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DESENVOLVIMENTO DE CERÂMICA AVANÇADA ALUMINOSAPARA FINS DE BLINDAGEM BALÍSTICA

Milena G.Q.Yamanaka, Márcia G.T.Melo, Mariana R.Carmo, Marcelo Rossi, Ramiro Daru

Rua Saquarema, 179 Jd. do Parque – Diadema/SP CEP 09910 240e-mail: yamagueli@hotmail.com

CENATEC Escola SENAI “Mario Amato” – Núcleo de Tecnologia Cerâmica

RESUMO

Compósitos cerâmicos para blindagem balística são materiais avançados

resistentes ao impacto de projéteis, aplicados na proteção de cofres, aeronaves,

embarcações, automóveis, residências e proteção pessoal. Neste trabalho foi

desenvolvido um material com base de ALUMINA, dopada com óxidos reativos, dentro

dos parâmetros técnicos pré-estabelecidos, onde foi avaliada a resistência física e

mecânica dos mesmos. Para este estudo, realizou-se uma caracterização física das

matérias-primas envolvendo: análise granulométrica e densidade aparente. Em seguida

foram preparados corpos de prova de massas equacionadas e homogeneizadas a seco e

conformados por prensagem uniaxial, secos a 110ºC, e sinterizados a 1600ºC.

Os resultados foram considerados satisfatórios, ficando o material classificado

como Nível balístico II pela Associação Brasileira de Cartucho - CBC, segundo Norma NIJ

Standard 0108.01.

Palavras-chave: BLINDAGEM, REFRATÁRIO, ALUMINA

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DEVELOPMENT OF HIGH ALUMINA REFRACTORIES FOR CERAMICS ARMORS APLICATIONS

ABSTRACT

Ceramic composites for armors are advanced materials resistant to the impact of

projectiles, used in the protection of coffers, airships, embarkations, automobiles,

residences and personal protection. In this work an alumina-based material doped with

oxides was developed, considering previously established technical parameters, where

their physical and mechanical resistance was evaluated. For this study, a physical

characterization of the raw materials was performed, involving: particle size distribution

and apparent density. Samples were prepared from equated and dry homogenized

masses, uniaxialy pressed, dried at 110ºC, and sintered at 1600ºC.

The results were considered satisfactory, being the material classified as

ballistic Level II for the Brazilian Association of Cartridge - CBC, according to Norma NIJ

Standard 0108.01.

Word-key: ARMORS, REFRACTORY, ALUMINA

INTRODUÇÃO

Blindagens cerâmicas são compósitos formados por placas cerâmicas fixadas em

chapas de aço, alumínio ou aglomerado de fibras. Essas blindagens são mais leves e

apresentam um desempenho superior quando comparados com outros materiais.

A blindagem de veículos, aviões, navios e pessoal foram assuntos sempre tratados

no âmbito das Forças Armadas. A nova ordenação da política internacional diminuiu

sensivelmente o incentivo à pesquisa e produção nessa área, assim como o crescente

aumento da violência urbana trouxe um descrédito da população em geral nas

autoridades constituídas, levando ao uso de blindagens balísticas antes restritas às

Forças Armadas. A ênfase na pesquisa de proteções contra projéteis nos anos 1960 e

começo dos anos 1970 foi sobre materiais leves para proteção pessoal e de pequenas

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aeronaves. O primeiro sistema de blindagem leve foi constituído por placas cerâmicas de

alumina sinterizada, colada a um suporte traseiro dúctil, normalmente alumínio ou fibra de

vidro reforçada com polímero. Uma das primeiras aplicações de materiais cerâmicos com

objetivos militares verificou-se em 1962 na Guerra do Vietnã, quando helicópteros e

pequenas aeronaves foram blindados contra projéteis de pequeno calibre. A substituição

de materiais metálicos conjugados mais leves propiciou a essas aeronaves maior

mobilidade e maior capacidade de transporte. Durante os anos 80, a ênfase foi para o

desenvolvimento de proteção em veículos terrestres contra impacto de penetradores da

alta energia cinética e com cargas explosivas. Grandes chapas de cerâmica foram usadas

e o aperfeiçoamento continuou até os anos 90, quando a demanda nas Forças Armadas

diminuiu rapidamente devido às mudanças na situação política mundial.

Tendo em vista este grande interesse pelo desenvolvimento de novos materiais,

este trabalho visa somar e contribuir com os conhecimentos a cerca do assunto,

possibilitando a divulgação dos benefícios proporcionados por esta classe de materiais

cerâmicos à sociedade civil como, por exemplo, a diminuição de 60% ou 30% do peso

total em relação às proteções metálicas de aço ou alumínio, respectivamente (XAVIER, 1999); fato este que a torna atrativa, vantajosa e motivo de estudos tecnológicos, porém

pouco aplicada devido a seu alto custo.

