PT104855A - Painel com estrutura-sanduíche em multicamadas - Google Patents

Abstract

PAINEL COM ESTRUTURA DO TIPO SANDUÍCHE COMPOSTO POR MÚLTIPLAS CAMADAS CARACTERIZADO POR TER UMA CAMADA (A) CONSTITUÍDA POR UMA LIGA METÁLICA DE APLICAÇÃO BALÍSTICA OU EM ALTERNATIVA POR UM MATERIAL COMPÓSITO, UMA OU VÁRIAS CAMADAS DE MATERIAIS CELULARES (B), UMA OU VÁRIAS CAMADAS DE MATERIAL COMPÓSITO (C) E/OU UMA OU VÁRIAS CAMADAS DE MATERIAL CERÂMICO (D), E FINALMENTE A CAMADA (E) CORRESPONDE NOVAMENTE A UMA LIGA METÁLICA DE APLICAÇÃO BALÍSTICA OU EM ALTERNATIVA A UM MATERIAL COMPÓSITO.O PAINEL DA INVENÇÃO INSERE-SE NO DOMÍNIO DOS SISTEMAS PROTECÇÃO CONTRA ONDAS DE CHOQUE ORIGINADAS EM ATAQUES TERRORISTAS (OU OUTRO TIPO DE ATAQUES) E TEM APLICAÇÃO PREFERENCIAL NO ÂMBITO DA DEFESA.

Description

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DESCRIÇÃO "PAINEL COM ESTRUTURA-SANDUÍCHE EM MULTICAMADAS"

Breve descrição: Painel com estrutura-sanduíche com capas metálicas ou em material compósito e parte interior de material celular, compósito e cerâmico. I - Domínio técnico da invenção O presente invento é desenvolvido na área da Engenharia Mecânica e/ou dos Materiais. O desenvolvimento de sistemas protecção contra ondas de choque originadas em ataques terroristas (ou outro tipo de ataques) assume, presentemente, um papel fulcral e com grande potencial de investigação no âmbito da defesa. 0 presente invento aqui apresentado, que corresponde a um painel com estrutura-sanduíche encontra aplicação em absorção e dissipação de energia originada em ondas de choque de explosões, e na absorção de energia devido a impacto balístico. II - Antecedentes da invenção

Nas últimas décadas, têm sido realizados trabalhos significativos de investigação e desenvolvimento de sistemas de protecção e defesa incorporando materiais celulares. Porém, todos os trabalhos realizados até ao presente nesta área estão limitados à utilização de materiais celulares de estrutura regular (estruturas favo-de-mel), e de base metálica (espumas metálicas, etc.), com os custos elevados que lhes estão associados. Deste modo, a grande mais-valia associada à presente proposta é, precisamente, a associação de diversos materiais, 2 incluindo materiais celulares e/ou porosos naturais em sistemas de protecção do tipo sanduíche. A resposta estrutural de estruturas multi-camada, também designadas por estruturas-sanduíche, para aplicação em sistemas de protecção contra ondas de choque (blast-wave) é um assunto que tem vindo a ser estudado e documentado recentemente [vide referências bibliográficas 1-8]. No entanto, os trabalhos de investigação relacionados com o comportamento de tais estruturas quando solicitadas por impacto de ondas de choque é relativamente limitado. Fleck et al. realizaram estudos que conduziram a um conjunto de modelos analíticos de previsão da resposta dinâmica, de painéis e vigas sanduíche, sujeitos a carregamentos de ondas de choque uniformes [vide referências bibliográficas 9-12], Estes modelos foram validados recorrendo a estudos numéricos, por exemplo, por Qiu et al. [vide referências bibliográficas 10,12]. Os resultados obtidos mostram que é possível obter correlações razoáveis. Consequentemente, e dada a realidade actual, justifica-se plenamente que se invista na investigação e desenvolvimento de novos materiais, estruturas e sistemas de protecção, capazes de absorver e dissipar a energia originada em reacções explosivas. A necessidade de proteger certas estruturas de carregamentos dinâmicos de elevada intensidade, originados em reacções explosivas, tem vindo a estimular e renovar o interesse no estudo do comportamento dinâmico de estruturas metálicas (entre outras) sujeitas a carregamentos de alta velocidade de deformação [vide referências bibliográficas 13, 14] . Como é sabido, uma aproximação possível recorre a sistemas multi-camada (sanduíche) para dispersar o impulso mecânico transmitido às estruturas, reduzindo a pressão aplicada e protegendo 3 estruturas, pessoas, veículos, etc. [vide referências bibliográficas 13, 14].

