BRPI1005268A2 - material cerÂmico sinterizado, processo para sua produÇço, e seu uso em blindagem balÍstica - Google Patents

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Abstract

MATERIAL CERÂMICO SINTERIZADO, PROCESSO PARA SUA PRODUÇçO, E SEU USO EM BLINDAGEM BALÍSTICA A presente invenção descreve um material cerâmico sinterizado, composto de alumina e óxido de niábio, que quando sinterizado é capaz de melhorar as propriedades balísticas do material, tornando-o útil para blindagem de veículos e outros equipamentos. A presente invenção descreve ainda um processo para a produção do material.

Description

Relatorio Descritivo de Patente de Invencao
Material Ceramico Sinterizado, Processo para sua produqao, ε seu USo em Blindagem Balistica
Campo da Invencao
A presente invengao descreve um material ceramico sinterizado, composto de alumina e oxido de niobio, que quando sinterizado e capaz de melhorar as propriedades balisticas do material, tornando-o particularmente Citil para blindagem de veiculos e equipamentos que sofrem impactos. A presente invengao revela tambem um processo para a produgao do referido material.
Antecedentes da Invencao
Durante os ultimos anos, muito esforgo foi voltado para a busca de material's ceramicos, com massas menores que metais, com aplicagoes de protegao e blindagem mais adequadas onde ο peso tern importancia, como em aeronaves e para ο corpo humano. Alguns desses esforgos visaram ο uso de carbeto de silicio como candidato, enquanto outros utilizaram materials ceramicos reforgados com fibras.
O documento EP 199 459 descreve Iigas de ceramica possuindo resistencia elevada, onde a Iiga compreende oxidos de Zr e/ou Hf combinados com niobatos e/ou tantalatos metalicos.
O documento US 6,218,324 descreve um composito ceramico compreendendo uma matriz ceramica um material com a formula ABO4, onde A e um cation divaIente e B e tungstenio ou molibdenio, disperso na matriz ceramica, criando uma interface fraca com a matriz e ο material.
O documento US 7,297,646 descreve vidros e vitroceramica compreendendo oxido de niobio ou tantalo com uma combinagao de alumina, oxidos de Zr ou Hf e/ou de metais de terras raras.
O documento US 2007/105706 descreve ο uso de carbetos, como de boro, silicio, tantalo, zirconio, hafnio e tungstenio e um boreto de elementos do
grupo IVa Va ou Via da tabela periodica. Nenhum dos esforgos anteriores conhecidos foi considerado satisfatorio, de forma que a busca por materials ceramicos permanece.
A presente inven?ao difere dos documentos conhecidos do estado da tecnica, entre outras razoes, por descrever graos de alumina recobertos por niobato de aluminio, graos esses possuindo propriedades balisticas melhoradas.
Sumario da Invencao
E um dos objetos da invenpao proporcionar um material cer^imico sinterizado composto de alumina e oxido de niobio. Referido material possui notaveis propriedades de dureza e/ou absorgao de impactos, sendo Citil, dentre outras, para aplicagoes balisticas.
Em uma concretizagao preferencial, ο material ceramico da inven?ao compreende alumina e 3-5% p/p de oxido de niobio. Em uma concretizagao preferencial, ο material ceramico da invengao compreende niobato de aluminio depositado ao red or dos graos de alumina.
E um adicional objeto da presente invengao um processo de preparo de um material ceramico sinterizado compreendendo as etapas de: -preparar uma mistura de alumina de oxido de niobio; - adicionar um aditivo de sinterizagao;
-moldar ο material no formato desejado; e -sinterizar ο material.
Em uma concretizagao preferencial, a proporgao da referida mistura e de 95-97% p/p de alumina em ρό e 3-5% p/p de oxido de niobio em ρό. Em uma concretiza?ao preferencial, ο referido aditivo de sinterizagao e adicionado na propor?ao de 1,5% p/peso total da mistura. Em uma concretizagao preferencial, a mistura de alumina e oxido de niobio e moida em agua, subsequentemente seca em estufa e em seguida desaglomerada e/ou peneirada antes das etapas de moldagem e sinterizagao. Preferencialmente, a etapa de sinterizar ο material e conduzida em uma temperatura na faixa de 1400°C a 1450°C pelo tempo de 1h a 3h, para em seguida tal material ser resfriado. E um οutro objeto da presente invengao proporcionar ο uso de um material ceramico sinterizado composto de alumina e oxido de niobio na preparagao de blindagens balisticas.
Estes e outros objetos da invengao serao imediatamente valorizados pelos versados na arte, sendo descritos em mais detalhes a seguir.
Breve Descricao das Figuras
A FIGURA 1 mostra um material ceramico convencional a base de alumina sem niobia, com superficie de fratura (amostra #1) predominantemente transgranular.
A FIGURA 2 mostra um ceramico convencional a base de alumina sem ni0bia, com superficie de fratura (amostra #2) intergranular devido a fraca sinterizagao.
A FIGURA 3 mostra uma concretizagao preferencial de material ceramico da invengao com superficie de fratura (amostra #3) predominantemente intergranular pelo efeito da adi?ao de niobia a alumina.
A FIGURA 4 mostra um alvo com material ceramico submetido a impacto de projetil 7.62 mm.
Descricao Detalhada da Invencao
O material ceramico da invengao e sinterizado e composto de alumina e 0xido de niobio. Referido material possui notaveis propriedades de dureza e/ou absorgao de impactos, sendo ύίΐΙ, dentre outras, para aplicagoes balisticas. Em uma concretiza9ao preferencial, ο material ceramico da invengao compreende alumina e 3-5% p/p de oxido de niobio. Em uma concretiza?ao preferencial, ο material ceramico da invengao compreende niobato de aluminio depositado ao red or dos graos de alumina.
O processo da invengao para ο prepare de material ceramico sinterizado compreende as etapas de:
- preparar uma mistura de alumina de oxido de niobio;
-adicionar um aditivo de sinteriza^ao; -moldar ο material no formato desejado; e -sinterizar ο material.
