ES2204199B2 - Blindaje laminado. - Google Patents
Blindaje laminado.Info
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Abstract
Blindaje laminado que comprende una primera parte (11) situada en el lado del blindaje desde el cual se va a resistir el ataque y una segunda parte (12) que es coextensiva con la primera parte, en que: (i) la primera parte comprende un laminado de primeras chapas metálicas (1), teniendo cada una un grosor medio (t{sub,2}), unidas adhesivamente mediante capas intermedias (8) que tienen un grosor (t{sub,1}) entre 0,4t{sub,2} y 0,9t{sub,2} y un módulo de Young a compresión, perpendicularmente con respecto a las capas, por debajo de 4 GPa; (ii) la segunda parte del blindaje comprende un material que es más dúctil que el metal de las primeras chapas metálicas y preferiblemente comprende segundas chapas metálicas (2) que están unidas una a otra y a la primera parte (11) del blindaje con adhesivo reforzado por fibra de aramida. El blindaje es útil frente a proyectiles de pequeño calibre.
Description
Blindaje laminado.
El presente invento se refiere a un blindaje
laminado adecuado para protección contra disparos de energía
cinética de pequeño calibre y particularmente contra un ataque de
fragmentación, pero es adecuado también como medio de confinamiento
en una situación en la que existe la posibilidad de que se eyecten
fragmentos a alta velocidad, por ejemplo durante el funcionamiento
de turbo ventiladores de aeronaves.
Los términos "límite de protección V_{50}"
y "coeficiente de mérito" que se usan en la descripción se
definen como sigue: Límite de Protección V_{50} (m/s) - se refiere
al ataque con un tipo particular de proyectil y representa la
velocidad de impacto que da un 50% de probabilidad de derrota del
blindaje (por cualquier modo de fallo).
Coeficiente \
de \ mérito = \frac{V_{50}}{Densidad \ Superficial \ de \
Blindaje}(m^{3}/kg \
s)
El coeficiente de mérito proporciona una
normalización de los resultados de V_{50}, permitiendo la
comparación de blindajes con diferentes densidades superficiales
(NB: una comparación realista de blindajes diferentes puede
efectuarse solamente utilizando el coeficiente de mérito si las
densidades superficiales son del mismo orden.)
Cuando se recibe el ataque de disparos
perforadores de blindaje o de fragmentos procedentes de, por
ejemplo, una bomba de ataque por fragmentación, un blindaje
relativamente ligero es susceptible de una serie de modos de fallo
diferentes.
Estos son:
a. Taponamiento - en el cual tiene lugar
un fallo local por cizallamiento a través del espesor, dando como
resultado un tapón de material con un diámetro del mismo orden que
el del proyectil que se está retirando del blindaje. El propio
tapón puede ser eyectado con energía cinética residual y constituir
un peligroso proyectil secundario. El taponamiento es un mecanismo
de absorción de baja energía debido a que tiene lugar poca
deformación plástica del blindaje, y por esta razón es muy deseable
evitarlo;
b. Discado o desbastado - que implica la
eyección de un disco de material desconchado de la superficie
posterior del blindaje. Este es también un mecanismo de fallo de
baja energía y ha de evitarse si es posible, puesto que no permite
que se explote el fallo potencial del blindaje;
c. Segmentado - que implica la formación
de grietas radiales que definen segmentos de blindaje que se curvan
hacia atrás apartándose del proyectil atacante al penetrar éste en
el blindaje. Dado que esto implica una considerable cantidad de
deformación plástica y de fractura dúctil, ello constituye un
mecanismo de fallo de más alta energía que el taponamiento o el
discado.
Se han propuesto en el pasado sistemas de
blindaje de doble dureza que incorporan una capa de cerámica dura
para embotar o fragmentar el proyectil en el lado de ataque del
blindaje, soportada por una capa que contiene resina reforzada por
fibra de vidrio y que está diseñada para absorber por deformación la
energía cinética del proyectil. Ejemplos de tales blindajes se
describen en la patente francesa 823284 y en la patente
norteamericana 4131053. Recientemente, se ha propuesto en la patente
EP 237095 incorporar un laminado metálico reforzado con fibra en el
sistema de blindaje anteriormente descrito. Sin embargo, todos estos
sistemas de blindaje son apliques, es decir que sólo son adecuados
para ser aplicados a una estructura. No son adecuados para uso como
armaduras estructurales ellos mismos.
