ES2238633T3 - Cuerpo compuesto reforzado con fibras para blindaje de proteccion, su fabricacion y sus usos. - Google Patents

Abstract

Cuerpo compuesto reforzado al menos en parte con fibras, que comprende una matriz que contiene principalmente carburo de silicio, silicio y carbono y que se forma mediante una silicificación de material que contiene carbono, constituido por una primera zona cerámica que está formada principalmente a base de carburo de silicio, silicio y carbono, y una segunda zona a base de cerámica compuesta reforzada con fibras cortas que está dispuesta sobre uno de los lados de la primera zona, caracterizado porque la longitud de las fibras o la longitud de las fibras junto con el espesor de los haces de fibras en la segunda zona aumenta gradualmente desde el lado vuelto hacia la primera zona hacia el lado alejado.

Description

Cuerpo compuesto reforzado con fibras para blindaje de protección, su fabricación y sus usos.

Esta invención concierne a blindajes de protección que son adecuados para campos de utilización civiles y militares. En particular, esta invención concierne a un cuerpo de materiales compuestos con una matriz que incluye principalmente carburo de silicio, silicio y carbono y/o sus compuestos, la cual se forma mediante una silicificación de un material que contiene carbono, con una primera zona cerámica que consiste principalmente en los componentes de la matriz común, una segunda zona que está dispuesta detrás de la primera zona y que está formada por una cerámica de C/SiC reforzada con fibras cortas, disminuyendo gradualmente la longitud de las fibras de la segunda zona en dirección a la superficie límite hacia la primera zona, y eventualmente una o más zonas adicionales reforzadas con fibras largas que están dispuestas en el lado trasero de la segunda zona, a un procedimiento para su fabricación y especialmente a usos favorables de este cuerpo compuesto.

En el área civil, que se concentra, entre otras cosas, en la protección de personas, limusinas blindadas y chalecos protectores, se requieren piezas de formas complejas. Esto está acoplado especialmente con el requisito de un espesor de los componentes y una profundidad de montaje lo más pequeños posible, así como un peso reducido. Los requisitos de protección contra armas pesadas o calibres medios y grandes son más bien pequeños en el área civil. No obstante, la distancia al lugar de la amenaza es en general bastante corta y puede ser de unos pocos metros. De este modo, se plantea el problema de que con los disparos múltiples que frecuentemente se presentan ello conduce a impactos situados cercanos uno a otro. Resultan de esto exigencias muy altas impuestas a la aptitud multiimpacto del blindaje de protección.

Para el blindaje en el área militar se utilizan hoy en día frecuentemente placas planas como blindaje adicional para vehículos terrestres y acuáticos, así como para helicópteros, contenedores, recipientes refugios subterráneos o fijaciones de campo. El diseño de estos blindajes parte de una amenaza originada por proyectiles de alta velocidad y grueso calibre. No obstante, las grandes distancias a los objetos de blanco originan en general grandes separaciones entre impactos. Por tanto, se imponen aquí menores exigencias a la aptitud multiimpacto que en el área civil.

Una placa de acero de blindaje es tratada, por ejemplo, de modo que el lado vuelto hacia la amenaza resulte extremadamente duro y, por tanto, sea capaz de romper proyectiles. El otro lado se endurece lo menos posible para absorber la energía del proyectil. Resulta de esto también la estructura típica para placas de blindaje de otros materiales.

La estructura básica de un blindaje con materiales cerámicos consiste preferiblemente en al menos dos capas o zonas. La placa de cerámica, que representa la placa frontal, tiene la misión de deformar el proyectil y, especialmente en el caso de munición AP, romper el núcleo duro. Una armadura deformable montada detrás de la placa de cerámica, o sea, el respaldo, tiene la misión de absorber el proyectil, los fragmentos del proyectil y las esquirlas de cerámica y estabilizar la placa de cerámica restante. El respaldo consiste en general en tejidos altamente extensibles y resistentes al rasgado (tejido de fibra de aramida, tejido de HDPE, etc.) o metal o plásticos. Otras capas de tejido o placas metálicas pueden montarse delante, entre o detrás de estos dos componentes principales.

En la patente US 5,114,772 se presenta un cuerpo compuesto de dos estratos. El primer estrato consiste en cerámica sinterizada que está dispuesta en forma de trozos o segmentos individuales. El estrato dispuesto debajo consiste en un material compuesto poroso reforzado con fibras cuya matriz se forma por medio de infiltración de fases gaseosas o infiltración de precursores. La unión de los dos estratos se efectúa típicamente por medio de pegado. Asimismo, es posible también introducir la cerámica sinterizada en la superficie del cuerpo constituido por fibras de refuerzo que forma el estrato inferior, antes de que éste se consolide posteriormente con una matriz cerámica.

En el procedimiento presentado de infiltración de fases gaseosas son desventajosos los altos tiempos del proceso y la porosidad residual siempre remanente de la cerámica compuesta. Una consideración semejante se aplica también para la infiltración de precursores en la que, además, se añade aún la necesidad de realizar varios ciclos de infiltración/ceramización.