No entanto, tais estudos de carácter teórico não propõem nem sugerem as estruturas tipo sanduíche associadas com os materiais propostos por esta invenção, e tal como são defendidas nas reivindicações. A patente PT 103504 B de 2006 intitulada “ Sandwich de materiais compósitos com núcleo de composto de cortiça" [vide referência bibliográfica 15] relata um invento que corresponde a uma estrutura do tipo sanduíche formada por duas camadas de materiais compósitos, com um reforço entre placas constituído por um composto de cortiça. É ainda referido que esta estrutura-sanduiche se encontrava a ser desenvolvida para aplicação em veículos automóveis de competição, sendo igualmente de considerar a sua aplicação em variados campos da indústria de transportes, construção civil, etc.

Os materiais cerâmicos e a combinação destes com outros materiais (compósitos) são já utilizados na indústria de defesa. Porém, a sua aplicação está somente vocacionada para a absorção de energia proveniente do impacto balístico. Estes materiais são usados como estruturas de protecção contra projécteis de calibre médio, devido à sua elevada eficiência quando comparada com outras estruturas de aço monolítico.

Como exemplo do que foi referido vejam-se os trabalhos desenvolvidos por Gonçalves et ai. [vide referência bibiográfica 16], Fawaz et ai. [vide referência bibliográfica 17] e Vanichayangkuranont et ai. [vide 4 referência bibliográfica 18]. 0 primeiro grupo realizou um estudo do impacto balístico de projécteis contra alvos constituídos por cerâmicos/metais. 0 modelo desenvolvido permitiu-lhes inferir quanto à perda de massa e de velocidade do projéctil e ainda quando à deflexão sofrida pela parte anterior do alvo. Finalmente, conseguiram também inferir quanto ao tamanho de grão do cerâmico, mais apropriado para uma melhor performance balística. Fawaz et ai. [vide referência bibliográfica 17] estudaram o impacto balístico normal e oblíquo em estruturas de um material compósito cerâmico, recorrendo à simulação numérica e aos métodos dos elementos finitos. No entanto, são necessários ainda estudos experimentais mais aprofundados de forma a validar esta aplicação. 0 grupo liderado por Vanichayangkuranont et ai. [vide referência bibliográfica 18] também recorreu à análise de elementos finitos para estudar o impacto balístico em alvos cerâmicos. Concluíram que a performance balística é significativamente melhorada à medida que a espessura do alvo aumenta. 0 recurso a materiais compósitos com aplicação em estruturas para protecção contra ondas de choque encontra-se já documentado na literatura. Langdon et al. [vide referência bibliográfica 19] estudaram a aplicação de painéis GLARE na absorção de ondas de choque. Através de testes experimentais preliminares observaram que os painéis GLARE apresentam um comportamento semelhante àquele registado por painéis monolíticos metálicos, cujos painéis apresentam uma elevada deformação plástica. Para além disso, provaram também que quando os resultados são analisados de uma forma adimensional, observa-se uma melhoria na resposta à resistência de ondas de choque destes painéis quando comparados com os painéis metálicos 5 monolíticos (dúcteis). Os laminados de fibras e metais (FML - fibre-metal laminates) são materiais estruturais híbridos que são compostos por painéis metálicos intervalados com painéis de um polímero de fibras reforçadas. Este material foi desenvolvido como alternativa leve aos metais estruturais usados, particularmente para a resistência à fadiga. Um tipo comercial de FML é o mencionado GLARE. A particularidade deste tipo de FML prende-se com o facto de os painéis serem compostos por finas folhas de alumínio e laminados de resina Epoxy reforçada com fibras de vidro. Existem vários tipos de GLARE dependendo da configuração nas camadas do compósito. GLARE 3 e GLARE 5 são aqueles que apresentam um maior interesse para aplicações de impacto [20]. GLARE 5 foi proposto para ser usado em contentores de bagagem leves de um avião e testes realizados por Fleisher et al. [21] indicaram que este material era também capaz de resistir a uma explosão superior aquela que foi produzida no atentado de Lockerbie.