Em uma concretizagao preferencial, a proporgao da referida mistura e de 95-97% p/p de alumina em ρό e 3-5% p/p de oxido de niobio em ρό. Em uma concretizagao preferencial, ο referido aditivo de sinterizagao e adicionado na proporgao de 1,5% p/peso total da mistura. Em uma concretiza?ao preferencial, a mistura de alumina e oxido de niobio e moida em agua, subsequentemente seca em estufa e em seguida desaglomerada e/ou peneirada antes das etapas de moldagem e sinteriza?ao. Preferencialmente, a etapa de sinterizar ο material e conduzida em uma temperatura na faixa de 1400°C a 1450°C pelo tempo de 1h a 3h, para em seguida tal material ser resfriado.
O material da invengao e particularmente Citil para a preparagao de superficies solidas resistentes a impactos de elevada magnitude, especialmente blindagens balisticas. Os exemplos aqui descritos tem ο intuito aPenas de exemplificar alguns dos ini^meros meios de se realizar a invengao, nao devendo ser entendido como restritivos, mas sim ilustrativos. Material Ceramico Sinterizado
Em uma concretizapao preferencial, ο material ceramico sinterizado da Presente inven?§o compreende de 95-97% p/p de alumina e 3-5% p/p de oxido de niobio. Ele possui tambem niobato de aluminio depositado ao redor dos gr§os de alumina, melhorando assim suas propriedades balisticas. Processo de Preparo
Em uma concretizagao preferencial, da invengao, ο process。de preparo de material ceramico sinterizado compreende as etapas de:
a) preparar uma mistura de 95-97% p/p de alumina em ρό e 3-5% p/p de
oxido de niobio em ρό;
b) adicionar 1,5% p/peso total da mistura de a), de um aditivo de sinterizagao;
c) realizar a moagem da mistura em agua; d) secar em estufa;
e) desaglomerar e/ou peneirar ο material seco;
10 f) moldar ο material no formato desejado;
g) sinterizar ο material em uma temperatura na faixa de 1400°C a 1450°C pelo tempo de 1 h a 3h.
h) resfriar ο material.
Em uma realizagao preferencial, ο aditivo de sinterizapao utilizado e ο
polietilenoglicol (PEG).
A importancia da adigao de niobia a alumina e que a niobia reage com a alumina, formando niobato de aluminio (AINbO4)1 que se deposita nos contornos de graos da alumina. Isso faz com que aumente a absorgao de energia do material ceramico nestes contornos de graos e melhore suas propriedades de protegao balistica. Uso na preparacao de barreiras balisiticas
O material ceramico da invengao foi utilizado diretamente como material de protegao balistica. Testes balisticos com diferentes materials ceramicos da invengao foram conduzidos e demonstraram propriedades de protegao balistica superiores as da alumina sinterizada convencional (sem adigoes ceramicas e sinterizada em temperatura igual ou superior a 1600°C, pelo tempo minimo de 1h). Alem das elevadas propriedades de protegao balistica do material ceramico, a sua sinterizagao ocorre em temperaturas (faixa de 1400°C a 1450°C) mais baixas que as convencionais (igual ou superior a 1600°C), ο que propicia um menor gasto de energia, bem como de custo dos fornos de sinteriza^ao para a obtengao do material ceramico sinterizado, aumentando sua viabilidade economica.
A Tabela 1 apresenta tres diferentes composigoes ceramicas e condigoes de sinterizagao. As composigoes #1 e #2 sao convencionais e a composigao #3 e uma concretizagao preferencial da invengao. Tabela 1
Composigoes AI2O3 Nb2O5 Temperatura de Tempo de sinterizagao analisadas % % sinterizagao (°C) (horas) #1 100 0 1600 1 #2 100 0 1400 3 #3 96,00 4 1400 3
A Tabela 2 mostra os resuItados obtidos para propriedades fisicas
relevantes em blindagem e os resultados de testes balisticos: absorgao de
energia cinetica e mecanismo predominante de fratura no impact。balistico de
projetil 7.62 mm, usado em fuzis. A composigao #3 apresentou os melhores
resultados, e corresponde ao intervalo de percentual de alumina e niobia no
ceramico, tendo sido a que demonstrou melhores resultados no testes balisticos.
Tabela 2
Composigoes analisadas Dureza Vickers Densifjcagao (%) Velocidades das ondas longitudinals Absor^ao de energia (%) Mecanismo de fratura #1 1261 ± 58 84,2 ±2,2 7157,1 m/s 72,4 Trgnsgranulgr #2 242 土 23 64,5 ±2,4 3577,2 m/s 53,0 Intergranular #3 1319±135 87,2 ± 2,4 7921,9 m/s 93,1 I 门 tcrgra 门 ulgr
A Tabela 2 mostra que a dureza, a densificagao, a velocidade das ondas longitudinals e a absorgao de energia no impacto balistico para a composigao #3’ alumina com adigao de 4% de niobia sinterizada a 1400°C por 3 horas, tem valores significativamente superiores aos das demais composi?5es analisadas. 0s baixos valores dos resultados para a amostra #2 sao devidos a fraca
sinterizagao da alumina pura na temperatura de 1400°C, que aumenta quando se eleva a temperatura de sinteriza9§o, ou quando adiciona-se niobia a 1400°C. Na composigao #3，ocorre formagao de uma segunda fase nos contornos de graos da alumina, ο niobato de aluminio, enquanto ο interior dos graos permanece com alta densifica?ao e dureza. O AINbO4, niobato de aluminio, tem dureza menor que a alumina, ο que promove uma tendencia de fratura intergranular associada a um aumento da absorgao de energia do projetil pelo ceramico na fratura causada pelo impacto balistico. Testes balisticos subsequentes, com materials ceramicos submetidos a impacto de projetil 0.50 perfurante, a 25 m de distancia e velocidade de 900 m/s，tiveram resuItados excelentes. O material ceramico da invengao (conforme amostra #3), sinterizado em formato piano, foi colocado sobre uma base (um bloco) de aluminio. Com ο impacto do projetil em tais condigoes, houve ruptura da blindagem ceramica e pequena penetragao do bloco de aluminio. Por outro lado，ο material ceramico da invengao (conforme amostra #3), sinterizado em formato concavo-convexo, foi colocado sobre uma base (um bloco) de aluminio. Mesmo com ο impacto do projetil em tais condigoes, ο bloco de aluminio nao sofreu qualquer dano. Estes dados demonstram ο alto potencial do material da invengao no uso em blindagens balisticas.
Os versados na arte imediatamente valorizarao os ensinamentos fornecidos na presente descrigao e entenderao prontamente que pequenas variagoes nas formas de concretizar a inven?ao sao possiveis, devendo ser consideradas como dentro do escopo da invengao e das reivindicagoes anexas.