Dado que la cerámica monolítica muestra un comportamiento de fragilidad típico al recibir disparos, las placas de cerámica revientan formando muchas esquirlas entre grandes y muy finas. El empleo de las placas de cerámica sin un respaldo adicional no es conveniente debido a la proyección de esquirlas durante los disparos. Asimismo, se presenta en general debido, a los disparos, una destrucción completa de las respectivas placas de cerámica. Por tanto, no pueden detenerse ya disparos múltiples. En consecuencia, no existe la aptitud multiimpacto requerida y eventualmente ésta se puede materializar tan sólo mediante una segmentación de ejecución costosa de placas cerámicas monolíticas individuales.

Para reducir este comportamiento catastrófico de los materiales de la cerámica se propone en el documento EP 0 994 084 A1 el empleo de SiC reforzado con fibras o C/SiC (SiC reforzado con fibras de carbono). El cuerpo moldeado está constituido por un tejido, un género de punto, un género tricotado o similar de fibras de carbono que, en un proceso de silicificación, se transforma por infiltración con silicio líquido en carburo de silicio reforzado con fibras de carbono. El lado vuelto hacia el proyectil deberá ser más duro que el lado vuelto hacia la estructura de respaldo, lo que deberá conseguirse mediante una variación de la clase del refuerzo de fibras o mediante la cantidad de las fibras introducidas en el cuerpo moldeado. En otro procedimiento para fabricar C/SiC, documento DE 199 53 253 A1, se emplean fibras cortas revestidas en lugar de las fibras largas descritas en el documento EP 0 994 084 A1. Este material se caracteriza por una buena aptitud multiimpacto.

En los procedimientos presentados es desventajoso el hecho de que con ellos pueden fabricarse solamente cuerpos compuestos cuya dureza no puede alcanzar la de la cerámica monolítica en el lado vuelto hacia el proyectil. Disminuye por ello la acción rompedora de proyectiles del blindaje de protección presentado.

Se conoce por el documento WO 98/51988 A1 un cuerpo compuesto como blindaje de protección que presenta una estructura multicapa. El cuerpo compuesto comprende al menos una primera capa y al menos una capa más dúctil o más tenaz a la rotura que están dispuestas alternando una sobre otra. La capa dura comprende un material cerámico que presenta fibras y eventualmente materiales de relleno dispersos en el mismo. Mediante la naturaleza, la forma y el contenido de fibras se puede ajustar la dureza o la ductilidad de esta capa. La capa más blanda se forma, por ejemplo, a base de fibras de carbono, lográndose el aumento de la ductilidad por medio de una cantidad mayor de fibras. Preferiblemente, se prevén varias capas duras y dúctiles dentro del cuerpo compuesto para absorber la energía cinética que se libera por medio del disparo.

Otro procedimiento para fabricar cuerpos de C/SiC con una estratificación de material de propiedades diferentes que debe utilizarse para producir discos de freno cerámicos se describe en el documento DE 198 05 868 A1. Se prensan aquí diferentes masas de prensado en un único proceso de prensado para obtener un cuerpo moldeado que presenta finalmente al menos dos capas de un material compuesto CMC que hacen transición de una a otra, especialmente de C/SiC, presentando las fibras en las dos capas diferentes revestimientos de protección, longitudes de fibra o proporciones cuantitativas. En particular, la tecnología de los cuerpos moldeados descritos consiste en que la capa exterior, la capa de fricción de un disco de freno, está constituida principal o completamente por carburo de silicio, ya que las fibras de la capa de fricción se consumen en gran medida o incluso completamente durante el proceso de silicificación.

Sin embargo, los materiales compuestos conocidos no presentan, referido al espesor deseado o al peso por unidad de superficie, una acción rompedora de proyectiles suficientemente alta.

Por tanto, la invención se basa en el problema de proporcionar un cuerpo compuesto cerámico que, junto con un reducido peso por unidad de superficie, presente, por un lado, una alta acción rompedora de proyectiles y, por otro lado, una aptitud multiimpacto. La fabricación del cuerpo compuesto deberá efectuarse en un procedimiento sencillo y barato, debiendo unirse eventualmente entre sí de forma indisoluble zonas o capas de material diferentes en un único paso del proceso. Deberán evitarse tensiones de deformación que se presentan durante la fabricación y el uso a consecuencia de coeficientes de dilatación térmica diferentes de las zonas. Por ejemplo, el coeficiente típico de dilatación de materiales duros cerámicos de SiC, SiSiC o C/SiC (con alto contenido de SiC) está en el intervalo de aproximadamente 2,5 a 5.10^{-6} K^{-1},
mientras que el coeficiente de dilatación típico de C/SiC reforzado con fibras cortas está en el intervalo de aproximadamente 0,5 a 3.10^{-6}K^{-1}. Con este procedimiento debe ser posible también la fabricación de estructuras complejas.

Según la invención, el problema se resuelve por el hecho de que se proporciona un cuerpo compuesto multizona, reforzado al menos en parte con fibras, con al menos dos zonas. La primera zona, que representa la zona rompedora de proyectiles, está formada por una cerámica monolítica que incluye principalmente carburo de silicio y eventualmente silicio y/o carbono y/o sus compuestos. La segunda zona está dispuesta en el lado de la primera zona que queda enfrente de la superficie rompedora de proyectiles, y está formada por una cerámica de C/SiC reforzada con fibras cortas, disminuyendo gradualmente la longitud de las fibras desde el lado exterior de la zona de cerámica reforzada con fibras en dirección a la primera zona. Características preferidas son objeto de las reivindicaciones subordinadas.