MATERIAIS E MÉTODOS

Inicialmente realizou-se ensaios e análises para caracterização da matéria-prima

principal (matriz) – ALUMINA, a fim de se obter parâmetros físicos do material. Os

seguintes ensaios foram realizados com a matriz de Alumina: análise granulométrica e

Densidade solta aparente. Em seguida, foram confeccionados por prensagem uniaxial e

queimados corpos de prova, que foram caracterizados quanto à retração linear e

volumétrica, absorção d’ água, porosidade aparente, massa específica aparente, tensão

de ruptura a flexão, microscopia eletrônica de varredura e teste balístico; além de cálculos

como a Análise química por estequiometria.

Durante o projeto, foram desenvolvidas três formulações, com o intuito de se

aprimorar a anterior, chegando a uma considerada eficiente para a aplicação de destino.

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Caracterização dos corpos de prova

A Verde

Os corpos de prova prensados das três composições foram medidos, e pesados

em balança eletrônica, para determinação da retração linear e volumétrica após secagem,

retração linear e volumétrica total, perda ao fogo e umidade de conformação.

Após Secagem

Após secagem a 100ºC por 24 h em estufa, os corpos de prova de todas as três

composições foram medidos e pesados, seguindo os mesmos critérios dos corpos de

prova a verde. A densidade após secagem foi determinada através do método

geométrico.

Após Sinterização

Os corpos de prova das três composições foram medidos e pesados para

determinação da retração linear e volumétrica total e pesados para determinação da

perda ao fogo, seguindo os mesmos critérios dos corpos de prova a verde e após

secagem. Os corpos de prova foram submetidos aos ensaios de absorção d’água,

porosidade aparente e massa específica aparente com a balança hidrostática. Em

seguida, foi realizado o ensaio de resistência mecânica a flexão. Foram colhidas amostras

para a identificação da microestrutura através de microscopia eletrônica de varredura, e o

corpo de prova da composição nº3 foi submetido a ensaio balístico específico, na

Companhia Brasileira de Cartucho – RIBEIRÃO PIRES/SP.

Preparação das massas

Para estudo de composições cerâmicas avançadas, desenvolveu-se inicialmente

uma formulação, preparada a partir da pesagem das matérias primas previamente secas,

que em seguida foi homogeneizada em misturador planetário com o ligante selecionado:

Vixil - resina orgânica. Depois de homogeneizada, a massa foi granulada em peneira

ABNT 35 para desagregação, e permaneceu em repouso por 24 horas. Em seguida, a

massa foi prensada em prensa hidráulica com capacidade para 40 t. O corpo de prova foi

prensado uniaxialmente com dimensões de 100 x 100 mm2 a uma pressão de 240

Kgf/cm2, seco a 100ºC e sinterizado em forno intermitente a 1550ºC com patamar de 2

horas.

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Como as propriedades da primeira composição não se mostraram satisfatórias, foi

desenvolvida uma segunda composição, preparada a partir da pesagem de matérias

primas previamente utilizadas, que em seguida foi homogeneizada em misturador

planetário, com o ligante selecionado: resina líquida fenólica. Depois de homogeneizada,

a massa foi granulada em peneira ABNT 28 para desagregação, e permaneceu em

repouso por 24 horas. Em seguida, a massa foi prensada em prensa hidráulica com

capacidade para 40 t. O corpo de prova foi prensado uniaxialmente com dimensões de

100 x 100 mm² e pressão de 340 Kgf/cm2, seco a 100ºC e sinterizado em forno

intermitente a 1600ºC com patamar de 4 horas.

Com o intuito de se aprimorar a composição nº 2, melhorando as propriedades

físicas e mecânicas, foi desenvolvida a composição de nº 3, a partir da pesagem de

matérias primas previamente utilizadas, que em seguida foi homogeneizada em moinho

de bolas, com o ligante selecionado: resina líquida fenólica. Depois de homogeneizada, a

massa foi granulada em peneira ABNT 35 para desagregação, e permaneceu em repouso

por 24 horas. Em seguida, a massa foi prensada em prensa mecânica com capacidade

para 100t. O corpo de prova foi prensado uniaxialmente com com dimensões de 230 x

115mm² e pressão de 378 Kgf/cm2, seco a 100ºC e sinterizado em forno intermitente a

1600ºC com patamar de 4 horas.

