O teste balístico é uma condição dinâmica usando um projétil, cujo impacto introduz um pulso de energia no material que então viaja para a face livre oposta. Os sistemas de proteção balística modernos geralmente incorporam materiais cerâmicos para impedir o projétil e podem ser colados a uma placa de apoio.

A diferença de impedância entre a cerâmica e o adesivo afeta a quantidade de energia refletida da face sem a cerâmica. Um adesivo de baixa rigidez tem uma impedância muito menor do que a cerâmica e resultará em mais energia sendo refletida de volta na cerâmica durante o estágio inicial do evento balístico, resultando em mais danos à cerâmica. 

Assim, há vantagens em se utilizar um adesivo mais rígido que consiga transmitir maiores quantidades de energia para longe da cerâmica e que também proporciona maior sustentação à cerâmica durante o impacto. Usar um adesivo rígido, como epóxi, significa que a energia transmitida à camada adesiva é tipicamente dez vezes maior do que quando se usa um material de menor rigidez, como o poliuretano. 

No entanto, para que o sistema de proteção funcione, a cerâmica deve permanecer ligada à placa de apoio e isso tem sido um problema com os adesivos mais rígidos. Além disso, há pouca pesquisa para orientar melhorias na adesão de cerâmicas a polímeros. Como resultados dos testes, quatro painéis compostos de alumina foram testados no total. Cada painel foi disparado uma única vez usando um projétil de 14,5 mm.

Os painéis tratados com laser demonstraram maior resistência aos danos do impacto. Os únicos ladrilhos que foram destacados foram aqueles imediatamente ao redor do local do impacto. A área danificada não era muito maior do que o buraco na camada composta frontal. As partes restantes no painel ainda estavam presas ao suporte e o painel ainda estava rígido. Ou seja, resistiram ao impacto. Os autores verificaram também que o material de suporte havia falhado e deixado fibras dentro da camada adesiva. Isso demonstra que a interface entre a cerâmica e a camada adesiva foi mais forte e mais resistente ao choque por impacto do que as outras interfaces.

Já para os painéis de carbeto de silício, três painéis foram testados Cada painel foi testado quatro vezes. Após o primeiro disparo, os disparos subsequentes estavam a um espaçamento de aproximadamente 100 mm do tiro anterior. Observou-se que o terceiro e quarto impacto nos painéis de controle tiveram menores áreas de danos na parte frontal do painel. Os autores afirmam que a bala não transmitiu tanta energia na superfície imediata da cerâmica e isso pode ser resultado de um tempo de permanência reduzido da bala. 

O quarto impacto penetrou completamente no painel. Em comparação, o painel processado a laser demonstrou pouca mudança no dano observado na frente dos painéis. Ao contrário dos outros testes, o quarto projétil também foi parado dentro do painel. Como resultado, os desempenhos balísticos dos painéis de controle, reaquecidos e tratados com laser foram comparados para entender as diferenças nos danos sofridos. Após o teste, os autores realizaram uma avaliação qualitativa da área danificada e do local de falha da ligação adesiva.

Os painéis feitos das amostras de controle de alumina e carbeto de silício exibiram o maior grau de dano após o teste. Todos os painéis de alumina foram destacados da camada compósita/adesiva. Além disso, a diminuição da rigidez do painel também foi observada após cada impacto. O painel de carboneto de silício reaquecido mostrou pouca melhora em comparação com o controle. 

Os painéis tratados com laser demonstraram a maior resistência aos danos dos impactos. O painel de alumina sofreu danos apenas no local do impacto e observou-se que era apenas ligeiramente maior do que o buraco causado pelo impacto da bala. O painel de carboneto de silício parou todas as quatro balas e permaneceu rígido durante todo o teste.

Embora os autores afirmem que seja necessário mais testes para confirmar a aplicabilidade geral desta pesquisa, eles indicam que os tratamentos a laser podem oferecer rotas comercialmente viáveis para melhorar a resistência da união adesiva e, portanto, o desempenho balístico da armadura de cerâmica com suporte de um material compósito. 

Pesquisas referentes à proteção balística são de extrema importância na área da engenharia, tendo um impacto na segurança social e nos campos militares. A engenharia de materiais está muito presente neste ramo que tende a receber cada vez mais atenção das indústrias.

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).