EFEITO DA UMIDADE SOBRE O COMPORTAMENTO BALÍSTICO DE UM COMPÓSITO ELASTÔMERO/ARAMIDA
A.Dias Júnior, G.C. de Queiroz
Grupo de Materiais, Divisão de Pesquisa, Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento, Centro Tecnológico do Exército, Av. das Américas, 28705 – Guaratiba – 23020-470, Rio de Janeiro,
RJ, Brasil
J.E.L da Silva Junior, J.R.M.d’Almeida
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rua Marquês de São Vicente, 225 – Gávea – 22453-900, Rio de Janeiro, RJ
Brasil.
Resumo: As blindagens modernas para carros de combate são compósitos laminados,
formados de lâminas superpostas de diversos materiais. As configurações mais avançadas são formadas pela combinação de uma camada externa de cerâmica, suportada por uma chapa de aço, atrás da qual é colocada uma camada de base elastomérica reforçada por fibras aramidas, que tem por finalidade reter estilhaços. Esta camada pode deixar de atuar como uma proteção balística devido ao efeito nocivo que a umidade, entre outros agentes, causa sobre as fibras aramidas. Neste trabalho é analisado o comportamento balístico e à tração da camada de base elastomérica reforçada por fibras aramidas em função do teor de umidade. A cinética de absorção de água foi determinada empregando-se o modelo de difusão de Fick. Os resultados experimentais mostram que a absorção de água ocorre muito rapidamente e que a resistência à tração é reduzida. O desempenho balístico do material, entretanto, permaneceu inalterado.
Palavras-chave: Compósito, blindagem, comportamento mecânico, absorção de umidade
1. Introdução
O desenvolvimento de novos materiais para proteção balística representa um desafio contínuo para os exércitos em todo o mundo. As blindagens devem oferecer proteção contra projetis e estilhaços mas, ao mesmo tempo, devem permitir mobilidade aos carros de combate, ou no caso de blindagens leves individuais, mobilidade para o combatente.
As blindagens modernas para carros de combate são, na realidade, materiais compósitos laminados, compostos de lâminas superpostas de diversos materiais. Nas configurações mais usadas nos países desenvolvidos tem-se, externamente, uma camada
cerâmica, suportada por uma chapa de aço, que visa diminuir o poder perfurante do projetil e também reduzir a sua massa[1,2]. Os estilhaços oriundos do choque do projetil com esta camada cerâmica externa devem ser amortecidos antes que ocorra penetração total do projetil no interior do carro. Com esta finalidade coloca-se na blindagem, na parte posterior em relação ao impacto, uma camada de base elastomérica reforçada por fibras aramidas.
As fibras aramidas apresentam alta resistência ao impacto balístico[3-5], porém são sujeitas ao envelhecimento devido ao efeito de diversos agentes externos, tais como radiação ultravioleta e absorção de umidade ou de fluidos de aviação[6-8], bem como pode sofrer biodeterioração[9]. Na configuração das blindagens o efeito da radiação ultravioleta pode ser negligenciado, porém a umidade pode acarretar algum perigo para a estrutura.
Assim sendo, neste trabalho é avaliado o efeito da umidade sobre o comportamento balístico e sobre as propriedades mecânicas à tração da camada de base elastomérica reforçada por fibras aramidas usada na blindagem de carros de combate. Determinou-se, ainda, a cinética de absorção de água deste material empregando-se o modelo de Fick.
2. Material e métodos experimentais
O material usado foi uma placa, com 9 mm de espessura, formada por 18 camadas de tecido de fibra aramida unidas a uma base elastomérica. Conforme mostrado na Figura 1, é importante ressaltar que apenas uma das faces do material é recoberta pela base de elastômero e que a outra face, consequentemente, deixa exposta a última camada do tecido balístico. Na blindagem esta camada tem como função reter estilhaços de uma possível fragmentação das camadas mais externas. Porém, quando usada isoladamente deve resistir a impactos balísticos de armas de calibre 9 mm.
