de hilos con dpf grande puede incluir fibras industriales.
De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un miembro de coraza de material compuesto que comprende: al menos una capa de tela; una resina para asegurar al menos una capa de tela junta; en donde al menos una capa de tela comprende una pluralidad de hilos con dpf grande.
De acuerdo incluso con otro aspecto se proporciona un material protector que comprende un material compuesto resistente balístico que incluye una pluralidad de fibras con dpf grande. El material protector puede ser uno de: coraza de cuerpo; placas de coraza personales; escudos de coraza personales; coraza de vehículo comercial; coraza de vehículo militar; coraza de aeronave ligera; coraza de barco; cascos; y coraza estructural.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Los dibujos incluidos aquí son para ilustrar varios ejemplos de artículos, métodos, y aparatos de la presente especificación y no pretende limitar el alcance de lo que se enseña de ninguna forma. En los dibujos: La Figura 1 es una comparación de materiales compuestos resistentes balísticos hechos con Vectran® HT de 5.0 dpf contra 2.5 dpf; La Figura 2 es una comparación de coraza suave resistente balística hecha de Keviar® 1.5 dpf contra 2.25 dpf; La Figura 3 es una comparación de materiales compuestos resistentes balísticos hechos con Keviar® de 1.5 dpf contra 2.25 dpf; La Figura 4 es una comparación de materiales compuestos resistentes balísticos hechos con HMPP de 8.0 dpf contra 12.5 dpf (Innegra™); La Figura 4A es una comparación de materiales compuestos resistentes balísticos hechos con HMPP de 8.0 dpf, 12.5 dpf y 19.0 dpf (Innegra™); La Figura 5 es una comparación de materiales compuestos resistentes balísticos hechos con Vectran® de 5.0 dpf contra 15.0 dpf; La Figura 6 es una curva de rendimiento teórico de materiales compuestos de Vectran® resistentes balísticos en diferente DPE utilizando un modelo polinomio; y La Figura 7 es una curva del rendimiento teórico de materiales compuestos de Vectran® resistentes balísticos en diferente dpf utilizando modelo logarítmico.
DESCRIPCION DETALLADA Las modalidades ilustrativas aquí descritas incluyen materiales compuestos rígidos o semi-rígidos resistentes balísticos hechos con fibras de alto rendimiento en donde aumentar el dpf de las fibras de alto rendimiento mejora el rendimiento balístico del material compuesto.
El inventor ha descubierto sorprendentemente que el rendimiento balístico de materiales compuestos rígidos o semi-rígidos tiende a mejorar con el uso de fibras o filamentos con dpf grande.
Los materiales compuestos resistentes balísticos aquí descritos tienden a ser particularmente efectivos en corazas de material compuesto en donde se desea rendimiento balístico mejorado en costos de entrada de materia prima equivalentes o inferiores. Algunas modalidades aquí descritas incluyen matrices de tela/fibra tejidas, unidireccionales, y/o no tejidas, y/o matrices de fibras tridimensionales, consolidadas en una coraza de material compuesto resistente balística (es decir, cascos, paneles de coraza de vehículo comercial, coraza de vehículo militar, tal como forros de astilla, equipos de fragmentación, protección IED, protección EFP, coraza de aeronave ligera, inserciones protectoras de brazos pequeñas, coraza protectora para estructuras (por ejemplo, edificios, tiendas militares, etc.), escudos de coraza, barreras resistentes de explosión, etc.).
Tipos de fibra o hilo Como se utiliza aquí, los términos "fibra" o "filamento" se refieren a un cuerpo alargado para el cual la dimensión de longitud es mayor que la dimensión transversal o de ancho. En algunas modalidades, una pluralidad de fibras que corren en la misma dirección generalmente longitudinal puede constituir un hilo.
Como se utiliza aquí, el término "denier por filamento (dpf)" se refiere a la densidad de masa lineal de un filamento expresada como la más en gramos por 9000 metros de filamento.
En un aspecto, los materiales compuestos resistentes balísticos aquí descritos se han hecho de fibras o filamentos orgánicos que se conocen en la técnica de materiales compuestos resistentes balísticos.
En algunas modalidades, las fibras son fibras de alto desempeño tal como fibras de aramida, fibras de polietileno de cadena extendida, y/o fibras de poli(p-fenilen-2,6-benzobisosazol) (PBO). Otros ejemplos pueden incluir fibras de aramida y de aramida de copolímero, por ejemplo producidas comercialmente por DuPont (Kevlar®), Tejin (Twaron®), Kolon, (Heracron®), y Hyosung Aramid, aramidas modificadas (por ejemplo, Rusar®, Autex®), polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) producido comercialmente por Honetwell, DSM, y Mitsui bajo los nombres comerciales Spectra®, Dyneema®, y Tekmilon®, respectivamente (así como hilo Pegasus®), poli(p-fenilen-2,6-benzosixosasol) (PBO) producido por Toyobo bajo el nombre comercial Zylon®), y/o hilos de poliéster-poliarilato (por ejemplo, polímeros de cristal líquido producidos por Kuraray bajo el nombre comercial Vectran®). En algunas modalidades, las fibras industriales tal como nylon, poliéster, hilos basados en poliolefina (que incluyen polietileno y polipropileno), también pueden utilizarse en telas balísticas.
En algunas modalidades, los materiales compuestos resistentes balísticos incluyen fibras de alto rendimiento orgánicas hechas de un poliéster aromático (por ejemplo, poliéster-poliarilato) con un dpf de entre 1.5 y 5. En otras modalidades, las fibras pueden ser un poliéster aromático con un dpf mayor que 2.5. En otra modalidad, las fibras de poliéster aromático pueden tener un dpf mayor que 5. En modalidades adicionales, las fibras de poliéster aromáticas pueden tener un dpf entre 5 y 8, entre 8 y 12, entre 12 y 20, o tener un dpf mayor que 20. En algunas modalidades, las fibras de poliéster aromático de alto rendimiento pueden incluir fibras de Vectran™.
En otras modalidades, el material compuesto resistente balístico incluye fibras de alto rendimiento hechas de una poliamida aromática (por ejemplo, aramidas) y tienen un dpf entre 1 y 2.25. En otras modalidades, las fibras de aramida pueden tener un dpf mayor que 2.25. En modalidades adicionales, las fibras de aramida pueden tener un dpf entre 2.25 y 5, entre 5 y 8, entre 8 y 12, entre 12 y 20, o tener un dpf mayor que 20. En algunas modalidades las fibras de poliamida aromática de alto rendimiento pueden incluir fibras de Kevlar™.