Nurick et ai. [22] analisaram a resposta inelástica dos painéis do tipo sanduíche constituídos por um núcleo de material compósito formado por aço de carbono ou aço macio (mild Steel) e estruturas favo-de-mel de ligas de alumínio. Sujeitaram estes painéis a um impacto de uma onda de choque direccionada/localizada, proveniente da detonação de explosivo em forma de disco. A orientação da onda de choque para o alvo é conseguida através do uso de um tubo que opera como um guia de onda. A distância entre o explosivo e o alvo é pequena. Os autores demonstraram que a resposta destes painéis é muito mais eficiente na situação de explosão uniforme do que quando comparada com a distribuição localizada, conseguida através do tubo. 6

Este estudo experimental foi posteriormente comparado com resultados de simulação numérica. Esta análise foi feita por Karagiozova et al. [vide referência bibliográfica 23], e é demonstrada a equivalência existente entre a análise numérica e a análise experimental. Por último, concluíram que, a carga transferida para o painel traseiro da sanduíche depende da intensidade da explosão, da espessura do núcleo e ainda da flexibilidade dos painéis sanduíche. A utilização de materiais celulares naturais neste campo de aplicações, quando associada com os materiais indicados numa estrutura em multicamadas constitui uma inovação importante, porque permitirá baixar custos, sem que se dê uma redução significativa na capacidade de protecção e de absorção de energia. Estes materiais são caracterizados por um arranjo geométrico espacial do sólido de forma a constituir uma rede de células interligadas com arestas praticamente rectas. As faces das células podem ser abertas ou cobertas por membranas, dando origem a materiais celulares de célula aberta ou célula fechada, respectivamente [vide referência bibliográfica 24], Os materiais celulares sintéticos, ou espumas sintéticas, podem ser produzidos a partir de quase todos os tipos de material de base, incluindo os metais, os polímeros, os cerâmicos, os compósitos, o papel, o vidro, etc.

Uma descrição detalhada de propriedades mecânicas de materiais compósitos, celulares e cerâmicos é feita no capítulo da descrição detalhada da invenção. Neste capítulo é também demonstrado como poderão estas características ser usadas selectivamente de forma combinada para melhorar a eficiência da resposta de painéis-sanduíche constituídos por estes materiais, quando 7 sujeitos a uma onda de choque proveniente de uma explosão, isto quando comparado com os painéis conhecidos do estado da técnica. III - Descrição geral da invenção