Composição das massas

Composição 1 Composição 2 Composição 3

96 % Al2O3 96 % Al2O3 96 % Al2O3

4 % MgO e Cr2O3 3 % Nb2O5 3 % Nb2O5 e Cr2O3

1 % 3MgO.4SiO2.H2O 1 % 3MgO.4SiO2.H2O

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste capítulo são apresentados os resultados da caracterização física e mecânica

dos compósitos cerâmicos desenvolvidos, bem como as variáveis pertinentes ao processo

de fabricação.

Tabela geral dos resultados obtidosComp. 1 Comp. 2 Comp. 3

Absorção d’ água (%) 9,39 8,01 5,10Porosidade aparente (%) 24,94 23,10 15,64

Densidade (g/cm3) 2,79 2,87 2,91

Resistência à flexão (MPa) 5,7 24,9 30,8Densidade Teórica (%) 80,6 82,9 84,1

Compactação (Kgf/cm2) 240 340 378

Temperatura de queima (ºC) 1550 1620 1620Nível balístico* II

* Este ensaio foi realizado segundo a norma americana NIJ Standard 0108.01, na

Companhia Brasileira de Cartucho – CBC.

Podemos observar que todas as propriedades atingidas pela composição 3,

são melhores que as anteriores, provando que ao longo do desenvolvimento de projeto,

conseguimos aprimorar as características do material.

No entanto, devemos levar em consideração, que as condições de

processamento como pressão específica de prensagem e temperatura de sinterização

também foram se aprimorando.

A composição 3, foi submetida ao ensaio balístico, e suportou o impacto do

nível II, a uma velocidade de 358 m/s de um calibre 9mm.

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Análise microestrutural

1000x 1000x 1000x Composição 1 Composição 2 Composição 3

As microestruturas presentes indicam o fechamento dos poros e a diminuição do

tamanho dos grãos, à medida que se evoluiu o processo de fabricação e a composição

das matérias-primas. A composição nº 1 apresenta uma microestrutura não favorável às

propriedades físicas e mecânicas almejadas, o que pôde ser avaliado através da alta

porosidade e do crescimento excessivo dos grãos. Porém pode ser observada uma

grande evolução microestrutural na composição nº 2, e uma boa compactação e controle

de tamanho de grão na composição nº 3.

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• Corpo de Prova da composição nº 3. Ensaio balístico: Nível de blindagem I /

Calibre 38.

• Corpo de Prova da composição nº 3. Ensaio balístico: Nível de blindagem II /

Calibre 9mm.

Podemos observar que os corpos ensaiados no Nível I – Calibre 38 e Nível II –

Calibre 9 mm, resistiram ao impacto de 259 ± 15 m/s e 358 ±12 m/s respectivamente, e

os suportes de alumínio traseiros não sofreram nenhum tipo de alteração mecânica.

CONCLUSÕES

Ao término do desenvolvimento do projeto, o material desenvolvido atingiu

propriedades físicas e mecânicas que o qualificam como apto à sua aplicação de destino.

Isto pôde ser confirmado principalmente pelo teste balístico executado na Companhia

Brasileira de Cartucho – CBC, a qual emitiu um Laudo Técnico, comprovando o

desempenho do material desenvolvido.

Quanto à análise microestrutural, todos os ensaios quantitativos realizados

mostraram-se coerentes à microestrutura apresentada: absorção d’água, porosidade

aparente, densidade aparente, resistência mecânica à flexão, etc. Ou seja, as fotos

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obtidas no microscópio eletrônico de varredura demonstraram o desenvolvimento atingido

pelas três composições.

O ensaio balístico confirmou as expectativas acerca do material desenvolvido: boa

resistência mecânica para suportar o impacto de um projétil calibre 9mm até uma

velocidade de 358 ± 12 m/s.

Estes resultados tornam o material apto para desempenhar a função de proteção

balística em cofres, caixas fortes, carros fortes, casas, aeronaves e embarcações em

geral, todos que não exijam proteções mais pesadas como, por exemplo, contra fuzis e

metralhadoras.

AGRADECIMENTOS

Ao profº Ramiro Daru.

Ao profº Herbet Alves de Oliveira, por nos instruir e prestar esclarecimentos

técnicos.

Ao Núcleo de Tecnologia Cerâmica da Escola SENAI “Mario Amato”, na pessoa de

seu coordenador Jorge José Nunes, por oferecer instalações adequadas ao

desenvolvimento do projeto.

Ao profº titular da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Deptº de

Engenharia Química Dr. Célio Xavier, pelos esclarecimentos prestados.

À Companhia Brasileira de Cartucho (CBC), onde foi realizado o ensaio balístico,

por colaborar e compreender os grupos de pesquisa escolar.

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