En algunas modalidades, el material compuesto resistente balístico incluye fibras de alto rendimiento hechas de poliolefinas de baja densidad alifáticas (no aromática), tal como polietileno de peso molecular alto (HMWPE), polipropileno, y fibras sintéticas tal como PET o nylon/amidas, y tienen un dpf entre 2.0 y 12.5. En algunas modalidades, las fibras de poliolefina de baja densidad alifáticas pueden tener un dpf mayor que 8. En otras modalidades, las fibras de poliolefina de baja densidad alifáticas pueden tener un dpf mayor que 11. En modalidades adicionales, las fibras de poliolefina de baja densidad alifáticas pueden tener un dpf mayor que 12.5. En modalidades adicionales, las fibras de poliolefinas de baja densidad alifáticas pueden tener un dpf entre 12.5 y 15, entre 15 y 20, tener un dpf mayor que 20, tener un dpf mayor que 60, o entre 60 y 100. En una modalidad las siglas de poliolefina de baja densidad alifáticas pueden estar hechas de HMPP Innegra™ S.
En algunas modalidades, las fibras pueden ser para-amida modificada (por ejemplo, AuTex HT) con un dpf mayor que 1.1. En otras modalidades, las fibras pueden ser para-aramida modificada con un dpf entre 1.1 y 2.2. Incluso en otras modalidades, las fibras pueden ser una para-aramida modificada que tiene un dpf mayor que 2.2.
En algunas modalidades, las fibras pueden ser UHMWPE (por ejemplo Spectra™ Dyneema™) con un dpf sobre 5.4 En otras modalidades, las fibras pueden ser UHMWPE con un dpf entre 5.4 y 7.6. Incluso en otras modalidades, las fibras pueden ser UHMWPE como un dpf mayor que 7.6.
Las modalidades aquí descritas generalmente no utilizan o substancialmente incluyen fibras o hilos hechos de hilos inorgánicos, tal como basalto o fibras de vidrio. Por ejemplo, los materiales compuestos balísticos hechos al utilizar fibras de vidrio con dpf pequeño S-2 generalmente muestran mejor rendimiento balístico comparado con materiales compuestos equivalentes hechos al utilizar fibras de vidrio con dpf más grande S-2, y de esa forma generalmente no son adecuadas para las modalidades como se describe aquí.
Telas Base De acuerdo con algunas modalidades, los materiales compuestos resistentes balísticos aquí descritos pueden incluir fibras o hilos que están dispuestos en una tela. Como se utiliza aquí, el término "tela" se refiere a una pluralidad de fibras que se han dispuesto para formar una lámina generalmente continua y pueden incluir matrices de tela/fibra tejidas, unidireccionales, y/o no tejidas hechas al utilizar fibras o filamentos orgánicos como se describe aquí.
Se entenderá que en algunas modalidades una tela particular puede estar hecha en un tipo individual de fibra, o de dos o más tipos de fibras variados. La tela también puede incluir varios tipos de fibras en cada hilo y/o en diferentes hilos que se combinan para hacer la tela.
En algunas modalidades, la tela puede tejerse en telares de tejido estándar, que incluyen estoque, lanzadera, chorro de aire, telares de proyectil y de chorro de agua, o en máquinas de tejido más complejas, tales como tridimensionales para crear capas múltiples o telas tridimensionales o máquinas de tejido que permiten la inserción axial cruzada.
En algunas modalidades la tela es tejida. Sin embargo, la tela también puede ser una estructura tejida o no tejida. Las telas tejidas pueden incluir cualquier tejido tales como un tejido plano, tejido de arañuela, tejido de canasta, tejido de satín, tejido de tela cruzada, tejidos de propiedad, o similares. La tela también puede estar apilada, es decir, que consiste de una o más capas unidas al utilizar un adhesivo, adhesivo térmico, puntadas, matriz, o cualquier otro método conocido para combinar capas de tela.
Las telas no tejidas pueden incluir telas unidireccionales, incluyen telas unidireccionales apiladas en donde las fibras de capas de tela unidireccionales adyacentes pueden orientarse para estar perpendiculares entre sí.
Materiales y resinas de material compuesto De acuerdo con algunas modalidades, los materiales compuestos resistentes balísticos como se describe aquí pueden incluir una o más telas en contacto con (y que pueden asegurarse juntas al utilizar) uno o más materiales de resina, y que pueden ser resinas termoplásticas o de termofijación.
En algunas modalidades, el material compuesto balístico es un material compuesto resistente balístico rígido o semirrígido. Como se dice aquí, el término "rígido o semi-rígido" incluye materiales compuestos balísticos que comprenden una tela y una resina en donde la adición de una resina disminuye la capacidad de deformación por flexión axial de la tela en contacto con la resina.
Las telas en crudo o telas que no están tratadas con un sistema de resina generalmente son deformables y adecuadas para aplicaciones de "coraza suave". En contraste, materiales compuestos "rígidos o sem i-ríg idos" generalmente no son deformables de manera que la forma del compuesto pueda alterarse fácilmente por movimiento de flexión relativo de las fibras o filamentos a lo largo de su eje, ya que las fibras o filamentos se retienen en su lugar mediante la resina.
Generalmente, "rígido" puede utilizarse para hacer referencia a materiales compuestos hechos al utilizar resina de termofijación, mientras "semi-rígido" puede hacer referencia a compuestos hechos al utilizar resinas termoplásticas y/o un contenido de resina bajo de resina de termofijación.
En una modalidad, el contenido de resina seca del material compuesto balístico es menor que 50%. En una modalidad adicional, el contenido de resina seca del material compuesto balístico es menor que 30%. En algunas modalidades, el contenido de resina seca entre 5 y 20%. En algunas modalidades, el contenido de resina seca es 8% o mayor.
La resinas que se cree que son efectivas incluyen formulaciones apropiadas de materiales poliméricos, que incluyen resinas termoestables o de termofijacion y termoplásticas, tal como poliésteres, polipropilenos, poliuretanos, poliésteres, polibutadieno, poliacrilato, copolímeros de etileno, policarbonatos, y ¡onómeros, copolímeros de ácido etilen-acrílico (EAA), fenólicos, ésteres de vinilo, fenólicos PVB, cauchos naturales, cauchos sintéticos (por ejemplo, cauchos de cloropreno), cauchos de estireno-butadieno, etc.
En algunas modalidades, el material de resina puede incluir adicionalmente aditivos para controlar o alterar las propiedades físicas o químicas de la resina, tales como nanopartículas para aumentar la aspereza de los materiales compuestos y/o rellenos para reducir densidad y/o aumentar rigidez de los compuestos. En algunas modalidades, el material de resina también puede contener sustancias seleccionadas para alterar las propiedades de superficie del material compuesto, tal como, por ejemplo, tintes para dar color o similares.
En algunas modalidades, las fibras o telas como se describe aquí se procesan para formar un material o panel compuesto. Por ejemplo, la tela puede fabricarse en un pre-impregnado al utilizar una película o una resina húmeda. Dependiendo de la aplicación, la película o la resina pueden aplicarse a un lado de la tela, la tela puede impregnarse totalmente con una resina, y/o la película puede trabajarse en la tela. En algunos ejemplos, dos o más capas de la tela pueden laminarse juntas para crear una tela de capas múltiples.
Artículos hechos de materiales compuestos resistentes balísticos En algunas modalidades, los materiales compuestos resistentes balísticos aquí descritos pueden utilizarse en sistemas de coraza.