Se han propuesto en el pasado blindajes
estructurales de doble ductilidad que incorporan una capa de
superficie de ataque dura sostenida por una capa dúctil de
prevención del desconchado. Para que dicho blindaje no se
distorsione bajo carga, la capa posterior de metal dúctil de baja
resistencia ocupa comúnmente un 50% o más del blindaje en volumen
con la consiguiente reducción en el coeficiente de mérito del
blindaje.
El objeto del presente invento es proporcionar un
blindaje estructural con una alta resistencia a la penetración de
fragmentos.
Los inventores han encontrado que cuando la cara
de ataque de un blindaje laminado compuesto está constituida por
chapas metálicas separadas por capas intermedias, tanto el grosor
como la elasticidad de las capas intermedias tienen un efecto
pronunciado sobre el coeficiente de mérito del material del blindaje
estructural. Eligiendo un grosor de capa intermedia que esté dentro
de una gama particular y seleccionando un material de capa
intermedia con un módulo de Young suficientemente bajo, se puede
conseguir una optimización del coeficiente de mérito de
blindaje.
Por lo tanto, de acuerdo con el invento se crea
un blindaje laminado que comprende una primera parte situada en el
lado del blindaje desde el cual se va a resistir el ataque y una
segunda parte que es coextensiva con la primera parte, en que:
(i) la primera parte comprende un laminado de
primeras chapas metálicas, teniendo cada una un grosor medio
t_{2}, unidas adhesivamente mediante capas intermedias que tienen
un grosor entre 0,4t_{2} y 0,9t_{2} y un módulo de Young a
compresión, medido perpendicularmente con respecto a las capas, por
debajo de 4 GPa, y
(ii) la segunda parte comprende al menos una
chapa metálica que es más dúctil que el metal de las primeras chapas
metálicas.
El grosor y el bajo módulo de Young de las capas
intermedias de la primera parte dejan que la primera parte del
blindaje haga un uso máximo de las capacidades de absorción de
energía de las primeras chapas metálicas al permitir un alto grado
de independencia de deformación. La propagación de grietas
perpendicularmente con respecto a las primeras chapas metálicas (que
podría dar subsiguientemente como resultado un taponamiento) se
puede limitar a las primeras chapas metálicas, dejando que la
segunda parte del blindaje absorba cualquier energía residual e
impida también que tenga lugar un discado. La delaminación del
blindaje contribuye también a la absorción de energía al expandir el
área sobre la que se absorbe energía por deformación plástica.
Preferiblemente, las capas de la primera parte
tienen un módulo de Young a compresión, medido perpendicularmente
con respecto a las capas, por debajo de 3,5 GPa.
Dado que las fibras de refuerzo poliméricas
típicas aumentan el módulo de Young de una matriz de resina típica,
las capas intermedias de la primera parte están preferiblemente
exentas de fibras.
La segunda parte del blindaje puede comprender
una única chapa de metal dúctil, pero preferiblemente comprende al
menos dos chapas de metal dúctil unidas una a otra y a la primera
parte del blindaje con adhesivo reforzado por fibra de aramida. La
incorporación de fibras a la segunda parte del blindaje aumenta
significativamente su capacidad de absorción de energía. La
ductilidad de las chapas permite que las fibras, que preferiblemente
constituyen un tejido, se estiren y, al hacer esto, absorban energía
por fricción entre mechas. Además, el uso de dos o más chapas de
metal dúctil y capas de adhesivo reforzado con fibra da como
resultado un aumento inesperado del coeficiente de mérito del
blindaje en comparación con el uso de una chapa dúctil y una capa
de adhesivo reforzado con fibra.
La incorporación selectiva de fibras en la
segunda parte del blindaje puede también aumentar la capacidad de
soporte de carga de tracción de la segunda parte hasta el mismo
orden que la de la primera parte. El resultado es la posibilidad de
producir un material de ingeniería estructural equilibrado que es
menos probable que se distorsione bajo carga. Una ventaja adicional
de esta característica es que un mayor porcentaje del blindaje puede
estar constituido por un metal de mayor resistencia (menor
ductilidad) con el consecuente aumento del coeficiente de mérito del
blindaje. Preferiblemente, la primera parte ocupa al menos un 75%
del blindaje en volumen. Para impedir el discado, los sistemas de
blindaje de doble ductilidad de la técnica anterior han empleado
generalmente caras posteriores dúctiles relativamente gruesas que
ocupan comúnmente un 50% o más del blindaje en volumen. Esto
conduce a la consiguiente reducción del coeficiente de mérito del
blindaje, porque la resistencia a la penetración del blindaje no
está maximizada.
