Os materiais cerâmicos para uso como blindagem balística devem ser suficientemente rígidos para fragmentar o projétil (bala) e reduzir sua velocidade, transformando em pequenos fragmentos que devem ser retidos pela camada de material flexível que suporta a cerâmica.
Assim, é necessário que o material cerâmico apresente um alto módulo de elasticidade e alta dureza. Além disso, a tenacidade à fratura também é um requisito muito importante para esta aplicação.
Os principais materiais cerâmicos utilizados comercialmente no desenvolvimento de armaduras balísticas são Al2O3 (alumina), B4C (carbeto de boro), SiC (carbeto de silício) e compósitos de matriz cerâmica (CMCs - ceramic matrix composites).
Em contramão, o alto custo, impedimentos de processamento e restrições para prever o desempenho balístico a partir das propriedades do material são algumas desvantagens das armaduras de cerâmica.
A alumina apresenta a melhor relação custo-benefício entre as cerâmicas avançadas, apresentando alto módulo de elasticidade, alta refratariedade, alta dureza e custo relativamente baixo. No entanto, devido à sua baixa tenacidade à fratura e baixa resistência à flexão, o desempenho balístico da alumina é inferior quando comparado ao SiC e B4C.
Um sistema de blindagem balística consiste em várias camadas. A primeira camada geralmente é formada por materiais cerâmicos cuja função é amortecer o impacto inicial do projétil. Essa camada deve fraturar a ponta do projétil dissipando grande parte da energia cinética da massa do fragmento do projétil e melhorar a distribuição da pressão de impacto na segunda camada.
A segunda camada, também chamada de suporte, é formada por materiais dúcteis, geralmente metálicos. Sua função é absorver a energia cinética dos fragmentos derivados do projétil residual e da cerâmica por deformação plástica.
O projeto de uma blindagem utilizando materiais cerâmicos deve considerar que a fratura deste material está associada a cargas instantâneas em impactos balísticos, que são bem diferentes daquelas associadas a cargas estáticas.
Não é possível garantir uma correlação efetiva entre o desempenho balístico e uma única característica ou propriedade do material, devido à natureza dinâmica do evento ocorrendo em intervalos de tempo que variam de nano a microssegundos. Assim, testes balísticos sob certas condições são sempre necessários para determinar a eficácia dos sistemas de proteção.
O desenvolvimento da cerâmica balística requer uma avaliação criteriosa das propriedades físicas e mecânicas do material, a fim de se obter placas balísticas com desempenho adequado ao nível de proteção exigido.
O objetivo do trabalho realizado pelos autores foi de caracterizar placas balísticas à base de alumina e avaliar seu desempenho em situações onde altos níveis de energia cinética são requeridos.
Três composições de alumina foram usadas neste estudo: com 92%, 96% e 99% em peso de alumina. As composições foram caracterizadas por medições de dureza Vickers e resistência à flexão em quatro pontos.
De acordo com os resultados obtidos pelos autores, as composições 92% e 99% em peso de alumina apresentaram resultados comparáveis entre si, maior dureza Vickers e maior resistência à flexão do que a composição de 96% em peso de alumina. No entanto, a composição de 92% foi selecionada para testes balísticos devido à sua menor porosidade.
Os autores determinaram que, ao utilizar placas de alumina com 12 mm de espessura submetidas a um procedimento baseado na norma NIJ-0108.01 (Ballistic Resistant Protective Materials - Law Enforcement Standards Laboratory of the National Bureau of Standards), os fragmentos do projétil não penetraram ou causaram deformação em nenhum dos suportes (placas metálicas) de cinco placas testadas no total.
Com esse resultado, os autores concluíram que todas as placas testadas foram aprovadas nos testes balísticos.
Figura 1: Resultados dos disparos efetuados nas placas balísticas elaboradas a partir da composição 92% em peso de alumina: (a) vista frontal antes do impacto, (b) vista frontal após o impacto do projétil e (c) detalhe do impacto local do projétil na superfície da alumina após a remoção dos fragmentos. Fonte: (Silva et al. 2014).
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