En algunas modalidades, los materiales compuestos resistentes balísticos se utilizan en la fabricación de artículos de hilos múltiples que incluyen un componente resistente puñalada o punción. En algunas modalidades, los materiales compuestos resistentes balísticos aquí descritos pueden utilizarse con cerámica u otros materiales adecuados para diseños de producto resistentes a puñalada para armas con púas y puntiagudas.
Los artículos terminados que pueden hacer uso de los materiales compuestos resistentes balísticos incluyen, pero no están limitados a, coraza de cuerpo, placas de coraza personales y escudos, corazas de vehículo comercial, coraza de vehículo militar, tal como forros de astillas, equipos de fragmentación, protección IED, protección EFP, coraza de barco, cascos, coraza estructural, o generalmente cualquier aplicación que utiliza materiales compuestos resistentes balísticos y/o a explosión rígidos o semi-rígidos.
La descripción anterior generalmente describe algunas modalidades de la presente solicitud. Detalles adicionales pueden obtenerse por referencia a los siguientes ejemplos específicos. Estos ejemplos se describen únicamente para el propósito de ilustración y no pretenden limitar el alcance. de la descripción. En particular, se contemplan cambios en forma y sustitución equivalentes ya que las circunstancias pueden sugerir o presentarse oportunas. Aunque se han empleado aquí términos específicos, tales términos se pretenden en un sentido descriptivo y no para propósitos de limitación.
EJEMPLOS Ejemplo 1: Efecto de DPF en rendimiento balístico de sistemas de coraza de Vectran™ Con el fin de hacer una comparación "cara a cara" del efecto de dpf en paneles de coraza rígida, se tejen dos telas de Vectran® substancialmente idénticas, una al utilizar hilo de denier Vectran HT 1500 (600 filamentos) de 2.5 dpf y una al utilizar hilo de Vectran de 1500 denier (300 filamentos) de 5.0 dpf producido comercialmente únicamente para aplicaciones no balísticas. Ambos hilos de Vectran® tuvieron resistencias a la tensión similares (de aproximadamente 25 g/denier), módulos y porcentajes de alargamiento a ruptura. Ambos se tejieron en la misma construcción de tejido plano de 22 ? 22 al utilizar un telar de estoque de Dornier y ambas telas en crudo tuvieron un peso en seco de 284 gsm.
Cada tela entonces se lamino con la misma película balística de polietileno termoplástico modificada, que tiene una densidad superficial de 59 gsm y se presionó en paneles de prueba balísticos en varias densidades superficiales para evaluación. Basándose en el peso de la película aplicada, los paneles de prueba balísticos todos tuvieron un DRC (contenido de resina en seco) de 17.2%.
La prueba de límite balístico (es decir, V50) se realizó al utilizar proyectiles de simulación de fragmento (FSP) calibre 0.30 en cada uno de los paneles de prueba presionados como por MIL-STD-662F. A partir de los datos V50 balísticos se generó una curva de rendimiento balístico para ambos paneles de coraza basados en Vectran HT de 5.0 dpf (FR-VEB-1055-122.0-0000 p/59 gsm de ARG) y los paneles de coraza basados en Vectran HT de 2.5 dpf (FR-VED-1055-127.0-0000 p/59 gsm de ARG). Esto se permitió para la comparación de dos sistemas de coraza a través de una variedad de pesos de coraza. Como se muestra en la Figura 1, el hilo de Vectran de 1500 denier, de 5.0 dpf grande tiende a mostrar mejor rendimiento balístico que el hilo de Vectran de 1500 denier de 2.5 dpf inferior (más costoso).
Por ejemplo, 56 capas de tela de Vectran de 2.5 dpf presionadas en una placa balística (en una densidad superficial de 3.6 psf) tuvieron un rendimiento V50 promedio de 2408 fps, mientras 50 capas de tela de Vectran de 5.0 dpf presionadas en una placa balística (en una densidad superficial de 3.6 psf) tuvieron un rendimiento V50 promedio de 2586 fps; una diferencia de 178 fps ó 54 m/s.
Ejemplo 2: Efecto de DPF en rendimiento balístico de sistemas de coraza de aramida El hilo de aramida de 3000 denieres de Keviar® 29 estándar (un ensamble de 1333 filamentos de hilo de 2.25 dpf individuales), se comparó contra un hilo de 3000 denieres Keviar de denier inferior por filamento (1.5 dpf, filamento 2000) que se introdujo por DuPont como un remplazo directo potencial para el hilo Keviar® 29 en aplicaciones balísticas. El Keviar de 1.5 dpf tuvo la misma tenacidad nominal (26 g/denier), módulo y alargamiento a la ruptura que el hilo Keviar® 29 de 2.25 dpf.
El hilo Keviar® 29 de 3000 denier se utiliza actualmente de forma extensiva en numerosas aplicaciones de coraza dura y suave que incluyen cascos militares, sistemas de coraza de vehículos rígidos, forros de astilla y cobijas de fragmentación de explosión. Es el hilo de elección para estas aplicaciones debido a su rendimiento y a su punto de precio contra hilos Keviar de denier inferior y más costosos (por ejemplo, hilos de aramida de 200, 500, 850 y 1500 denieres). Estos hilos de denier inferior típicamente están hechos de filamentos de hilo con dpf más fino.
Como se describirá con mayor detalle a continuación, el inventor ha descubierto que 3000 denieres de DuPont tiene un CA.dpf calculado de 6.76 (como se explicará a continuación), que se cree que es el CA.dpf actual más alto actualmente disponible para todas las aramidas en el mercado.
Para comparar el desempeño del hilo Keviar® de 1.5 dpf contra el hilo Keviar® 29 de 2.25 dpf, el Keviar de 1.5 dpf se tejió en una construcción de tela de 450 gsm de tejido plano, de 17 * 17 'estándar de industria' en un telar de estoque de Dornier. Para comparación de coraza suave, se dispararon nueve capas de esta tela con un FSP de tipo 1 grano 17 por M I L-STD-662 F y se comparó con la tela idéntica construida al utilizar hilo Keviar 29 de 2.25 dpf, como se muestra en la Figura 2. Nueve capas de tela de 1.5 dpf tuvieron una densidad superficial de 0.9 psf y tuvieron V50 promedio de 1481 fps. Nueve capas de la tela de 2.25 dpf estándar tuvieron una densidad superficial de 0.9 psf y proporcionaron un V50 promedio de 1477 fps cuando se dispararon con esta amenaza, indicando que tal configuración de coraza suave con el Keviar dpf más pequeño fue equivalente o potencialmente incluso ligeramente menor que el hilo Keviar 29 de 2.25 dpf estándar.
Para una comparación de coraza dura, tanto la tela de 3000 denieres de 17 * 17 de 1.5 dpf como la tela de 3000 denieres 17 ? 17 de 2.25 dpf se laminaron con una película balística termoplástica de 700 gsm de película de polietileno termoplástica modificada. Ambas telas entonces se cortaron y presionaron en paneles balísticos rígidos en densidades superficiales nominales de 2.0, 3.0 y 4.0 psf. Todos los paneles tuvieron un DRC de 13.5% en peso.