Apresenta-se uma solução baseada na combinação de materiais celulares naturais e de materiais não-naturais (sintéticos), com significativa capacidade de absorção de impacto de ondas de choque, provocadas por explosões. Os materiais a incorporar nesta estrutura-sanduiche incluirão materiais celulares naturais, tais como, por exemplo a cortiça e os seus derivados, materiais compósitos e/ou cerâmicos. A estrutura a desenvolver poderá ter ainda capas metálicas ou em material compósito, sendo que uma das camadas interiores será em material celular. IV - Descrição detalhada da invenção a) A mecânica da estrutura 0 invento proposto refere-se a uma estrutura-sanduiche formada por três (ou mais) camadas interiores distintas (cortiça e os seus derivados, material cerâmico e/ou ainda material compósito). As sanduíches que englobam materiais compósitos podem ser obtidas recorrendo a processos diferentes. 0 primeiro refere-se ao processo de ligação de duas placas de materiais diferentes com recurso a um adesivo estrutural adequado. Este processo pode também ser denominado por processo de construção de estruturas sanduíche por cura independente. No entanto, pode-se proceder à deposição do material compósito e posteriormente a deposição de outro material interior, sendo que a ligação entre estes dois é assegurada pelo processo de secagem (a cura) da resina do material 8 compósito. No presente invento são considerados estes dois modos de obtenção da estrutura-sanduiche. 0 principio de design de uma estrutura-sanduiche em material compósito e outros é semelhante ao principio aplicado a vigas de perfil I. Apresentam uma forma estrutural eficiente visto que uma maior quantidade de material é colocada nos banzos salientes que representam a parte mais afastada do centro de curvatura de toda a estrutura (eixo). Na estrutura-sanduiche as faces assumem o papel dos banzos de uma viga e o núcleo (core) assemelha-se no seu comportamento à alma da viga. Numa sanduíche a face frontal sofre tensões de flexão e o núcleo tensões de corte. As faces actuam conjuntamente de forma a formarem um par eficiente no que compete a tensões e momentos resistentes, contrariando o momento de flexão exterior. 0 núcleo resiste ao corte e protege as faces da formação de dobras e/ou encurvadura. A selecção do adesivo que garante a ligação entre as faces e o núcleo é de extrema importância, visto que este terá que resistir ao corte e a esforços de tensão que surjam. A resistência de uma viga à flexão é função de variados factores, incluindo as propriedades dos materiais usados e a própria geometria da viga. As propriedades materiais com um maior interesse são a resistência à tracção, resistência ao corte e ainda o módulo de elasticidade. Quanto aos parâmetros geométricos de maior importância salientam-se o comprimento, largura e altura. Numa estrutura-sanduiche a espessura relativa das camadas é um factor primordial no desempenho desta. b) 0 papel da cortiça 9 A cortiça é um material celular natural composto por células fechadas. No que compete à ciência dos materiais, um material celular é todo aquele material composto por elementos celulares vazios, abertos ou fechados, desde que a sua fracção volúmica seja inferior a 30% do volume total [25] . No caso especifico da cortiça, a fracção em volume do sólido que constitui as células é de cerca de 15% do volume total do material. Visto que é um material celular com células fechadas, o volume ocupado pelas células é poliédrico com paredes celulares sólidas em contacto com as células adjacentes. A cortiça foi um dos primeiros materiais a ser observado ao microscópio, aquando da sua invenção no século XVI. Robert Hooke (1635-1703) documentou em desenhos as suas observações microscópicas de membranas extremamente finas de cortiça. Publicou esses desenhos no seu livro Micrographia em 1665. Pela primeira vez era demonstrado que a cortiça era formada por pequenas estruturas que passaram a ser denominadas células (do latim cella que significa "pequeno compartimento" ou "poro") - vide figura 1.

Na figura 2 anexa encontra-se representada esquematicamente uma célula de cortiça. As direcções 1, 2 e 3 correspondem às direcções radial, tangencial e axial respectivamente. As dimensões médias para as paredes celulares da cortiça são aproximadamente 45, 20 e 1 pm, para altura, lado de base hexagonal e espessura média de parede celular, respectivamente. Na figura referida as duas primeiras dimensões encontram-se designadas pelas letras B e A, respectivamente. 10

Assim, nesta figura encontram-se ilustradas duas secções, a primeira (designada pela letra A) onde as células apresentam uma forma aproximadamente hexagonal. Na secção designada pela letra B as células já são caracterizadas por apresentarem uma forma aproximadamente rectangular. Estas correspondem a duas observações feitas em direcções perpendiculares. Com estas observações foi possível concluir que a cortiça é um material que apresenta anisotropia estrutural e é frequente referir três direcções principais que definem a orientação da cortiça no sobreiro: (a) a direcção radial (ao longo do raio do tronco), (b) a direcção tangencial (tangencial à circunferência do tronco) e (c) a direcção axial (ao longo do eixo do tronco).

Nesta invenção, a camada correspondente à cortiça ou seus derivados foi escolhida com vista a tirar proveito da componente de comportamento elástico, quase total, deste material. A maioria das propriedades mecânicas da cortiça deve-se à sua estrutura celular que é responsável pela baixa densidade e presença de células abertas - à superfície - que explica o elevado coeficiente de atrito que esta apresenta. Além disso, o facto de a cortiça ser formada por células fechadas e ricas em suberina permite uma baixa condutibilidade térmica e acústica, uma elevada impermeabilidade e, em parte, elevada resistência e capacidade de absorção de vibrações. b) O papel do compósito