Asimismo, se indica según la invención un procedimiento para fabricar un cuerpo compuesto de esta clase, en el que la característica esencial consiste en que los cuerpos preformados de las zonas primera y segunda que contienen carbono son transformados por una silicificación líquida en la composición deseada y son unidos uno con otro de forma indisoluble mediante la formación de una fase de matriz común.

Debido a la silicificación conjunta de las respectivas zonas o capas empleadas se obtiene un cuerpo compuesto que presenta al menos dos zonas con propiedades mecánicas y termofísicas diferentes. Como tercera zona puede estar aplicada sobre la segunda zona una capa de, por ejemplo, un material reforzado con fibras largas. La función de esta tercera zona consiste especialmente en que se recogen las esquirlas que se produzcan en la primera y eventualmente en la segunda zona.

Un cuerpo compuesto de esta clase se utiliza de manera especialmente preferida como blindaje de protección, por ejemplo, en el sector de los vehículos, pero también como chaleco de protección. Las capas esenciales son la primera capa rompedora de proyectiles y la segunda capa apta para multiimpacto. Esta segunda zona puede detener proyectiles situados especialmente muy contiguos uno a otro. Esta segunda zona se caracteriza especialmente porque no se astilla como la cerámica monolítica convencional. Debido a la estructura de gradiente que se logra mediante la longitud de las fibras dentro de la segunda zona, es posible especialmente lograr un acomodo al coeficiente de dilatación de la primera capa adyacente. Este acomodo es de importancia esencial para el proceso de producción de la silicificación líquida, ya que aquí se presentan, debido al enfriamiento desde la temperatura de silicificación con coeficientes de dilatación no adaptados, unas tensiones internas considerables que pueden conducir a fisuras y reventamientos. Las fibras cortas de la segunda zona se presentan preferiblemente en forma de haces que se mantienen unidos por medio de compuestos que contienen carbono. En lo que sigue, bajo el término de fibras se han de entender siempre también haces de fibras.

La primera capa constituida por la cerámica monolítica se caracteriza especialmente por una alta dureza. Debido a la estructura según la invención con la primera y la segunda zona es posible que la primera capa no se fragmente después del impacto de una bala y conduzca a un fallo total de todo el cuerpo compuesto, sino que en todo caso se rasgue, ya que la segunda zona mantiene unida a esta primera capa. Debido a la infiltración líquida con silicio resulta posible que las zonas muy diferentes en cuanto a sus propiedades físicas sean unidas una con otra de manera suficientemente sólida para ello y que los cuerpos moldeados porosos que contienen carbono se transformen en medida diferente en SiC monolítico y SiC de matriz.

Según una forma de ejecución muy especialmente preferida, el cuerpo compuesto está constituido por varias zonas cerámicas reforzadas en parte con fibras, en particular preferiblemente por tres zonas. Es posible también prever varias secuencias de estas al menos dos zonas.

Debido a la constitución a base de al menos la primera y la segunda zona se obtiene desde el lado vuelto hacia el disparo hasta el lado alejado del disparo una transición gradual de las propiedades de los materiales esenciales para el comportamiento frente al disparo y del comportamiento térmico de tal manera que la dureza disminuye en favor de un aumento de la ductilidad y de la tenacidad frente a la rotura.

Se describen seguidamente las distintas zonas en forma detallada.

Primera zona

La acción rompedora de proyectiles de la primera zona se genera produciendo por medio de la silicificación conjunta durante el procedimiento de producción del cuerpo compuesto, llamada también cosilicificación, una cerámica casi monolítica y extremadamente dura que contiene principalmente carburo de silicio, así como pequeñas proporciones de silicio y carbono. Para esta zona se utilizan preferiblemente cuerpos preformados porosos que contienen carbono y que pueden contener eventualmente materiales de relleno o materiales duros adicionales. Tales cuerpos preformados que contienen carbono se transforman, debido a la infiltración líquida posteriormente realizada con silicio, en cerámicas con una elevada proporción de SiC. La proporción en masa de SiC en esta zona está típicamente en al menos un 50%.

Se prefieren contenidos de SiC de al menos un 65% y de manera especialmente preferida de al menos un 75%.

El espesor de la zona ceramizada (primera zona) puede estar en el intervalo de 1 a 100 mm, preferiblemente en el intervalo de 1 a 50 mm. Según una variante muy especialmente preferida, el espesor se encuentra en el intervalo de 2 a 15 mm o especialmente en 3 a 10 mm. Asimismo, se prefiere que el espesor de la primera zona represente aproximadamente 20 a 60% del espesor del cuerpo compuesto reforzado con fibras.

El cuerpo preformado de la primera zona que contiene carbono, preparado para la silicificación posterior, está formado preferiblemente por materiales de partida con alta proporción o volumen de carbono, siendo ventajosos un material de grafito y un fieltro de fibras de carbono compactado.