La prueba de V50 balística entonces se realizó en estos paneles de prueba rígidos al utilizar FSP calibre 0.30 como por MIL-STD-662F. Se generaron curvas de desempeño balístico a partir de datos V50 balístico para la tela de 3000 denieres de 17 ? 17 de 1.5 dpf y la tela de 3000 denieres 17 ? 17 de 2.25 dpf. Como se muestra en la Figura 3, se permitió una comparación directa del desempeño balístico para los dos dpf de hilo a través de una variedad de pesos de coraza.
Como se puede observar a partir de la Figura 3, en prueba de coraza rígida el hilo Keviar® 29 3000 denieres de 2.25 dpf más grande tendió a tener mejor balística por peso de unidad que el hilo Keviar de 3000 denieres de 1.5 dpf. Por ejemplo, 19 capas de tela de Keviar® 29 de 2.25 dpf presionadas en un panel balístico de 2.10 psf tuvieron un rendimiento V50 promedio de 2008 fps, mientras 19 capas de tela Keviar® 29 de 1.5 dpf presionadas en un panel balístico de 2.10 psf idénticos tuvieron un rendimiento V50 promedio únicamente de 1888 fps; una diferencia de 120 fps a 37 m/s.
Ejemplo 3: Efecto de DPF en rendimiento balístico de sistemas de coraza de poliolefina de baja densidad (Innegra®) Este ejemplo investigó sobre si los materiales compuestos utilizan hilos con dpf relativamente grande de poliolefina relativamente de baja densidad, hilos orgánicos álifáticos (no aromáticos) (por ejemplo, HMWPE, PP, PET, nylon/amida) también podrían exhibir rendimiento balístico mejorado comparado con materiales compuestos con dpf bajo similares.
Para este estudio se seleccionó hilo de polipropileno de módulo alto (es decir, Innegra®) debido a la disponibilidad de hilos de Innegra comparables de diferente denier por filamento para probar.
El inventor cree que es razonable asumir que todos los hilos orgánicos alifáticos probablemente mostrarán una tendencia de rendimiento balístico relacionada con dpf similar dentro de un cierto rango de diámetros de filamento de hilo y densidad de hilo. El rango de diámetros de filamento de hilo balístico viable dependerá de la densidad y propiedades físicas del hilo orgánico seleccionado (por ejemplo, resistencia a la tensión, módulo, y porcentaje de alargamiento a la ruptura).
Para este estudio, se comparó hilo S HMPP Innegra® de 8 dpf de 3000 denieres contra un hilo S HMPP Innegra® de 12.5 dpf de 8000 denieres en desarrollo. Idealmente será preferible comparar denieres de hilo idénticos (como se hace con Vectran® y Kevlar® anteriormente en los Ejemplos 1 y 2), pero basándose en la literatura disponible y la prueba experimental el inventor cree que es razonable asumir la ligera diferencia de denier entre los dos hilos de Innegra que tiene un impacto en el límite balístico de los paneles balísticos presionados finales.
Con el fin hacer una comparación "cara a cara" el hilo Innegra® de 8 dpf de 3000 denieres (375 filamentos) se tejió en una construcción de tejido plano de 11 x 11 al utilizar un telar de estoque de Dornier para dar una tela con un peso en seco nominal de 302 gsm, mientras el hilo Innegra® de 12.5 dpf de 2800 denier (224 filamentos) se tejió en una construcción de tejido plano de 11.5 * 11.5 al utilizar un telar de estoque de Dornier para dar una tela con un peso en seco nominal de 298 gsm. Estas construcciones de tela específica se eligieron para producir telas tan similares como sea posible con respecto a: peso, nivel de doblez, grosor y factor de cubierta. Ambos hilos tuvieron la misma tenacidad nominal de 7.8 g/den, un porcentaje nominal de alargamiento a la ruptura de 7.75% y módulo inicial nominal de 212 gramos-Fue rz a/den i er.
Cada una de estas telas entonces se terminó y laminó con la misma película balística de polietileno termoplástico modificada, que tiene una densidad superficial de 38 gsm, y se presionó en paneles de prueba balísticos a varios pesos para evaluación. Basándose en el peso de la película aplicada, los paneles de prueba balísticos todos tuvieron un DRC de aproximadamente 11%.
La prueba V50 balística de nuevo se realizó al utilizar proyectiles de simulación de fragmento calibre 0.30 (FSP) en cada uno de los paneles de prueba presionados como por IL-STD-662F. A partir de los datos V50 balístico resultantes, se generó una curva de rendimiento balístico (dentro de un rango de velocidad limitado) para los paneles de hilo Innegra® de 8 dpf y los paneles de hilo Innegra de 12.5 dpf para permitir la comparación directa. Como se muestra en la Figura 4, el hilo HMPP de 12.5 dpf relativamente grande tendió a realizar el hilo HMPP de 8.0 dpf más pequeño, considerablemente más costoso, para cada peso de panel probado.
Por ejemplo, con base en la ecuación de las líneas calculadas para cada sistema de coraza en el cuadro anterior, los paneles de Innegra rígidos de 12.5 dpf tendrán un límite de desempeño balístico (es decir, V50) de 2248 fps (685 m/s) en una densidad superficial de 4.0 psf, mientras los paneles de Innegra® rígidos de 8.0 dpf tendrán un límite de rendimiento balístico de 2106 fps (642 m/s) en la misma densidad superficial.
Se asumió que las curvas de rendimiento mostradas en la Figura 4 son lineales sobre el rango de pesos y velocidades probadas. Esta suposición coincide bien dentro de los datos experimentales pero no se cree que se mantenga verdadera a velocidades significativamente inferiores o significativamente superiores en donde otros factores pueden jugar un papel más significativo en el límite balístico de los paneles de prueba. Se cree que esta diferencia de límite balístico de 142 fps entre los dos sistemas es debido principalmente a diferencias en dpf de hilo, con el hilo de dpf más grande que es más eficiente al disipar la energía cinética del proyectil balístico en la coraza de material compuesto rígido.
Después que se completó este trabajo se tejió otra tela de Innegra pero esta vez utilizando un hilo HMPP Innegra S de 19.0 dpf (150) incluso especialmente más grande. Esto después se tejió en una construcción de tejido plano de 12.5 * 12.5 al utilizar un telar de estoque de Dornier para dar una tela con un peso en seco nominal de 320 gsm. Aunque esta tela fue ligeramente más pesada que las telas previamente tejidas aún es muy similar a las construcciones anteriores con respecto al nivel de doblez, grosor y factor de cubierta. El hilo HMPP de Innegra® de 19.0 dpf grande (150 filamentos) tuvo la misma tenacidad nominal de 7.8 g/den, porcentaje nominal de alargamiento a ruptura de 7.75% y módulo inicial nominal de 212 gramos-f uerza/denier como los hilos utilizados para tejer las otras dos telas HMPP de Innegra®.
