RESISTÊNCIA BALÍSTICA DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS LAMINADOS

Cristina M.A. Lopes1*, Diniz P. Gonçalves2, Francisco C. L. de Melo3 1* Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) – CTA Praça Mal do ar Eduardo Gomes, 50, São José dos Campos-SP, 12223-190– cmoniz@iae.cta.br; 2 Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica do ITA–CTA–

dinizg@yahoo.com.br; 3 Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) – CTA– fapri@iae.cta.br

Ballistic resistance of polymeric laminates

High-strength polymeric laminates composites alone or combined with ceramic tiles are commonly used in personnel protection systems against arms projectiles and fragments. In this work the high speed impact resistance of some polymer-based composites is experimentally studied using the ballistic limit velocity,V50, for 7.62 x 51 mm projectile. The tested laminates were based on p-aramid, poly (p-phenylene benzobisoxazole) (PBO) and ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fibers. The panels supplied by different manufacturers (Du pont, Teijin, Toyobo, Allied Signal and DSM) presented variable number of layers, thickness and areal density. The results showed that comparatively PBO has the better ballistic performance, followed by polyethylene and aramid. Introdução

Em situações de guerra militar ou civil e nas guerrilhas urbanas que as forças responsáveis

pela segurança da sociedade travam diariamente, equipamentos de proteção contra ataques,

principalmente por arma de fogo, são essenciais para garantir a segurança de trabalho do pessoal

militar e civil, principalmente em tempos de crime organizado, facções extremistas e atentados

terroristas. Estruturas para proteção balística tais como coletes e capacetes à prova de bala e

blindagem de veículos vêm sido desenvolvidas ao longo dos anos e os materiais e o design dessas

estruturas têm evoluído bastante desde os primordiais escudos de couro e madeira e as pesadas

armaduras metálicas medievais. A demanda por sistemas de proteção leves, que não interfiram no

conforto e mobilidade do usuário e que possuam bom desempenho de resistência ao impacto

balístico, tem direcionado as pesquisas para o uso de materiais poliméricos [1]. Compósitos e

laminados de fibras de polímeros tais como poliéster, poliamida e aramida e mais recentemente,

fibras de polietileno de ultra alta massa molar (UHMWPE) têm sido usado mundialmente na

confecção de proteção balística devido à sua alta capacidade de absorver energia. Esses materiais

apresentam uma excelente capacidade de absorver energia cinética, e têm sido aplicados na

produção de blindagem flexível ou rígida para proteção pessoal e para veículos aéreos, terrestres e

marítimos de uso civil ou militar [2].

Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros

A proposta desse trabalho é comparar o desempenho balístico de diversos polímeros

laminares disponíveis no mercado visando à seleção e aplicação desses materiais na fabricação de

artefatos de blindagem.

Experimental Materiais

A composição dos painéis e as propriedades dos materiais ensaiados estão mostradas na

tabela 1. Os painéis foram fornecidos já montados pelos fabricantes, com exceção do Dyneema®

HB25 que foi laminado e processado por termomoldagem a 120 oC e 110 kgf/cm2 por 20 minutos.

Tabela 1- Composição e propriedades dos materiais ensaiados

Painel Polímero Fornecedor Número

de

camadas

Espessura

(mm)

Densidade

de Área

(kg/m2)

Kevlar® Aramida Du Pont 20 9,3 10,4

Twaron® Aramida Teijin 20 11,0 11,8

Gold Shield® Aramida Allied

Signal

75 9,0 10,8

Zylon® 1 Poli(p-fenileno

benzo bisoxasol)

(PBO)

Toyobo 35 11,0 7,7

Zylon® 2 PBO Toyobo 50 15,0 11,0

Dyneema®

(HB 25) 1

Polietileno

(UHMWPE)

DSM 78 10,7 10,4

Dyneema®

(HB 25) 2

UHMWPE DSM 125 20,0 18,5

Ensaio Balístico

Os ensaios foram realizados no túnel balístico do IAE-CTA. O projétil utilizado é o 7,62 x

51 mm NATO BALL M80. Os equipamentos usados n configuração do ensaio incluem um provete

de precisão, de onde é disparado o projétil, para calibre 7,62x 51mm NATO C7553 n° 48 Imbel,

cronógrafo Chrony modelo Delta e suporte para fixação da blindagem. A figura 1 ilustra o projétil,

o provete e a disposição do alvo e cronógrafo.

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A) B) C)

Figura 1 – Aparatos usados no ensaio balístico. A) Projétil calibre 7,62 x 51mm NATO BALL

M80, B) Provete calibre 7,62 NATO SN 02070102, C) Posicionamento dos cronógrafos e alvo.

A distância entre a boca do provete e o alvo é de 10 m. A calibração de velocidade do

projétil foi efetuada variando-se a quantidade de pólvora do estojo e a velocidade de impacto foi

corrigida devido à distância existente entre cronógrafo e alvo. Inicialmente, foram efetuados alguns

disparos para aquecimento do provete e alinhamento da pontaria.

O ensaio balístico foi conduzido segundo a norma MIL-STD-662F “V50 Ballistic Test for

Armor” que determina a velocidade de impacto limite na qual 50% dos fragmentos do projétil

penetram na blindagem e 50% são retidos para um determinado calibre (ballistic limit V50). Em

termos práticos, a V50 é a velocidade na qual é igualmente provável ocorrer uma penetração parcial

(PP) ou uma penetração completa (PC). Uma PC na blindagem ocorre quando o projétil, seus

fragmentos, ou qualquer fragmento do material que compõem o painel blindado perfura o

revestimento de alumínio da estrutura metálica que suporta os painéis blindados. Qualquer impacto

que não é considerado uma penetração completa deve ser considerado como uma PP. A V50 é

calculada tomando-se a média aritmética das duas velocidades mais altas da PP e das duas

velocidades mais baixas da PC.