En otra ejecución de la invención se equipa la primera zona con junturas de alivio de tensiones. La formación de junturas de alivio de tensiones o puntos de rotura nominal se consigue según la invención porque el cuerpo preformado que contiene carbono está recorrido con una red regular o irregularmente dispuesta de surcos, fosos o fisuras con una profundidad en el intervalo de al menos 20-95%, preferiblemente 20-99% y en forma muy especialmente preferida 20 a 100% del espesor del cuerpo preformado y con una anchura de menos de aproximadamente 1 mm. Esto puede efectuarse de la manera usual, por ejemplo, mediante estampación, troquelado o fresado, de manera especialmente preferida antes de la silicificación.

Para la formación del cuerpo preformado que contiene carbono es posible emplear un tejido, género de punto, género tricotado o tela no tejida de fibras de carbono que se convierten del modo más completo posible en SiC por la silicificación realizada más tarde. El contenido de carbono de fieltro, tejido, género de punto, género tricotado y tela no tejida de fibras de carbono puede enriquecerse mediante una impregnación líquida con un material orgánico polimerizable de alto rendimiento pirolítico de carbono, especialmente brea y resina fenólica, pudiendo efectuarse la pirólisis del material orgánico antes o después de ensamblar las al menos dos zonas constitutivas de los cuerpos preformados.

El contenido de carburo de silicio puede incrementarse sometiendo a una impregnación posterior de los cuerpos de carbono presilicificados y parcialmente porosos, integralmente formados, por medio de precursores formadores de carburo de silicio y de su pirólisis.

La reactividad del cuerpo preformado que contiene carbono se ajusta de modo que, después de la silicificación, se obtenga a partir del mismo un alto contenido de carburo de silicio del cuerpo ceramizado, representando la proporción en masa de carburo de silicio preferiblemente al menos 50%, en particular preferiblemente al menos 65% y muy en particular preferiblemente al menos 75%, referido a la masa total del material de la primera zona.

Según una ejecución más preferida de esta invención, el cuerpo preformado poroso que contiene carbono para la primera zona puede contener materiales duros constituidos por los compuestos de los elementos N, B, Al, C, Si, Ti, Zr, W, especialmente TiC, TiS_{x}, TiB_{x}, WC, B_{4}C, SiC, BN, Si_{3}N_{4} y cerámicas de SiCBN. Se utilizan de manera especialmente preferida materiales a base de boruros, carburos, siliciuros o nitruros de los metales citados o mezclas de ellos. Tales materiales de relleno o materiales duros se ligan sólidamente durante la silicificación en la matriz que contiene principalmente carburo de silicio, silicio y carbono y/o sus compuestos. El término de matriz se emplea análogamente en lo que sigue aun cuando se presente solamente SiC en calidad de material duro.

Asimismo, es posible aplicar a esta zona un polvo metálico que, bajo un tratamiento a alta temperatura, se convierta en carburos, siliciuros o boruros. Se cuentan entre éstos especialmente boro, silicio y titanio. Para que el cuerpo compuesto resultante reforzado con fibras presente un pequeño peso específico, especialmente cuando se emplee como chaleco de protección, es ventajoso que tales materiales duros o metales y los compuestos resultantes de ellos presenten un pequeño peso específico y al mismo tiempo una alta dureza.

La proporción en masa de todos los materiales de relleno o metales anteriormente indicados es preferiblemente de 20 a 50% y muy en particular preferiblemente de 20 a 30%, referido a la masa de la mezcla de partida (antes de la silicificación) para la primera zona.

Segunda zona

La aptitud multiimpacto pretendida en el cuerpo compuesto según la invención se logra formando la segunda zona a base de una cerámica reforzada con fibras cortas, cuya matriz consiste principalmente en carburo de silicio, silicio y carbono, caracterizándose esta zona porque hace posible una transición gradual de la propiedad del material desde duro y quebradizo, como la que corresponde a la primera zona, hasta tenaz a la rotura o dúctil. Como ya se ha dicho al principio, esta transición gradual se logra mediante una estructura de gradiente con respecto a la longitud de las fibras en la cerámica reforzada con fibras, disminuyendo la longitud de las fibras en dirección a la superficie límite con la primera zona.

Un procedimiento del género expuesto para fabricar cerámicas de C/SiC reforzadas con fibras es conocido, por ejemplo, por la solicitud DE-A 197 10 105.

En el documento DE-A 198 56 597 y en el documento EP-A 0 994 084 se describe que la tenacidad a la rotura puede ser influenciada por la naturaleza del refuerzo de fibras y por una variación del contenido de fibras.

En contraposición al estado de la técnica indicado, en la invención se emplea como capa de cubierta rompedora de proyectiles una cerámica casi monolítica y ésta se une con una cerámica reforzada con fibras, efectuándose en la segunda zona la estructura de gradiente por medio de la variación de la longitud de las fibras.

Sorprendentemente, las decisivas propiedades termofísicas y mecánicas en la zona de transición entre la primera y la segunda capa vienen determinada por la distribución de las longitudes de las fibras.

Según la invención, en la segunda zona se utilizan preferiblemente fibras y haces de fibras que han sido protegidos por medio de un revestimiento de una o más capas que contiene carbono, proveniente de la pirólisis y/o la grafitización de impregnaciones con resina o con brea, frente a la silicificación. Por revestimiento que contiene carbono han de entenderse también carburos, ya que éstos son igualmente adecuados como capa de protección antes de la silicificación.