Esta tela de 19.0 dpf después se terminó y laminó con la misma película balística termoplástica que tiene una densidad superficial de 38 gsm, y se presionó en paneles de prueba balísticos en varios pesos para evaluación. Basándose en la prueba QC realizada en esta tela, y el peso de la película aplicado, los paneles de prueba balísticos todos tuvieron u DRC de aproximadamente 10.4%.
La prueba V50 balística de nuevo se realizó al utilizar proyectiles de simulación de fragmento (FSP) calibre 0.30 en cada uno de los paneles de prueba como por MI L-STD-662F. A partir de los datos V50 balísticos se generó una curva de rendimiento balístico (dentro de un rango de velocidad limitado) como se muestra en la Figura 4A.
Como es evidente por inspección, balísticamente el hilo HMPP de Innegra® de 19.0 dpf más grande realizó tanto el hilo HMPP de 12.5 dpf de rango medio y el hilo HMPP de 8.0 dpf más costoso, más pequeño, a cada peso de panel probado.
Por ejemplo, basándose en la ecuación de las líneas calculadas para cada sistema de coraza en el cuadro anterior, un panel de Innegra 19 dpf de 4.0 psf tendrá un límite de rendimiento balístico (es decir, V50) de 2342 fps (714 m/s) comparado con 2248 fps (685 m/s) para los paneles Innegra rígidos de 12.5 dpf comparado con 2106 dpf (642 m/s) para el panel Innegra® rígido de 8.0 dpf. Aunque se desconoce qué impacto menor puede tener la construcción de tela ligeramente más densa sobre el rendimiento balístico de la tela Innegra 19 dpf, la prueba anterior además tiene evidencia fuerte que el hilo con dpf más grande y más eficiente al disipar la energía cinética de proyectiles balísticos en coraza de material compuesto rígido.
Se observa que las curvas de desempeño mostradas en las Figuras 4 y 4A se asumen que son lineales sobre el rango de peso y velocidades probadas. Esta suposición coincide bien con datos experimentales pero no se mantiene verdadero a velocidades significativamente inferiores o híper en donde otros factores pueden tener una influencia más significativa sobre los límites balísticos de los paneles de prueba.
Discusión de modelos matemáticos del rendimiento balístico de hilos con dpf grande con materiales compuestos rígidos o semi-rígidos.
Las modalidades aquí descritas generalmente proporcionan sistemas de coraza de material compuesto rígidos o semi-rígidos (por ejemplo, más ligeros, de mejor alimento balístico, menos costoso) a través del uso de hilos de alto rendimiento con dpf más grande.
El uso de fibras o filamentos con dpf más grande para mejorar rendimiento balístico parece contra-intuitivo a lo que se ha observado previamente de forma experimental en sistemas de coraza suave. Sin embargo, como se muestra en los Ejemplos 1, 2 y 3, anteriores, la prueba balística realizada con tres tipos diferentes de hilos de alto rendimiento sintético (orgánico) (Kevlar, Vectran y HMPP) sugiere que paneles de coraza de material compuesto rígidos y semi-rígidos construidos de hilos con dpf más grande realizan paneles balísticos de material compuesto comparables construidos de hilos de alto rendimiento con dpf más pequeño idénticos o substancialmente idénticos.
El hilo con dpf grande es típicamente más simple y menos costoso de producir en una base por peso. Por lo tanto, al utilizar hilos con dpf 'grande' menos costosos en sistemas de coraza rígidos o semi-rígidos puede ser posible producir una coraza balística más ligera y de mejor rendimiento que es menos costosa que sistemas de coraza actualmente disponibles en el mercado.
Sin limitar el alcance de las modalidades aquí descritas, se cree que el rendimiento balístico mejorado es una función del área de superficie expuesta total del hilo y como se limitan los filamentos de hilo individuales por el sistema de resina utilizado (por ejemplo, resina termoplástica o de termofijación). Debido a que el hilo con dpf bajo tiene significativamente más filamentos de hilo individuales y por lo tanto más área de superficie que un hilo con dpf grande comparable, un mismo hilo con dpf bajo, en una base por peso, tiende a estar en 'contacto más íntimo' con el sistema de resina de coraza rígido y por lo tanto más 'limitado' por éste.
En otras palabras, debido al alto grado de interacción entre la resina y los filamentos de hilo individuales del hilo más pequeño, las fibras o filamentos se cree que son menos eficientes al transferir las ondas de tensión longitudinal de un evento balístico a lo largo de su longitud (para hilos con dpf más pequeños). Esta transferencia ineficiente de las ondas de tensión longitudinal, en conjunto con la reflexión potencial de estas ondas de tensión dentro del hilo, aumenta la carga de tensión total que actúa sobre el hilo con dpf más pequeño en un punto específico con lo cual rompe prematuramente el hilo antes de la cantidad máxima teórica de energía que puede absorberse a lo largo de su longitud.
Por otro lado, los hilos con dpf más grandes, con menos filamentos y menos área de superficie, teóricamente están menos limitados por el sistema de resina de coraza de material compuesto y por lo tanto son más capaces de disipar la energía de un evento balístico. Por ejemplo, un hilo de 3000 denieres de 2.5 dpf (con una gravedad específica de 1.4 g/cm3) tiene 1200 filamentos de hilo individuales y por lo tanto, un metro lineal de este hilo tendrá un área de superficie total teórica de 599.2 cmJ. En comparación, un metro lineal de un hilo de 3000 denieres idéntico, a 5.0 dpf tendrá 600 filamentos de hilo y consecuentemente tendrá únicamente un área de superficie teórica de 423.7 cm2. Esto corresponde a una reducción de 30% en el área de superficie de hilo total comparado con el hilo con dpf más pequeño.
En algunos casos, una fibra balística buena debe tener las siguientes propiedades clave: resistencia alta, tensión alta a falla, módulo elástico alto y baja densidad. Matemáticamente, puede modelarse un rendimiento balístico teórico de hilo al utilizar la Ecuación 1 como a continuación: íE; í/ \- '2? V/P (1) en donde: Uy = el rendimiento balístico teórico de un hilo 'no limitado' Y = la resistencia de generación del hilo f - el porcentaje de resistencia a falla del hilo E = el módulo elástico del hilo p = la densidad del hilo c = la velocidad del sonido del hilo (Ver Phillip M. Cunniff, Margaret A. Aurebach, fibra "M5" de alto rendimiento para balística) La ecuación 1 tiene buena correlación con la prueba balística experimental real.
El inventor cree que la Ecuación 1 generalmente también se mantiene verdadera en sistemas de coraza de material compuesto rígidos y semi-rígidos. Sin embargo, el inventor ha descubierto que el espectro de la matriz de resina también debe tomarse en consideración .
Asumiendo que el hilo balístico orgánico hace la gran mayoría del trabajo al detener un proyectil balístico dentro de una coraza de material compuesto, e ignorando efectos de onda transversales (que de hecho pueden ser significativos) el inventor ha desarrollado la Ecuación 2 que se cree que resume el desempeño balístico teórico de un hilo dentro de una matriz de resina: (2) en donde: U y R M = rendimiento balístico teórico de un 'hilo limitado' dentro de una matriz de resina. a = el porcentaje de interacción entre la matriz de resina y el hilo balístico en la coraza de material compuesto rígido.