Num material compósito significa que dois ou mais materiais são combinados à escala macroscópica de forma a ser produzido um terceiro material, onde cada um dos seus componentes não deixa de ser visível a olho nu [vide 11 referência bibliográfica 26]. A grande vantagem é permitir combinar as melhores propriedades dos seus materiais de base. Os materiais compósitos são geralmente constituídos por uma matriz e por um ou mais componentes de reforço. A matriz confere a estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios entre os elementos de reforço e mantendo-os nas suas posições relativas [vide referência bibliográfica 27]. É geralmente dividido o grupo de materiais compósitos em 4 categorias diferentes: (1) Materiais compósitos de fibras: a matriz do material é de fibra. (2) Materiais compósitos laminados: são constituídos por várias camadas de materiais. (3) Materiais compósitos de partículas: constituídos por partículas de um material dispersas numa matriz. (4) Combinações de alguns ou todos os tipos, acima referidos.

Com a incorporação do material compósito pretende-se combinar propriedades plásticas e elásticas numa mesma estrutura, e assim tentar contribuir para a dissipação de energia e redução da vulnerabilidade da estrutura-sanduíche. c) 0 papel do cerâmico

Um material cerâmico é um sólido não-metálico e inorgânico preparado a quente (devido à acção do calor) e posteriormente arrefecido. A estrutura de um material cerâmico subdivide-se em cristalina, parcialmente cristalina e amorfa. A alumina e o carboneto de Boro têm sido usados como componentes fundamentais em coletes 12 balísticos. A sua aplicação estende-se também a cockpits de aviões militares, devido ao baixo peso deste material.

Os materiais cerâmicos caracterizam-se por serem materiais duros e frágeis com uma ductilidade baixa. A ruptura/fractura é o mecanismo mais comum de cedência na maioria dos materiais cerâmicos. Sendo a ductilidade a propriedade física dos materiais de suportar a deformação plástica, sob acção duma força, sem se romper ou fracturar, entende-se então que o mecanismo de absorção de energia num cerâmico, na eventualidade de uma solicitação mecânica, será maioritariamente devido ao facto de entrarem quase que imediatamente em fractura aquando do impacto de uma força externa (por exemplo no impacto de uma onda de pressão). d) 0 potencial de aplicação da estrutura É muito atractivo, quer em termos científicos quer em termos tecnológicos, o desenvolvimento de barreiras de protecção portáteis e/ou amovíveis para protecção contra ataques terroristas ou outros. Assim sendo, a invenção apresentada poderá ainda ser utilizada, a titulo de exemplo, contra eventuais ataques terroristas em sistemas de transporte tais como, por exemplo, em contentores de transporte de bagagem de porão em transportes aéreos civis e/ou militares, ou portas blindadas para a indústria aeronáutica, ou divisões de contenção para a indústria naval. Também tem aplicação em termos do transporte de mercadorias perigosas, especialmente transporte de matérias ou objectos explosivos. V- Breve descrição das figuras 13

Na figura 1 em anexo é apresentado um desenho da estrutura celular da cortiça feito por Robert Hooke. Esta imagem surge no seu livro "Micrographia: or Some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses. With observations and inquiries thereupon".

Na figura 2 em anexo encontra-se uma representação esquemática com as dimensões relativas de uma célula de cortiça. As direcções 1, 2 e 3 representam a direcção radial, tangencial e axial, respectivamente.

Na figura 3 em anexo é apresentado um esquema representativo da estrutura do tipo sanduíche em multicamadas.

Descrição pormenorizada da invenção:

Com relevância para a figura 3 as camadas (A) e (E) referem-se a camadas de capa metálica ou de material compósito que podem ser atribuídas a uma liga de metálica de aplicação balística ou, a camadas de material compósito. À camada (B) é atribuído um material celular natural, isto é, a cortiça e seus derivados. A camada (C) corresponde a um material compósito que poderá ser matriz metálica ou ainda de fibras cerâmicas de resinas Epoxy, fibras de vidro, fibras de carbono, fibras de Kevlar, ou outras fibras de alta resistência. Finalmente a camada (D) corresponde a um material cerâmico. Com o uso desta camada pretende-se tirar partido da forte componente de dissipação de energia destes materiais cerâmicos, que em caso de impacto entram em regime de fractura. De notar que entre as camadas (B), (C) e (D) o presente invento engloba todas as possíveis combinações existentes pela permuta das camadas (B) , (C) e (D),podendo no entanto prescindir-se 14 da(s) camada (s) (C) ou da(s) camada (s) (D), mas não das duas simultaneamente.