Resultados e Discussão

Para o cálculo da V50 são efetuados no mínimo 4 disparos no corpo de prova variando-se a

massa de pólvora no projétil. A figura 2 ilustra a face frontal e posterior do painel Dyneema® 2

após os disparos.

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A)

B)

Figura 2: A) Face frontal e B) posterior do painel Dyneema® (HB25) 2 após a seqüência de 4 disparos.

É possível observar na face posterior a deformação e delaminação do painel resultantes dos

impactos com penetração completa. No caso do Dyneema®, constituído de fibras de polietileno de

ultra alta massa molar não trançadas dispostas na orientação 0/90, a delaminação é o principal

mecanismo de dissipação de energia.

Um exemplo dos dados obtidos em cada disparo, referentes ao painel Dyneema® 2, e

utilizados no cálculo de V50 é apresentado na tabela 2.

Tabela 2 – Resultados do ensaio balístico do painel Dyneema® 2

Disparo 1 2 3 4

Massa de pólvora, g 2,9 2,71 2,8 2,74

Massa do projétil, g 9,53 9,54 9,56 9,56

Velocidade Registrada Vc, m/s 810 759 794 772

Velocidade de Impacto Vi, m/s 805,1 754,1 789,1 767,1

Tipo de Impacto PC PP PC PP

V50 (m/s) 778,1

De acordo com a norma, a V50 é calculada através da média aritmética de igual número entre

as maiores velocidades em que ocorre PP e menores velocidades de PC. Considerando os resultados

de PP e PC para o painel Dyneema® 2, foi calculada a V50 através da média aritmética entre os

valores 789,1 m/s e 767,1 m/s.

A tabela 3 traz os dados de V50 e o coeficiente de proteção, ou V50 específica, (V50/

densidade de área) para os diferentes painéis ensaiados.

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Tabela 3- Velocidade limite (V50) e coeficiente de proteção dos materiais ensaiados

Painel

Número de

camadas

Espessura

(E), mm

Densidade

de Área

(DA), kg/m2

V50, m/s

Coeficiente

de proteção

V50/DA,

m3/Kg s

Kevlar® 20 9,3 10,4 531,7 51,1

Twaron® 20 11,0 11,8 581,5 49,3

Gold Shield® 75 9,0 10,8 627,6 58,1

Zylon® 1 35 11,0 7,7 560,0 72,7

Zylon® 2 50 15,0 11,0 677,0 61,5

Dyneema® 1 78 10,7 10,4 698,3 67,1

Dyneema® 2 125 20,0 18,5 778,1 42,1

A eficiência balística deve levar em conta a V50, a espessura e a densidade de área. O

coeficiente de proteção, razão entre a proteção balística, expressa pela V50, e a densidade de área, é

um importante parâmetro de qualidade do painel. Quanto maior esse coeficiente e menor a

espessura, melhores serão as propriedades balísticas do material.

De acordo com a tabela 3, o Zylon® 1 apresenta o melhor coeficiente de proteção, seguido

pelo Dyneema® 1. Estudos [3] revelaram, porém, que o Zylon®, constituído por fibras de PBO, é

um material sensível à umidade e que apresenta perda significativa de propriedade com o tempo.

Tanto no caso do Zylon® como do Dyneema®, é possivel observar a redução no coeficiente

de proteção balística com o aumento da espessura. Embora ocorra um aumento na V50, esse é bem

menos relevante que o aumento na densidade de área, portanto os materiais passam a ter menor

capacidade de absorver impacto por unidade de área. Esse resultado normalmente está associado a

alterações no modo de falha dominante com o aumento da espessura [4].

Entre as p-aramidas, o Gold Shield® apresentou melhor desempenho em todos os

indicadores (V50, DA, E e coeficiente de proteção). Interessante observar que apesar do painel

conter quase o quádruplo do número de camadas em relação às demais aramidas, a densidade de

área é próxima e a espessura menor do que os materiais concorrentes.

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Conclusões

As p-aramidas, materiais mais tradicionalmente usados para aplicações balísticas,

apresentaram performance inferior ao PBO e ao UHMWPE, materiais mais inovadores. Embora o

PBO tenha apresentado o melhor coeficiente de proteção, a suscetibilidade do Zylon® às

intempéries, refletindo numa redução dramática na resistência à tração devido à degradação

hidrolítica e, consequentemente, afetando o desempenho anti-balístico, faz com que as fibras de

polietileno sejam, de acordo com esse estudo, o material polimérico com maior potencial para

blindagem balística do momento.

Agradecimentos

Os autores agradecem às empresas Du Pont, Teijin, Toyobo, Allied Signal e DSM pelo

fornecimento dos materiais e à Divisão de Sistemas de Defesa (ASD) do Instituto de Aeronáutica e

Espaço (IAE) pelos ensaios balísticos.

Referências Bibliográficas 1. V.B.C. Tan; K.J.L. Khoo Int. J. Impact. Eng. 2005, 31, 793. 2. V.P. McConnell Reinf. Plast. 2006, 50, 20. 3. Third Status Report to the Attorney General on Body Armor Safety Initiative Testing and

Activities, NIJ, National Institute of Justice, 2005, disponível em http://www.ojp.usdoj.gov/bvpbasi/, acessado em 20/04/2007.

4. B.A. Gama; T.A. Bogetti; B.K Fink; C.J Yu; T.D. Claar; H.H. Eifert; J.W. Gillespie Jr Comp. Struct. 2001, 52, 381.