Como se puede observar a partir de la Ecuación 2, el desempeño balístico de hilo es una función de su propio módulo elástico y densidad y el módulo elástico y densidad de la misma matriz de resina. Esto refleja que la velocidad de sonido a través de un material compuesto anisotrópico será algún promedio de la velocidad de sonido de hilo y la velocidad de sonido de resina.
Además, dados los módulos elásticos extremadamente altos de hilos balísticos (por ejemplo, ~75 GPa para Kevlar 29) con relación a las matrices de resina de material compuesto más estándares (0.2 GPa para LDPE) el inventor interpreta la Ecuación 2 para indicar que: • La matriz de resina típicamente tiene un impacto negativo sobre el rendimiento balístico teórico del hilo 'limitado'; y • El 'impacto negativo' de la matriz de resina puede minimizarse al reducir el porcentaje de interacción entre la matriz de resina y el hilo balístico en la coraza de material compuesto.
El "% de interacción" entre la matriz de resina y el hilo generalmente depende del nivel de encapsulacion de resina y de la interacción mecánica/química microscópica entre la superficie del hilo y la misma resina. Por ejemplo, si un sistema de resina de material compuesto 'une' el haz de hilo pero falla al encapsular individualmente cada uno de los cientos de filamentos de hilo individuales del hilo, entonces el hilo puede considerarse que no está substancialmente encapsulado, y el grado de interacción relativamente bajo. De forma inversa, si existe un enlace químico fuerte entre la superficie del hilo y la resina, como opuesto simplemente a un enlace mecánico, entonces el "% de interacción" relativo tenderá a ser mayor.
El % de interacción de esa forma mide qué también una onda de sonido acústico que se mueve a través de dos materiales distintos en contacto cercano entre sí podría ecualizar uno entre otro (por ejemplo, entre el hilo y la resina).
La ecuación 2 por lo tanto proporciona una validación conceptual de que el rendimiento balístico del hilo dentro de la coraza de material compuesto puede mejorarse al aumentar el dpf de los filamentos del hilo balístico, disminuyendo consecuentemente el área de superficie del hilo y reduciendo el grado relativo de interacción entre la matriz de resina y el hilo.
Este modelo también concuerda con resultados experimentales en corazas de material compuesto de aramida con respecto al contenido de resina seca (DRC). Para corazas de material compuesto de aramida, típicamente el de rendimiento balístico del panel (es decir, su límite balístico V50) es inversamente proporcional al DRC del sistema de resina de coraza, es decir entre menor sea el DRC del panel, mayor será el límite balístico V50 de los paneles hasta que se alcanza un 'punto crítico' en donde los paneles balísticos simplemente se dividen o se dividen en capas excesivamente cuando se impactan por un proyectil debido a resina suficiente.
También se debe observar la fibra de vidrio balística (también utilizadas ampliamente en sistemas de coraza de material compuesto) no muestra este efecto con dpf grande en coraza de material compuesto. De hecho, la inversa se ha probado experimentalmente en donde el denier más pequeño para hilos de vidrio de filamento realiza hilos con dpf más grande en paneles balísticos presionados rígidos cuando se impactan por proyectiles balísticos deformables o no deformables.
Una posible razón para esta diferencia es que los hilos de vidrio inorgánicos fallan y disipan la energía de un evento balístico en una forma significativamente diferente en la que lo hacen los hilos de alto rendimiento orgánicos como se describe aquí. Por consiguiente, las corazas basadas en vidrio balístico típicamente se llevan a cabo mejor entre mayor sea el DRC de la coraza de material compuesto hasta que el peso parasitario de la resina 'no balística" impacta adversamente el desempeño V5o del panel balístico. Esto sugiere que la encapsulación y el enlace substancial del sistema de resina con hilos de vidrio balístico son benéficos para el desempeño, no perjudicial.
El hecho que los hilos balísticos en un panel balístico o de material compuesto se mantienen 'rígidamente' en su lugar es otra razón potencial por la cual los hilos orgánicos con dpf grande se cree que se llevan a cabo mejor en sistemas de coraza duros que en sistemas de coraza suaves. Ya que los hilos en la coraza dura (por ejemplo, coraza rígida y/o semi-rígidas) están fijados en su lugar, no se empujan fácilmente a un lado por un proyectil balístico que impacta la coraza de material compuesto. Esto significa que el proyectil se 'fuerza' para ¡mpactar y romper hilos (por ejemplo, a través de falla de hilo de tensión), que disipa significativamente más energía que si el proyectil fuera a "empujar hacia un lado" ampliamente los hilos dentro de las varias capas de la coraza de material compuesto impactando y rompiendo de esa forma únicamente un número mínimo de hilos.
Sin embargo, en coraza suave, en donde el hilo y los filamentos relativamente no están limitados y son libres de moverse, los filamentos de hilo con dpf grande teóricamente serán más propensos a 'empujarse a un lado' por un proyectil que los filamentos de hilo con dpf más pequeño comparable.
Ejemplo 4: Prueba de dpf de Vectran adicional: Para intentar entender mejor el impacto de dpf en paneles de coraza rígida, determinar el dpf de hilo óptimo y comercialmente deseable para paneles de coraza rígida, y determinar un rango de dpf práctico para hilos de alto rendimiento en paneles de coraza rígida, se realizó una prueba adicional.
De nuevo se tejieron dos telas de Vectran® idénticas, sin embargo esta vez al utilizar hilo de 3000 den de Vectran HT de 5 dpf y un hilo Vectran HT de 3000 denieres de 15 dpf muy grande en desarrollo específicamente solicitado por Barrday Inc., para esta investigación.
El hilo Vectran HT de 3000 denieres de 5 dpf consistió de 600 filamentos de hilo individuales agrupados y el hilo Vectran HT de 3000 denieres de 15 dpf consistió de 200 filamentos de hilo individuales agrupados. Ambos hilos de Vectran® tuvieron la misma tenacidad nominal (23.5 cN/dtex), módulos y % de alargamiento a la ruptura a 3.7%. Ambos se tejieron en la misma construcción de tejido plano de 17 ? 17 utilizando un telar de estoque de Dornier y ambas telas en crudo tuvieron un peso en seco de 465 gsm.
Cada una de las telas después se laminó con la misma película balística termoplástica de polieti leño modificada, que tiene un área superficial de 70 gsm, y se presionó en paneles de prueba balísticos en varias densidades superficiales para evaluación. Basándose en el peso de la película aplicada, los paneles de prueba balísticos todos tuvieron un DRC de 13.1%.