Quanto ao processo de fabrico e conforme referido anteriormente as sanduíches que englobam materiais compósitos podem ser obtidas recorrendo a processos diferentes. 0 primeiro refere-se ao processo de ligação de duas placas de materiais diferentes com recurso a um adesivo estrutural adequado. Este processo pode também ser denominado por processo de construção de estruturas sanduíche por cura independente. No entanto, pode-se proceder à deposição do material compósito e posteriormente a deposição de outro material interior, sendo que a ligação entre estes dois é assegurada pelo processo de secagem (a cura) da resina do material compósito. No presente invento são considerados estes dois modos de obtenção da estrutura-sanduíche. VI- Referências Bibiográficas [1] L.J. Gibson, M.F. Ashby. Cellular solids: structure and properties 2aedição, Cambridge University Press; 1997.

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Materiais mecânico.

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Lisboa, 4 de Dezembro de 2009

Claims (11)

1 REIVINDICAÇÕES : 1 - Painel com estrutura-sanduíche composto por múltiplas camadas caracterizado por ter uma camada (A) constituída por uma liga metálica de aplicação balística ou em alternativa por um material compósito, uma ou várias camadas de materiais celulares (B) , uma ou várias camadas de material compósito (C) e/ou uma ou várias camadas de material cerâmico (D) , e finalmente a camada (E) corresponde novamente a uma liga metálica de aplicação balística ou em alternativa, a um material compósito.

2 - Painel com estrutura-sanduíche de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por possuir a seguinte definição de camadas: camadas de capa metálica ou material compósito (A,E) que podem ser atribuídas a uma liga de metálica de aplicação balística ou a camadas de material compósito; camada (B) de cortiça e/ou seus derivados; camada (C) correspondente a um material compósito; e finalmente a camada (D) corresponde a um material cerâmico, em que os diversos materiais podem ter qualquer arranjo conveniente, designadamente pela permuta das camadas (B),(C) e (D).

3- Painel com estrutura-sanduíche de acordo com as reivindicações anteriores caracterizada por a ligação entre as diferentes camadas ser estabelecida através de resinas, adesivos estruturais ou ligações mecânicas.

4 - Painel com estrutura-sanduíche de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizada por ter uma camada (B) que corresponde a cortiça, aos seus derivados ou a um composto à base de cortiça. 2

5 - Painel com estrutura-sanduíche de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizada por a referida camada (C) de material compósito compreender uma combinação de materiais escolhidos de entre fibras cerâmicas, fibras de vidro, e/ou fibras de carbono, Kevlar, ou outras fibras de alta resistência com resinas Epoxy e/ou ainda materiais compósitos de matriz metálica.

6 - Painel com estrutura-sanduiche de acordo com as reivindicações 1 ou 2 caracterizada por ter uma camada (D) que corresponde a um material cerâmico de aplicação balística.

7 - Painel com estrutura-sanduiche de acordo com as reivindicações anteriores, em que as placas (A) e (E) são caracterizadas por terem dimensões compreendidas 1 e 20 mm, de espessura.

8 - Painel com estrutura-sanduiche de acordo com as reivindicações anteriores, em que a placa (B) é caracterizada por ter dimensões compreendidas 1 e 200 mm, de espessura.

9 - Painel com estrutura-sanduiche de acordo com as reivindicações anteriores, em que a placa (C) é caracterizada por ter dimensões compreendidas 1 e 10 mm, de espessura.

10 - Painel com estrutura-sanduiche de acordo com as reivindicações anteriores, em que a placa (D) é caracterizada por ter dimensões compreendidas 2 e 20 mm, de espessura. 3

11 - Painel com estrutura-sanduíche de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por ter forma circular ou rectangular, e as dimensões que caracterizam o seu raio na forma circular encontrarem-se dentro da gama 100 a 2000 mm e por, para as placas da estrutura-sanduiche na forma rectangular, as dimensões das suas arestas estarem compreendidas entre 100 e 4000 mm, respectivamente. Lisboa, 4 de Dezembro de 2009