Para resistir un ataque de fragmentos pequeños
típicos, el grosor t_{2} de cada primera chapa metálica es
preferiblemente menor de 2 mm. Sin embargo, el grosor t_{2} puede
ser tan alto como 6 mm para resistir el ataque de fragmentos más
grandes. Preferiblemente, las chapas se seleccionan
independientemente entre aluminio, titanio o magnesio o aleaciones
de los mismos. La primera parte del blindaje comprende
preferiblemente de cuatro a diez primeras chapas metálicas. También
preferiblemente, el punto de deformación hasta rotura de las
primeras chapas metálicas es menor del 14% y el del material
contenido en la segunda parte del blindaje es mayor del 14%.
El refuerzo de fibras en la segunda parte está
constituido preferiblemente por dos agrupaciones ortogonales de
fibras entretejidas. Con esta configuración de refuerzo se minimiza
la probabilidad de formación de grietas y su propagación dentro de
las capas de adhesivo.
Se describirá ahora el invento, a modo de ejemplo
solamente, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los
cuales:
La figura 1 es un gráfico que muestra cómo el
coeficiente de mérito del blindaje construido de acuerdo con el
invento varía con el grosor de la capa intermedia del blindaje;
La figura 2 muestra una sección transversal del
blindaje de acuerdo con el invento; y
La figura 3 muestra una sección transversal
esquemática del blindaje de acuerdo con el invento después del
ataque con un disparo simulador de fragmentos embotados de alta
velocidad.
La placa de blindaje mostrada en la figura 2 se
hace de la siguiente forma:
(a) Se desgrasan seis primeras chapas metálicas 1
de aleación de aluminio 7075 T6 (grosor 1,02 mm) y dos segundas
chapas metálicas 2 de la aleación de aluminio más dúctil 5083
(grosor 1,0 mm) y se les da un pretratamiento a temperatura ambiente
durante 1 hora en un baño de carbonato sódico (Na_{2}CO_{3} 80
g/L en agua desmineralizada);
(b) se enjuagan las chapas 1 y 2 durante 10
minutos con agua corriente;
(c) se sumergen las chapas 1 y 2 durante 4 horas
en una solución de ataque químico, acondicionada con iones cobre, a
base de H_{2}SO_{4} (Sg 1, 84, 150 ml/L),
Na_{2}Cr_{2}O_{7}.2H^{2}O (75 g/L) y CuSO_{4}.5H_{2}O (4
g/L), completada hasta 1 litro con agua desmineralizada;
(d) se enjuagan luego con agua corriente;
(e) se secan luego con aire templado;
(f) la unión tiene lugar dentro de 6 horas de las
etapas de pretratamiento (a) - (e);
(g) se cortan a medida piezas de un tejido 4 de
Kevlar (R) de ligamento tafetán previamente lavado para eliminar el
apresto de tejedura;
(h) se extienden cantidades iguales de adhesivo
sobre las superficies de unión de cada chapa (epoxy endurecido de
dos partes Hysol-Dexter (R) 9309.3(NA));
(i) se coloca una única capa de tejido de Kevlar
entre y encima de las dos segundas chapas metálicas 2 de aleación de
aluminio 5083;
(j) se ensamblan luego las primeras chapas
metálicas 1 como se muestra en la figura 2. Todas las uniones se
proveen de espaciadores 5 reguladores de grosor.
El grosor t_{1} (0,51 mm) de cada capa
intermedia 8 entre las primeras chapas metálicas 1 es el 50% del
grosor t_{2} de las primeras chapas metálicas.
El grosor t_{3} de la capa adhesiva que separa
las segundas chapas metálicas una de otra y del resto del blindaje
es de 0,5 mm, siendo este grosor suficiente para la ocupación de
fibras descrita anteriormente.
(k) La placa de blindaje se pone entonces bajo
una presión de 0,21 MPa en una prensa y se calienta a 60ºC durante
una hora para fomentar la fluidez del adhesivo y, por lo tanto,
impregnar completamente el tejido.