La prueba de límite balístico (es decir V5o) de nuevo se realizó al utilizar proyectiles de simulación de fragmento (FSP) calibre 0.30 en cada uno de los paneles de prueba hechos como por MIL-STD-662F. A partir de los datos V50 balísticos generados se generó una curva de desempeño balístico para ambos paneles de coraza basados en el Vectran HT de 5.0 dpf (FR-VEB-1013-127.0-1139) y los paneles de coraza basados en Vectran HT de 15 dpf (FR-VEB-1013-127.0-1139). Esto permitió la comparación de los dos sistemas de coraza a través de una variedad de pesos de coraza.
Como se puede observar a partir de la Figura 5, el hilo de Vectran de 3000 denieres de 15.0 dpf excepcionalmente grande (con un factor CA.dpf 41.16, como se describirá a continuación) proporcionó rendimiento balístico equivalente o incluso mejorado que el hilo de Vectran de 3000 denieres de 5.0 dpf más costoso.
Por ejemplo, 28 capas de tela de Vectran de 5.0 dpf presionadas en una placa balística a una densidad superficial de 15.1 kg/m2, tuvieron un rendimiento V5o promedio de 664 m/s, mientras que 28 capas de la tela de Vectran de 15.0 dpf presionadas en una placa balística en la misma densidad superficial tuvieron un desempeño V50 promedio de 673 m/s, una diferencia de 8.5 m/s ó 28 fps.
Estos datos después se utilizaron para generar la Figura 6, que modela una curva de rendimiento de límite balístico teórico de paneles de coraza de material compuesto de Vectran HT de 3.0 psf, construidos de diferentes hilos de Vectran de dpf al utilizar una curva de polinomio de segundo orden.
Como se puede observar a partir de esta curva de polinomio de segundo orden teórica, parece que el rendimiento balístico de un panel de coraza de material compuesto tenderá a aumentar a medida que aumenta el dpf hasta que se alcanza un dpf óptimo para el hilo, después de lo cual el rendimiento tenderá a disminuir a medida que aumenta el dpf. El dpf será específico de hilo y se cree que es una función de la densidad del hilo, junto con otros factores tal como tenacidad, módulo y porcentaje de alargamiento a la ruptura.
En un intento para modelar el impacto de dpf a través de una gran variedad de hilos balísticos de alto rendimiento (es decir, aramidas, HMPP, HMWPE, poliéster-poliarilato (por ejemplo, Vectran), PBO, aramidas modificadas, etc.) e hilo de carbón, los datos de la prueba de Vectran anterior se analizaron en comparación con dpf y densidades comercialmente disponibles de hilos de alto rendimiento actualmente utilizados en sistemas de coraza dura.
A partir de este análisis, el inventor descubrió que el rango de dpf comercialmente viable de hilos de alto rendimiento es principalmente una función de la densidad de hilo/polímero, con dpf de hilo comercialmente disponible que es inversamente proporcional a la densidad de polímero base en cubo.
Se cree que esto hace sentido teóricamente, debido a que entre menor sea la gravedad específica del polímero, mayor será el volumen de hilo requerido por peos de unidad, y debido a que la densidad se ha mostrado experimental mente para ser un factor clave que influencia el rendimiento balístico de hilos de alto rendimiento.
Basándose en estos hallazgos, el inventor desarrolló el siguiente concepto de un "factor de dpf de Material Compuesto-Coraza" (CA.dpf), en donde CA.dpf es igual a la relación de un denier de filamento de hilo individual (dpf) del hilo a la inversa de la densidad del hilo en cubo, que puede simplificarse al producto de veces (dpf de hilo) (densidad de h i I o " 3 ) , como se muestra en la Ecuación 3: CA-dpf dpfh hilo factor = dpfhih x [densidad^ (3) {(densidad j Basándose en la literatura disponible, se analizaron algunos paneles de coraza de material compuesto rígida y semi-rígida y se descubrieron para tener CA.dpf de entre 0.9 a 6.86, con la mayoría que tiene un CA.dpf de entre 4.5 a 6.7. Por ejemplo, el hilo CA.dpf actualmente mayor utilizado en sistemas de coraza dura (aunque únicamente de un nivel en desarrollo) es hilo de 2.5 dpf de Vectran HT con una gravedad específica de 1.40. Esta combinación de densidad, dpf resulta en un CA.dpf de 6. 86.
De acuerdo con algunas modalidades, los materiales compuestos aquí descritos incluyen hilos que tienen un CA.dpf mayor que o igual a 7.0. De acuerdo con otras modalidades, los materiales compuestos aquí descritos incluyen hilos que tienen un CA.dpf mayor que o igual a 15. De acuerdo con otras modalidades, los materiales compuestos aquí descritos incluyen hilos que tienen un CA.dpf entre 25 y 35. De acuerdo incluso con otras modalidades, los materiales compuestos aquí de descritos incluyen hilos que tienen un CA.dpf de entre 27 y 28.
De acuerdo con algunas modalidades, los materiales compuestos aquí descritos pueden incluir hilos que tienen un CA.dpf menor que o igual a 85.
En algunas modalidades, se propone un CA.dpf de 85 como un límite práctico superior. Sin embargo, tal límite superior no se ha verificado experimentalmente, y puede ser superior dependiendo de si la curva de rendimiento de límite balístico que se relaciona con dpf tiende a ser de polinomio o logarítmica por naturaleza. En particular, si la curva de rendimiento balístico es logarítmica, el dpf superior puede ser benéfico como se muestra en la Figura 7 (por ejemplo, poliéster-poliarilato (Vectran) con un dpf de 35 ó mayor puede proporcionar buen rendimiento balístico).
Basándose en prueba experimental y al utilizar el modelo de polinomio de segundo orden proporcionado anteriormente, el concepto del factor CA.dpf puede utilizarse para predecir un dpf comercialmente deseable teórico para cualquier hilo de alto rendimiento en un sistema de coraza de material compuesto (generalmente sometido a la provisión que los filamentos de hilo pueden producirse en estos dpf grandes con tenacidad equivalente, % de alargamiento a la ruptura y módulo de tensión a los hilos con dpf más pequeño, que puede ser desafiante en la práctica debido a la producción de hilo y a los requerimientos de dibujo).