Según la invención, se varía gradualmente la longitud de las fibras dentro de la segunda zona de tal manera que aumente desde el lado del disparo, es decir, desde la primera zona, hasta la otra superficie de la zona. Se piensa aquí en las longitudes medias de las fibras. Típicamente, la longitud de las fibras en el lado (vuelto hacia la zona 1) es a lo sumo de aproximadamente 0,01 mm y aumenta continuamente o en escalones hasta el otro lado hasta alcanzar 50 mm. Preferiblemente, las fibras están distribuidas en fracciones cuya longitud media está en el intervalo 0,01 a 50 mm, preferiblemente de 0,01 a 20 mm y en particular preferiblemente de 0,1 a 10 mm. El gradiente de longitud de las fibras, como cociente entre la mayor y la menor longitud de las fibras, puede discurrir de manera uniforme o en escalones y típicamente es de 5 a 2000, preferiblemente de más de 5 y en particular preferiblemente de más de 10. Si se presentan haces de fibras, el gradiente de longitud de las fibras está acoplado típicamente con un gradiente de espesor de los haces de fibras, aumentado el espesor de los haces de fibras desde el lado vuelto hacia la primera zona hasta el lado alejado. El espesor medio de los haces de fibras (el diámetro en el caso de haces redondos) es típicamente, en un lado, de al menos aproximadamente 8 \mum, o de un diámetro de monofilamento, y, en el otro lado, de un máximo de 300 \mum. El cociente entre los haces de fibras más grueso y más fino puede discurrir uniformemente o bien en escalones y es típicamente de 10 a 630, preferiblemente de más de 20 y en particular preferiblemente de más de 30.

Según la invención, las fibras o haces de fibras preparados se transforman, mezclados con un aglutinante pirolizable, en una mezcla prensable. Para aumentar el contenido de carbono del cuerpo preformado de carbono poroso producido a partir de ellos se puede añadir también polvo de grafito o de carbón. Para ajustar la proporción de carbono se pueden añadir materiales cerámicos y/o formadores de cerámica en forma de polvo a la mezcla prensable.

Los materiales aditivos utilizables descritos para la primera capa pueden emplearse también en la segunda zona. Usualmente, la proporción en masa de estos materiales aditivos en la segunda zona es más baja que en la primera capa, preferiblemente en al menos alrededor de un 5%, referido a la masa de esta zona.

Zonas adicionales

Según la invención, es posible aplicar una zona adicional (tercera zona) o varias capas adicionales sobre la superficie descubierta de la segunda zona del cuerpo compuesto anteriormente descrito. Cuando se aplique una zona de esta clase, se prefiere especialmente que esta tercera zona presente la más alta ductilidad entre las tres zonas citadas. Preferiblemente, esta capa está constituida por una cerámica compuesta reforzada con fibras largas, cuya matriz consiste sustancialmente en SiC, Si y C.

El refuerzo con fibras largas está formado por fibras, tejido, tela no tejida o género tricotado revestidos una o varias veces, cuyas fibras están orientadas de preferencia principalmente dentro del plano perpendicular a la dirección del disparo. El revestimiento está formado preferiblemente por una capa de carbono monoestrato o multiestrato, proveniente de la pirólisis y/o la grafitización de impregnaciones de resina o de brea. Usualmente, la longitud media de las fibras es mayor que 50 mm, preferiblemente mayor que 100 mm y en particular preferiblemente mayor que 200 mm.

Esta tercera capa se silicifica preferiblemente en estado líquido conjuntamente con la primera y la segunda capas.

Respecto de las fibras de refuerzo utilizadas para las diferentes zonas discutidas anteriormente son imaginables sustancialmente todas las fibras oxídicas y no oxídicas resistentes a altas temperaturas. Se prefieren fibras de cerámica no oxídicas a base de uno de los elementos carbono, silicio, boro y/o nitrógeno y/o compuestos de al menos dos de estos elementos. Éstas se denominan seguidamente también "cerámicas de SiCBN". Se prefieren especialmente fibras oxidadas de poliacrilonitrilo, carbono o grafito.

Cuando el cuerpo compuesto está constituido por tres zonas, los espesores de las tres zonas están situados cada uno de ellos preferiblemente en el intervalo de 0,5 a 100 mm, en particular preferiblemente de 0,5 a 50 mm y muy en particular preferiblemente de 0,5 a 10 mm. Las distintas zonas no tienen que presentar el mismo espesor. Así, por ejemplo, en la fabricación de blindajes protectores con una elevada aptitud multiimpacto es deseable diseñar la segunda zona y, cuando esté presente una tercera zona, diseñar ésta también más gruesa que la primera zona. Sin embargo, si se requiere una elevada acción rompedora de proyectiles, se diseña en general la primera zona más gruesa que la segunda y eventualmente la tercera zona.

De manera especialmente preferida, la relación de espesores de las zonas 1 a 2, en el caso de una estructura de dos zonas, se encuentra en el intervalo de
1 : 2 a 2 : 1 y, en el caso de una estructura de tres zonas, en el intervalo de 1 : 2 : 2 a 2 : 1 : 1 para las zonas 1, 2 y 3. De manera especialmente preferida la relación de espesores de la zona 1 a la suma de los espesores de las zonas 2 y 3 está en el intervalo de
1 : 0,5 a 1 : 10.