Claims (10)

Material Ceramico Sinterizado, Process。para sua produqAo, ε seu Uso em Blindagem Balistica
1. Material cerSmico caracterizado por compreender alumina e oxido de niobio sinterizados.
2. Material ceramico conforme reivindicagao 1, caracterizado pelo fato de compreender alumina e 3-5% p/p de oxido de niobio.
3. Material ceramico conforme reivindicagao 1 ou 2, caracterizado pelo fato de compreender niobato de aluminio depositado ao redor dos graos de alumina.
4. Processo de preparo de um material ceramico caraterizado por compreender as eta pas de: -preparar uma mistura de alumina e oxido de niobio; -adicionar um aditivo de sinterizagao; -moldar ο material no formato desejado; e -sinterizar ο material.
5. Processo conforme reivindica^ao 4, caracterizado pelo fato de que a proporgao da referida mistura e de 95-97% p/p de alumina em ρό e 3-5% p/p de oxido de niobio em ρό.
6. Processo conforme reivindicagao 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que ο referido aditivo de sinterizagao e adicionado na proporgao de 1,5% p/peso total da mistura.
7. Processo conforme qualquer uma das reivindicagoes 4-6, caracterizado pelo fato de que ο referido aditivo e PEG.
8. Processo conforme qualquer uma das reivindicagoes 4-7’ caracterizado pelo fato de que a mistura de alumina e oxido de niobio e moida em agua, subsequentemente seca em estufa e em seguida desaglomerada e/ou peneirada antes das etapas de moldagem e sinterizagao.
9. Processo conforme qualquer uma das reivindicagoes 4-8, caracterizado pelo fato de que a etapa de sinterizar ο material e conduzida em uma temperatura na faixa de 1400°C a 1450°C pelo tempo de 1h a 3h.
10. Uso de material ceramico sinterizado composto de alumina e oxido de niobio caracterizado por ser para a preparagao de blindagens balisticas.
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