Cuadro 1 : Factores CA-dpf calculados de Hilos Balísticos Potenciales Tipo de hilo Densidad DPF FACTOR CA- Dpf (gravedad comercialmente dpf (para DPF comercialmente específica) disponible más alto disponible) deseable utilizado en coraza previsto de material compuesto Para aramida 1.44 2.25 6.72 9.35 (KevIarTwaron etc.) Micro-filamento de 1.44 0.84 2.51 9.35 para aramida- Twaron Para aramida 1.47 1.1 3.49 8.80 modificada (Au Tex HT) Poliéster-poliarilato 1.40 2.5 6.86 10.20 (Vectran) H PP (Innegra)** 0.84 8.0 4.74 47.04 Literatura de HMPP 0.91 8.0 6.03 37.00 (Innegra) UHMWPE (Spectra 0.97 5.4 4.93 30.55 Dyneema) UHMWPE 0.97 1 0.91 30.55 (Dyneema-Micro- filamento) PBO (Zylon HS) 1.54 1.5 5.48 7.65 PBO (Zylon HM) 1.56 1.5 5.69 7.35 Fibra M5* 1.70 1 4.91 5.65 Carbón 1.76 0.6 3.27 5.10 Nylon 1.14 n/a n/a 18.80 Poliéster 1.38 n/a n/a 10.50 * d f es un estimado no reportado en la literatura **Densidad medida de fibra HMPP dentro de un material compuesto n/a no está disponible ya que no se utiliza ampliamente en la coraza de material compuesto Por ejemplo, basándose en los datos de Vectran presentados anteriormente, un dpf comercialmente disponible para hilo de Vectran es de aproximadamente 10.2 dpf, mientras que un dpf comercialmente disponible para el hilo Kevlar (que es ligeramente más denso, con una gravedad específica de 1.44) es de aproximadamente 9.35 dpf. Para hilo de carbón (que es relativamente muy denso) un dpf comercialmente disponible es 5.1 dpf. De nuevo se debe observar que este dpf comercialmente disponible únicamente se basa en comparaciones de densidad entre hilos, y que la tenacidad, el módulo, y % de alargamiento a la ruptura también serán factores al determinar esto.
Cambiando ahora al Cuadro 2, se enlistan aquí factores CA.dpf para algunas de las telas balísticas ilustrativas aquí descritas.
Cuadro 2: Factores CA-dpf Calculados para Ejemplos Balísticos Tipo de hilo Densidad d pf de Factor CA-dpf de hilo Hilo en Material C om puesto Para aramida 1.44 1.5 4.48 (Keviar Twaron etc.) Para aramida 1.44 2.25 6.72 (Keviar Twaron etc.) Poliéster-poliarllato 1.4 2.5 6.86 (Vectran) Poliéster-poliarilato 1.4 5 13.72 (Vectran) Poliéster-poliarilato 1.4 15 41.16 (Vectran) Fibra HMPP 0.84 8 4.74 (Innegra) en materiales compuestos** Fibra de HMPP 0.84 12.5 7.41 (Innegra) en materiales compuestos** Fibra de HMPP 0.84 20 1.85 (Innegra) en materiales compuestos** **Densidad medida de fibra HMPP dentro de un material compuesto Aunque la descripción anterior proporciona ejemplos de uno o más materiales compuestos resistentes balísticos, se apreciará que otros materiales compuestos resistentes balísticos están dentro del alcance de la presente invención como interpretados por un experto en la técnica.

Claims (36)

REIVINDICACIONES
1. - Un material compuesto resistente balístico que comprende una pluralidad de denier grande por hilos de filamento (dpf).
2. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los hilos con dpf grande tienen un "factor de dpf de material compuesto-coraza" (CA.dpf) seleccionado para proporcionar rendimiento balístico mejorado, en donde CA.dpf se determina de acuerdo con la siguiente ecuación: dpfhiio CA-dpffaclor = \ 1
3. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande tienen un CA.dpf mayor que o igual a 6.9.
4. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande incluyen fibras de aramida que tienen un CA.dpf mayor que 6.72.
5. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande incluyen fibras de para-aramida modificadas que tienen un CA.dpf mayor que 3.49.
6. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande incluyen fibras de poliéster-poliarilato que tienen un CA.dpf mayor que 6.86.
7.- El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande incluyen fibras HMPP que tienen un CA.dpf mayor que 4.74 basándose en densidad medida de los hilos.
8.- El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande incluyen fibras HMPP que tienen un CA.dpf mayor que 6.03.
9. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande incluyen fibras HMWPE que tienen un CA.dpf mayor que 4.93.
10. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande incluyen fibras PBO que tienen un CA.dpf mayor que 5.7.
11. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande incluyen fibras M5 que tienen un CA.dpf mayor que 4.91.
12. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande incluyen fibras de carbón que tienen un CA.dpf mayor que 3.27.
13.- El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande incluyen fibras de poliolefina que tienen un CA.dpf mayor que 4.95.
14.- El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande tienen un CA.dpf entre 6.9 y 16.
15. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande tienen un CA.dpf entre 16 y 42.
16. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde los hilos con dpf grande tienen un CA.dpf menor que 85.
17. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pluralidad de hilos con dpf grande comprende fibras de aramida que tienen un dpf mayor que 2.25.
18.- El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 17, en donde la pluralidad de hilos con dpf grande comprende fibras de aramida que tienen un dpf entre 2.25 y 9.5.
19. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pluralidad de hilos con dpf grande comprenden fibras de para-aramida modificada con un dpf mayor que 1.1.
20. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 19, en donde las fibras de para-aramida modificada tienen un dpf de entre 1.1 y 8.8.
21.- El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pluralidad de hilos con dpf grande comprende fibras UHMWPE con un dpf mayor que 5.4.
22.- El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 21, en donde las fibras UHMWPE tienen un dpf entre 5.4 y 30.6.
23 - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pluralidad de hilos con dpf grande comprende fibras de poliéster-poliarilato con un dpf mayor que 2.5;
24. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 23, en donde las fibras de poliéster-poliarilato tienen un dpf entre 2.5 y 35.
25. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pluralidad de hilos con pdf grande comprende fibras de alto rendimiento hechas de poliolefinas alifáticas (no aromáticas), y tienen un dpf mayor que 2.5.
26. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 25, en donde las fibras de poliolefina alifática incluyen fibras de polipropileno de alto módulo que tienen un dpf mayor que 8.
27.- El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 26, en donde las fibras de poliolefina de polipropileno de alto módulo alifáticas tienen un dpf entre 8 y 50.
28. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 2, que además comprende una resina en contacto con la pluralidad de hilos con dpf grande.
29. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 28, en donde las resina es una resina de termofijación.
30. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 28, en donde la resina es una resina termoplástica.
31. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la resina se selecciona del grupo que consiste de: pol ¡ásteres ; polipropilenos; poliuretanos; poliéteres; polibutadieno; poliacrilato; copolímeros de etileno; policarbonatos; ionómeros; copolímeros de ácido etilen-acrílico (EAA); fenol i eos; ésteres de vinilo; fenólicos de PVB; cauchos naturales; cauchos sintéticos polietileno; y cauchos de estireno-butadieno.
32. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pluralidad de hilos con dpf grande incluye fibras de alto rendimiento orgánicas.
33. - El material compuesto resistente balístico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pluralidad de hilos con dpf grande incluye fibras industriales.
34. - Un miembro de coraza de material compuesto que comprende: a. al menos una capa de tela; y b. una resina para asegurar al menos una capa de tela junta; c. en donde al menos una capa de tela comprende una pluralidad de hilos con dpf grande.
35. - Un material protector que comprende un material compuesto resistente balístico que incluye una pluralidad de fibras con dpf grande.
36. - El material protector de acuerdo con la reivindicación 35, en donde el material protector es uno de: coraza de cuerpo; placas de coraza personales; escudos de coraza personales; coraza de vehículo comercial; coraza de vehículo militar; coraza de aeronave ligera; coraza de barco; cascos; y coraza estructural.
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