A partir desta placa foram usinados corpos- de- prova para os ensaios balístico e de tração, usando-se uma serra de fita com lâmina contínua. Este procedimento forneceu um bom acabamento superficial, com pouco desfiamento do tecido de aramida. Foi necessário, entretanto, um acabamento final das laterais dos corpos- de- prova empregando-se lixa d’água 400. Os corpos- de- prova usados para o ensaio de tração foram do tipo retangulares, sem redução de área no comprimento útil, e foram usinados com 250 mm de comprimento e 30 mm de largura. Para o ensaio balístico empregou-se corpos- de- prova quadrados com 150 x 150 mm de área.
O envelhecimento do material consistiu em fazer a sua imersão em água destilada por um período pré-determinado de tempo. Este período foi determinado em função dos dados obtidos da curva de absorção d’água, determinada experimentalmente de acordo com a norma ASTM D 570. Antes de serem colocados em imersão os corpos de prova foram secos em estufa, na temperatura de 55 ± 4 o
C, até atingirem peso constante.
Os ensaios de tração foram feitos à temperatura ambiente em uma máquina de ensaio de acionamento hidráulico com 100 ton. de capacidade. Foi empregada uma velocidade de ensaio média de 180 mm/mim e foram ensaiados 3 corpos de prova com o material na condição de como recebido e após envelhecimento em água destilada.
Os ensaios balísticos foram realizados no campo de Provas da Marambaia, subordinado ao Centro Tecnológico do Exército, CTEx. Conforme mostrado na Figura 2 a linha de tiro é composta por um provete, onde é fixado o armamento, uma barreira óptica, que permite a medida do tempo que o projetil leva para percorrer um certo espaço, e do alvo onde é posicionado o corpo de prova. Nos ensaios realizados os disparos foram feitos a uma distância de 10 m, conforme recomendado pela norma NIJ STD – 0108.01. Os corpos de prova foram engastados, a fim de que a condição de ensaio fosse a mais severa possível[10], e usou-se uma munição 9 mm Parabellum Full Metal Jack, fabricada pela CBC , com projétil de 124 grains de massa. A munição escolhida tinha duas faixas de velocidade do projetil, a saber: 332 a 347 m/s (subsônica) e 426 a 441 m/s (supersônica). Os ensaios balísticos, do mesmo modo que o ensaio de tração, foram feitos com o material na condição de como recebido e após envelhecimento em água destilada.
3. Resultados experimentais e discussão
Na Figura 3 está mostrada uma típica curva de absorção obtida. Pode-se observar que o processo de absorção de água neste material é muito rápido. Este comportamento pode ser
atribuído ao fato do tecido de aramida estar exposto em um dos lados do material. Assim, além da absorção de água pelas fibras, existe o encharcamento do tecido, o que contribui para
Figura 2- Disposição dos equipamentos e do corpo de prova para o ensaio balístico.
o rápido ganho de peso observado inicialmente. Pode-se ver pela figura que após apenas 10 min. de imersão existe um ganho percentual de massa de cerca de 18%. Após este encharque inicial o processo de absorção é mais lento, apresentando um perfil mais comum aos processos governados pela lei de Fick. Estes dados experimentais foram modelados usando-se a equação[11] M M h Dt % tanh ∞ = 4 π (1)
onde M% é a massa absorvida em um tempo t, M∞ é o valor de saturação, h é a espessura da
amostra e D é o coeficiente de difusão. Os valores médios obtidos estão listados na Tabela I, onde r é o coeficiente de correlação. Uma curva teórica ajustada aos pontos experimentais está, também, mostrada na Figura 3.
Os resultados obtidos indicam que o processo de absorção apresenta um desvio do comportamento fickiano, denominado desvio do tipo I, que ocorre na transição do estágio inicial da curva para o estágio de equilíbrio[12,13]. Tal desvio tem sido atribuído ao fato das moléculas de água absorvidas em um polímero estarem em duas fases distintas[14]. Uma fase
estaria ligada à estrutura molecular do polímero e a outra fase estaria na forma de moléculas livres, não ligadas[14]. O resultado experimental obtido está, assim, de acordo com a constatação que há um encharcamento do tecido de aramida e ao fato que as aramidas possuem uma estrutura de poros que facilita a absorção de água[15].