Sin embargo, se prefiere especialmente ajustar cada vez a aproximadamente 1 la relación de los espesores de las tres capas.

A continuación, se describe la fabricación del cuerpo compuesto multizona descrito según la invención. En principio, las dos capas, o bien cuando se emplea una tercera capa, estas tres capas se colocan una encima de otra de modo que la primera capa en el cuerpo compuesto resultante esté situada arriba y quede vuelta hacia un disparo. Sobre la otra superficie de esta primera capa alejada del disparo se aplica la segunda capa. Cuando se emplea una tercera capa, se aplica esta tercera capa sobre la superficie descubierta de la segunda capa. Después de colocar las dos o más capas una sobre otra se efectúa una fijación mecánica de este conjunto. La verdadera unión sólida o indisoluble entre las capas se forma por la reacción de infiltración y de silicificación. Por tanto, en contraste con el estado de la técnica, ya no es necesario realizar en cada caso un pegado adicional de las capas adyacentes una a otra, de modo que la fabricación del cuerpo compuesto según la invención resulta netamente más sencilla y más económica que la que era posible en el estado de la técnica. De esta manera, es especialmente posible realizar el procedimiento dentro de un tiempo más corto y, por tanto, también en forma más barata. Se pueden materializar también de manera sencilla geometrías curvas o complejas. Esto es una clara ventaja económica.

En otra ejecución ventajosa de la invención se moldea primero el cuerpo preformado previsto para las zonas exteriores y se aplica sobre este cuerpo preformado el material correspondiente a la otra zona o a las zonas adicionales en forma de polvo, granulado o de tela no tejida. La unión del material se efectúa a continuación mediante un proceso de prensado o de autoclave. Ventajosamente, el material correspondiente a las zonas adicionales en forma de polvo o granulada contiene para ello aglutinantes pirolizables y endurecibles durante el proceso de prensado.

En otra ejecución de la invención los cuerpos preformados porosos que contienen carbono, correspondientes a las distintas zonas o combinaciones de zonas, pueden ser pegados con un pegamento pirolizable. Son adecuadas para esto las resinas orgánicas, especialmente a base de resina fenólica. Ventajosamente, se pueden mezclar con el pegamento de la respectiva zona materiales aditivos afines, como polvo de material duro, polvo de carbono o fibras.

Debido a esta técnica de fabricación, la transición de la composición entre las zonas tiene lugar de forma no brusca, sino continua, con lo que puede conseguirse una unión de alta resistencia mecánica y especialmente de tensión interna reducida.

Según la invención, la infiltración del cuerpo poroso integral constituido por al menos dos cuerpos preformados se realiza de modo que se aplica silicio en forma de polvo, montones o cuerpos donantes de Si conformados sobre parte o sobre una gran superficie de al menos un lado y se calienta en vacío hasta una temperatura por encima del punto de fusión del silicio. Preferiblemente, la infiltración se efectúa a una temperatura de 1600 a 1800ºC.

La silicificación conjunta anteriormente descrita se realiza según la invención en cualquier caso para unir la primera y la segunda zonas una con otra. Sin embargo, es posible también aplicar la tercera zona, antes de la silicificación, sobre el conjunto formado por la primera y la segunda zonas y realizar la silicificación conjunta con las tres zonas resultantes. Además, es posible también realizar un silicificación conjunta de las zonas primera y segunda y unir luego la tercera zona o las zonas adicionales con el conjunto resultante mediante el empleo de un material adhesivo adecuado, de modo que resulte de ello un cuerpo compuesto de al menos tres capas.

El cuerpo compuesto anteriormente descrito puede utilizarse especialmente como blindaje de protección. En principio, el cuerpo compuesto es adecuado para realizar una absorción sustancial de cualquier carga puntual a manera de impacto y, por tanto, puede utilizarse de las más diferentes maneras para la técnica de protección. Interesante en el aspecto técnico es especialmente el empleo de los cuerpos compuestos en forma de placas de blindaje, por ejemplo para vehículos de motor, especialmente automóviles. En la técnica de los automóviles se pueden fabricar partes de la carrocería o refuerzos de la misma con geometría compleja a partir de estos materiales. Lo mismo se aplica también para la producción de blindajes de aviones, misiles, satélites o bien trenes. Una ventaja especial en el empleo del cuerpo compuesto descrito según la invención reside en que éste, por un lado, es más ligero que los blindajes de protección convencionales de metal y en que puede evitarse especialmente una fragmentación completa del cuerpo compuesto.

Por supuesto, es posible también equipar barcos con los cuerpos compuestos descritos para protegerlos contra disparos. El espesor del cuerpo compuesto como un todo puede diseñarse también más fino cuando el cuerpo compuesto deba ser empleado, por ejemplo, como protección contra metralla, especialmente como protección frente a metrallas de granadas. Por último, no debe dejar de mencionarse que el cuerpo compuesto descrito según la invención abarca también la protección en el ámbito civil, por ejemplo en forma de un suplemento para chalecos de protección o vestimenta de otra clase que sea llevada en el cuerpo humano.

El cuerpo compuesto descrito según la invención se caracteriza porque la estructura de cuerpo sólido se conserva muchísimo tiempo durante la acción de la energía. La energía actuante se transforma dentro del material.