Se probaron una serie de diferentes placas de
blindaje construidas básicamente como se ha descrito anteriormente,
cada una con un grosor ti de capa intermedia diferente, para
verificar el coeficiente de mérito al ser impactadas con fragmentos
13 de alta velocidad con velocidades variables. Los resultados se
muestran en la figura 1, que es un gráfico que ilustra la variación
del coeficiente de mérito (MR – m^{3}/kg s) con respecto a la
relación t_{1}/t_{2} (grosor de la capa intermedia dividido por
el grosor de las primeras chapas metálicas). El coeficiente de
mérito se optimiza en la región de t_{1}/t_{2} = 0,5 y no se
reduce significativamente dentro de la gama de 0,4 a 0,9. El
coeficiente de mérito decrece a medida que se reduce la fracción
t_{1}/t_{2} por debajo de 0,4, ya que se acerca una situación en
la que las capas intermedias son insuficientemente gruesas para
permitir una independencia substancial de la deformación de las
primeras chapas metálicas 1, y como resultado aparece un fallo por
taponamiento de baja energía a través del grosor. Cuando un blindaje
con la relación t_{1}/t_{2} óptima era capaz justamente de
resistir un fallo completo, aparecía el modo de daño mostrado en la
figura 3. Las primeras chapas metálicas 1 absorben una gran cantidad
de energía por deformación plástica en 9. Esto es posible (a) debido
al grosor de las capas intermedias 8 y (b) debido al bajo módulo de
Young de las capas intermedias 8 (3 Gpa). Las segundas chapas
metálicas 2 en combinación con el tejido de aramida 4 impiden que
tenga lugar un discado, y también absorben energía por deformación
plástica y por fricción entre mechas.
Al evitar un taponamiento a través del grosor
tiene lugar una mayor delaminación de la placa de blindaje por la
formación de grietas 10. Esto tiene el efecto ventajoso de agrandar
el área del blindaje que actúa para absorber la energía de un
proyectil.
Los coeficientes de mérito resultantes se
comparan todos favorablemente con el del blindaje de aluminio
monolítico de densidad superficial comparable, el coeficiente del
cual se muestra en el punto A de la figura 1.
Para que la placa de blindaje pueda constituir un
útil material estructural autoestable y equilibrado, la primera
parte 11 del blindaje y la segunda parte 12 se han diseñado de modo
que respondan similarmente a las cargas aplicadas y como resultado
se minimice la tendencia del blindaje a la distorsión.
Claims (10)
1. Un blindaje laminado que comprende una primera
parte que incluye un primer material de chapa metálica situado en el
lado del blindaje desde el cual se va a resistir el ataque y una
segunda parte que es coextensiva con la primera parte e incluye un
segundo material de chapa metálica que es más dúctil que el metal de
la primera parte, caracterizado porque: (i) la primera parte
(11) es un laminado de primeras chapas metálicas (1), teniendo cada
una un grosor medio t_{2}, unidas adhesivamente mediante capas
intermedias (8) que tienen un grosor entre 0, 4t_{2} y 0,9t_{2}
y un módulo de Young a compresión, perpendicularmente con respecto a
las capas, por debajo de 4 GPa; y (ii) la segunda parte (12)
comprende al menos una segunda chapa metálica (2) que es más dúctil
que el metal de las primeras chapas metálicas.
2. Un blindaje según la reivindicación 1,
caracterizado porque las capas intermedias (8) de la primera
parte tienen un módulo de Young a compresión, perpendicularmente a
las capas, por debajo de 3,5 GPa.
3. Un blindaje según la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, caracterizado porque las capas intermedias
(8) de la primera parte comprenden resina exenta de fibra.
4. Un blindaje según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera
parte (11) comprende de cuatro a diez primeras chapas metálicas
(1).
5. Un blindaje según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el punto
de deformación hasta rotura de las primeras chapas metálicas (1) es
menor del 14% y porque el del material contenido en la segunda parte
(12) del blindaje es mayor del 14%.
6. Un blindaje según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la segunda
parte (12) comprende una laminado de al menos dos segundas chapas
metálicas (2) que son más dúctiles que las primeras chapas metálicas
(1).
7. Un blindaje según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las chapas
metálicas (1, 2) se seleccionan independientemente entre aluminio,
titanio o magnesio o aleaciones de los mismos.
8. Un blindaje según la reivindicación 6 o la
reivindicación 7, caracterizado porque las segundas chapas
metálicas (2) están unidas la una a la otra y a la primera parte
(11) del blindaje con adhesivo, al menos algo del cual contiene
fibras de refuerzo (4).
9. Un blindaje según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera
parte (11) ocupa al menos el 75% del blindaje en volumen.
10. Un blindaje según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las partes
primera y segunda tienen substancialmente las mismas características
estructurales de soporte de carga de tracción.
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