Figura 3- Curvas experimental e teórica de absorção de água para o compósito elastômero/aramida.
Tabela I – Parâmetros de difusão do material balístico.
D (mm2 .s-1) M∞(%) r
15,8 ± 5,1 28,7 ± 1,6 0,88
O coeficiente de difusão obtido deve ser encarado apenas como um valor de taxa de encharcamento do tecido e não a absorção de água pelas fibras. De fato, devido ao encharcamento do tecido e a penetração de água por toda a estrutura, evitando que existisse
um fluxo unidirecional, as condições de contorno para obtenção do valor real do coeficiente de difusão não foram obedecidas[12].
Os resultados obtidos para o ensaio de tração estão mostrados na Tabela II. Pode-se observar que houve uma queda da resistência à tração devido à absorção de água. Este resultado é devido ao efeito plastificante que a água promove nas fibras aramidas, penetrando entre as cadeias macromoleculares pela estrutura de poros existentes nessas fibras e provocando trincas internamente as mesmas[6,15]. Este efeito altera, também, sensivelmente as propriedades balísticas de tecidos de aramida[8], bem como as propriedades mecânicas de compósitos aramida/matriz polimérica[6,16-18].
Tabela II – Variação da tensão de ruptura devido ao envelhecimento por absorção de água.
Material σ (MPa)
Como recebido 366,3 ± 51,4
Envelhecido 241,3 ± 7,8
O comportamento do material em relação ao ensaio balístico pode ser observado na Figura 4. Para todos os ensaios realizados não houve perfuração da placa, mesmo para as placas envelhecidas. Os projetis ficaram engastados nas placas e deformados plasticamente. Este resultado, que é diferente do obtido para tecidos de aramida não emborrachados[8], é importante pois indica que o emborrachamento diminui o efeito da umidade sobre o comportamento balístico do material embora a quantidade de água absorvida seja elevada, conforme os dados mostrados na Tabela I. As camadas de elastômero atuaram no sentido de evitar que as mechas de fibras aramidas fossem abertas, devido ao efeito lubrificante da água[3]. Assim, embora o resistência à tração do material tenha sido reduzida, conforme mostrado na Tabela II, esta perda de propriedades foi minimizada no impacto balístico. Do ponto de vista prático este resultado foi considerado fundamental para o emprego deste material em uma blindagem compósita, pois nas blindagens o efeito da água será menor do que nos ensaios realizados, já que não se espera contato direto do material com a água, mas apenas com umidade ambiente.
4. Conclusões
• A absorção de água pelo compósito elastômero/aramida pode ser qualitativamente descrita pelo modelo de Fick. Os dados experimentais indicam a existência de um desvio do tipo I, que está associado a presença de água em duas fases dentro do material;
• A resistência à tração foi reduzida devido a absorção de água e este efeito foi atribuído a plastificação das fibras aramidas;
• A resistência ao impacto balístico permaneceu inalterada, devido a restrição que as camadas de elastômero exercem sobre as fibras aramidas, diminuindo o efeito lubrificante da água.
Figura 4- Aspecto da placa após impacto balístico. Os projetis ficaram engastados e não houve perfuração das placas.
Agradecimentos: os autores agradecem ao Exército Brasileiro pelo apoio a esta pesquisa.
Referências
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Abstract: The modern armors for armored-vehicle are laminate composites, fabricated with
alternating layers of different engineering materials. The designs with the best performances are produced combining an outer ceramic layer, supported by a steel layer, and with an aramid fiber-reinforced elastomeric layer as the rear layer. This last material is designed against fragments. The effectiveness of the ballistic protection given by the aramid-reinforced elastomeric layer can be affected due to aging of the aramid fibers, among other variables. In this work, the ballistic behavior and the tensile behavior of the aramid-reinforced elastomeric layer is analyzed as a function of water uptake. The water absorption behavior was modeled using the Fick model. The experimental results show that a very fast water uptake occurs, and that the tensile strength is reduced. Nevertheless, the ballistic behavior was not affected.