Por tanto, se proporciona en conjunto según la invención un cuerpo compuesto que, por un lado, puede fabricarse de manera sencilla y barata y, por otro lado, presenta una elevada aptitud multiimpacto y, no obstante, una alta acción rompedora de proyectiles.

Se explica seguidamente la invención en forma detallada haciendo referencia a los ejemplos de ejecución.

Ejemplo 1

Para la fabricación de un blindaje de protección balística según la invención se procede de la manera siguiente:

En primer lugar, se produce la segunda capa anteriormente descrita del cuerpo compuesto. A este fin, se prensaron cuatro mezclas prensables a base de fibras y haces de fibras revestidos con material de carbono y de un aglutinante pirolizable, que se diferencian respecto de la distribución de las longitudes de las fibras. Se utilizan cuatro fracciones de fibras con una longitud máxima de 0,5 mm, 1 mm, 2 mm y 4 mm, respectivamente. Las fracciones se cargan sucesivamente en una molde de prensado, se prensan formando una placa de aproximadamente 4 mm de espesor y se endurecen a una temperatura en el intervalo de 80 a 190ºC y durante un período de tiempo de 30 minutos a 5 horas, de modo que se obtiene un gradiente de longitud de las fibras en todo el espesor de la placa.

Después de la transformación térmica del aglutinante en carbono se aplica sobre esta placa, en el lado con la menor longitud de fibras, una capa de 2, 3 mm de espesor a base de grafito compactado (primera capa) mediante el empleo de una mezcla de polvo de grafito/resina polímera en calidad de material adhesivo.

Este conjunto se infiltra seguidamente con silicio líquido en el horno a una temperatura de 1450 a 1850ºC y se convierte parcialmente en SiC. Para la producción de una tercera capa se silicifica una placa homogénea a base de CFC reforzada con fibras largas (carbono reforzado con fibras de carbono) con un espesor de 3 mm, tal como se ha descrito anteriormente, y se obtiene así una densidad de aproximadamente 1,7 g/cm^{3}.

Esta placa se pega seguidamente sobre el lado posterior de la segunda zona del conjunto anteriormente fabricado mediante el empleo de poliuretano en calidad de material adhesivo.

Ejemplo 2

En consonancia con la forma de proceder del ejemplo 1, se produce un conjunto de tres zonas. La placa que deberá emplearse para la primera capa está atravesada en este ejemplo con estrías que están dispuestas en forma de red. La profundidad de las estrías es de 2 mm y la anchura es de 1 mm.

Ejemplo 3

Para otra ejecución preferida de un blindaje de protección balística según la invención en forma de placa se procede la manera siguiente:

En primer lugar, como se ha descrito en el ejemplo 1, se fabricó la segunda capa del cuerpo compuesto. A este fin, se produjeron cuatro mezclas prensables de fibras y haces de fibras revestidos con material de carbono y de un aglutinante pirolizable, que se diferencian respecto de la distribución de las longitudes de fibras. Se utilizan cuatro fracciones con distribuciones de la longitud de menos de 0,5 mm, menos de 1 mm, menos de 2 mm y menos de 4 mm. Las fracciones se cargan sucesivamente en un molde de prensado, se prensan formando una placa de aproximadamente 4 mm de espesor y se endurecen térmicamente a una temperatura de 150ºC durante un período de tiempo de 3 h, con lo que se obtiene un gradiente de longitud de las fibras en todo el espesor de la placa. Después de la conversión térmica del aglutinante en carbono se pega sobre el lado delantero de la placa, que presenta la menor longitud de las fibras, una capa de aproximadamente 2,3 mm de espesor a base de grafito compactado. Sobre la superficie descubierta de esta zona se aplica una tercera capa de material de carbono reforzado con fibras largas con un espesor de 3 mm. Este cuerpo compuesto completo se une de manera inseparable consigo mismo en una cosilicificación, tal como anteriormente se ha descrito, con lo que se forma una matriz de SiC, Si y C. El espesor total del conjunto es de aproximadamente 10 mm.

Ejemplo 4

En este ejemplo se fabrica un cuerpo compuesto como en el ejemplo 3. Sin embargo, se introduce adicionalmente en el grafito de la primera capa, antes del proceso de prensado de compactación, el material duro B_{4}C en una proporción en masa de 30%, referido a la masa del grafito empleado como material de partida, en forma de polvo (tamaño de partículas
d_{50}< 50 \mum).

Claims (29)

1. Cuerpo compuesto reforzado al menos en parte con fibras, que comprende una matriz que contiene principalmente carburo de silicio, silicio y carbono y que se forma mediante una silicificación de material que contiene carbono, constituido por una primera zona cerámica que está formada principalmente a base de carburo de silicio, silicio y carbono, y una segunda zona a base de cerámica compuesta reforzada con fibras cortas que está dispuesta sobre uno de los lados de la primera zona, caracterizado porque la longitud de las fibras o la longitud de las fibras junto con el espesor de los haces de fibras en la segunda zona aumenta gradualmente desde el lado vuelto hacia la primera zona hacia el lado alejado.

2. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1, caracterizado porque presenta una tercera zona con cerámica compuesta reforzada con fibras largas, con una matriz que contiene principalmente carburo de silicio, silicio y carbono y/o sus compuestos y que está dispuesta sobre la superficie descubierta de la segunda zona.

3. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la longitud de las fibras cortas de la segunda zona está en el intervalo comprendido entre 0,01 y 50 mm.

4. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la longitud de las fibras cortas de la segunda zona está en el intervalo comprendido entre 0,01 y 20 mm.

5. Cuerpo compuesto según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el gradiente de longitud de las fibras de la segunda zona, como cociente entre la mayor y la menor longitud de las fibras, es de más de 20.

6. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1, caracterizado porque el espesor de los haces de fibras de la segunda zona está en el intervalo comprendido entre 8 \mum y 3000 \mum.

7. Cuerpo compuesto según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las fibras de refuerzo de las zonas segunda y/o tercera están formadas por fibras de alta resistencia en caliente a base de carbono, silicio, boro, nitrógeno, wolframio, aluminio o sus compuestos.

8. Cuerpo compuesto según la reivindicación 7, caracterizado porque las fibras de refuerzo presentan un revestimiento de carbono, grafito o carburos.

9. Cuerpo compuesto según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la segunda zona contiene materiales de relleno a base de siliciuros, carburos, boruros, nitruros, metales y/o mezclas de éstos.

10. Cuerpo compuesto según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la proporción en masa del material de relleno en la segunda zona constituye hasta aproximadamente un 50%, referido a la masa de la mezcla de partida para la segunda zona.

11. Cuerpo compuesto según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera zona está constituida por una cerámica compuesta con una proporción de SiC superior a un 50% en peso, la cual se ha formado mediante una primera infiltración líquida de silicio en un cuerpo preformado que contiene carbono.

12. Cuerpo compuesto según la reivindicación 11, caracterizado porque el cuerpo preformado que contiene carbono está constituido principalmente por fieltro de carbono, grafito, material a base de grafito y/o carbón.

13. Cuerpo compuesto según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera zona contiene materiales de relleno del grupo que comprende N, B, Al, C, Si, Ti, Zr, W, elementales o en combinación, en particular TiC, TiSi_{x}, TiB_{x},TiC, WC, B_{4}C, SiC, BN, Si_{3}N_{4} y cerámicas de SiCBN, en proporciones en masa comprendidas entre 2 y 50%.

14. Cuerpo compuesto según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque la relación de los espesores de la primera y la segunda zonas o de la primera, la segunda y la tercera zonas esta en el intervalo de 1 : 2 a 2 : 1 o bien de 1 : 2 : 2 a 2 : 1 : 1, respectivamente.

15. Cuerpo compuesto según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque el espesor de la primera y la segunda zonas está en el intervalo de 1 a 100 mm.

16. Cuerpo compuesto según la reivindicación 2, caracterizado porque el refuerzo con fibras largas está formado por fibras, tejidos, telas no tejidas o géneros tricotados revestidos en una sola capa o en múltiples capas, cuya fibras están orientadas principalmente en el interior del plano perpendicular a la estructura de las capas.

17. Cuerpo compuesto según la reivindicación 2 ó 16, caracterizado porque la longitud media de las fibras de la tercera zona es superior a 50 mm.

18. Cuerpo compuesto según una de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque la primera zona presenta junturas de alivio de tensiones.

19. Procedimiento para la fabricación de un cuerpo compuesto reforzado con fibras según una de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado por la preparación de cuerpos preformados porosos que contienen carbono para la primera y la segunda zonas, la superposición de los cuerpos preformados de la primera y la segunda zonas, la fijación mecánica del conjunto resultante y la infiltración conjunta ulterior de la primera y la segunda zonas con silicio líquido y la realización de la silicificación de la manera usual.

20. Procedimiento según la reivindicación 19, caracterizado porque antes de la infiltración se aplican sobre el conjunto y se fijan mecánicamente un tercero y eventualmente otros cuerpos preformados porosos que contienen carbono, y porque seguidamente tienen lugar una infiltración conjunta de todas las zonas con silicio líquido y la silicificación.

21. Procedimiento según la reivindicación 20, caracterizado porque se fabrica un conjunto a partir de la primera y la segunda zonas, que se infiltra seguidamente con silicio líquido y se silicifica, y porque a continuación se aplica y se pega, además, al conjunto un material para una tercera zona.

22. Procedimiento según una de las reivindicaciones 19 a 21, caracterizado porque la fijación mecánica se efectúa por medio de un pegamento pirolizable.

23. Procedimiento según una de las reivindicaciones 19 a 22, caracterizado porque, para la infiltración y la silicificación, se aplica el silicio sobre al menos una superficie exterior del conjunto en forma de polvo y se le calienta a una temperatura superior al punto de fusión del silicio.

24. Uso de un cuerpo compuesto reforzado con fibras según una de las reivindicaciones 1 a 18 para la absorción parcial o completa de al menos una carga puntual del tipo de impacto.

25. Uso según la reivindicación 24 para blindaje.

26. Uso según la reivindicación 24 ó 25 como componente estructural.

27. Uso según una de las reivindicaciones 24 a 26 para blindaje en la construcción de vehículos y en la construcción aeronáutica.

28. Uso según una de las reivindicaciones 24 a 27 para el blindaje de tanques, aviones, helicópteros, barcos, vehículos ferroviarios, edificios y cajas fuertes.

29. Uso según una de las reivindicaciones 24 a 26 en chalecos de protección.