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Anais do 45º Congresso Brasileiro de Cerâmica 0901101 30 de maio a 2 de junho de 2001 - Florianópolis – SC.
DESENVOLVIMENTO DE CERÂMICA AVANÇADA ALUMINOSAPARA FINS DE BLINDAGEM BALÍSTICA
Milena G.Q.Yamanaka, Márcia G.T.Melo, Mariana R.Carmo, Marcelo Rossi, Ramiro Daru
Rua Saquarema, 179 Jd. do Parque – Diadema/SP CEP 09910 240e-mail: [email protected]
CENATEC Escola SENAI “Mario Amato” – Núcleo de Tecnologia Cerâmica
RESUMO
Compósitos cerâmicos para blindagem balística são materiais avançados
resistentes ao impacto de projéteis, aplicados na proteção de cofres, aeronaves,
embarcações, automóveis, residências e proteção pessoal. Neste trabalho foi
desenvolvido um material com base de ALUMINA, dopada com óxidos reativos, dentro
dos parâmetros técnicos pré-estabelecidos, onde foi avaliada a resistência física e
mecânica dos mesmos. Para este estudo, realizou-se uma caracterização física das
matérias-primas envolvendo: análise granulométrica e densidade aparente. Em seguida
foram preparados corpos de prova de massas equacionadas e homogeneizadas a seco e
conformados por prensagem uniaxial, secos a 110ºC, e sinterizados a 1600ºC.
Os resultados foram considerados satisfatórios, ficando o material classificado
como Nível balístico II pela Associação Brasileira de Cartucho - CBC, segundo Norma NIJ
Standard 0108.01.
Palavras-chave: BLINDAGEM, REFRATÁRIO, ALUMINA
Anais do 45º Congresso Brasileiro de Cerâmica 0901102 30 de maio a 2 de junho de 2001 - Florianópolis – SC.
DEVELOPMENT OF HIGH ALUMINA REFRACTORIES FOR CERAMICS ARMORS APLICATIONS
ABSTRACT
Ceramic composites for armors are advanced materials resistant to the impact of
projectiles, used in the protection of coffers, airships, embarkations, automobiles,
residences and personal protection. In this work an alumina-based material doped with
oxides was developed, considering previously established technical parameters, where
their physical and mechanical resistance was evaluated. For this study, a physical
characterization of the raw materials was performed, involving: particle size distribution
and apparent density. Samples were prepared from equated and dry homogenized
masses, uniaxialy pressed, dried at 110ºC, and sintered at 1600ºC.
The results were considered satisfactory, being the material classified as
ballistic Level II for the Brazilian Association of Cartridge - CBC, according to Norma NIJ
Standard 0108.01.
Word-key: ARMORS, REFRACTORY, ALUMINA
INTRODUÇÃO
Blindagens cerâmicas são compósitos formados por placas cerâmicas fixadas em
chapas de aço, alumínio ou aglomerado de fibras. Essas blindagens são mais leves e
apresentam um desempenho superior quando comparados com outros materiais.
A blindagem de veículos, aviões, navios e pessoal foram assuntos sempre tratados
no âmbito das Forças Armadas. A nova ordenação da política internacional diminuiu
sensivelmente o incentivo à pesquisa e produção nessa área, assim como o crescente
aumento da violência urbana trouxe um descrédito da população em geral nas
autoridades constituídas, levando ao uso de blindagens balísticas antes restritas às
Forças Armadas. A ênfase na pesquisa de proteções contra projéteis nos anos 1960 e
começo dos anos 1970 foi sobre materiais leves para proteção pessoal e de pequenas
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aeronaves. O primeiro sistema de blindagem leve foi constituído por placas cerâmicas de
alumina sinterizada, colada a um suporte traseiro dúctil, normalmente alumínio ou fibra de
vidro reforçada com polímero. Uma das primeiras aplicações de materiais cerâmicos com
objetivos militares verificou-se em 1962 na Guerra do Vietnã, quando helicópteros e
pequenas aeronaves foram blindados contra projéteis de pequeno calibre. A substituição
de materiais metálicos conjugados mais leves propiciou a essas aeronaves maior
mobilidade e maior capacidade de transporte. Durante os anos 80, a ênfase foi para o
desenvolvimento de proteção em veículos terrestres contra impacto de penetradores da
alta energia cinética e com cargas explosivas. Grandes chapas de cerâmica foram usadas
e o aperfeiçoamento continuou até os anos 90, quando a demanda nas Forças Armadas
diminuiu rapidamente devido às mudanças na situação política mundial.
Tendo em vista este grande interesse pelo desenvolvimento de novos materiais,
este trabalho visa somar e contribuir com os conhecimentos a cerca do assunto,
possibilitando a divulgação dos benefícios proporcionados por esta classe de materiais
cerâmicos à sociedade civil como, por exemplo, a diminuição de 60% ou 30% do peso
total em relação às proteções metálicas de aço ou alumínio, respectivamente (XAVIER, 1999); fato este que a torna atrativa, vantajosa e motivo de estudos tecnológicos, porém
pouco aplicada devido a seu alto custo.
MATERIAIS E MÉTODOS
Inicialmente realizou-se ensaios e análises para caracterização da matéria-prima
principal (matriz) – ALUMINA, a fim de se obter parâmetros físicos do material. Os
seguintes ensaios foram realizados com a matriz de Alumina: análise granulométrica e
Densidade solta aparente. Em seguida, foram confeccionados por prensagem uniaxial e
queimados corpos de prova, que foram caracterizados quanto à retração linear e
volumétrica, absorção d’ água, porosidade aparente, massa específica aparente, tensão
de ruptura a flexão, microscopia eletrônica de varredura e teste balístico; além de cálculos
como a Análise química por estequiometria.
Durante o projeto, foram desenvolvidas três formulações, com o intuito de se
aprimorar a anterior, chegando a uma considerada eficiente para a aplicação de destino.
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Caracterização dos corpos de prova
A Verde
Os corpos de prova prensados das três composições foram medidos, e pesados
em balança eletrônica, para determinação da retração linear e volumétrica após secagem,
retração linear e volumétrica total, perda ao fogo e umidade de conformação.
Após Secagem
Após secagem a 100ºC por 24 h em estufa, os corpos de prova de todas as três
composições foram medidos e pesados, seguindo os mesmos critérios dos corpos de
prova a verde. A densidade após secagem foi determinada através do método
geométrico.
Após Sinterização
Os corpos de prova das três composições foram medidos e pesados para
determinação da retração linear e volumétrica total e pesados para determinação da
perda ao fogo, seguindo os mesmos critérios dos corpos de prova a verde e após
secagem. Os corpos de prova foram submetidos aos ensaios de absorção d’água,
porosidade aparente e massa específica aparente com a balança hidrostática. Em
seguida, foi realizado o ensaio de resistência mecânica a flexão. Foram colhidas amostras
para a identificação da microestrutura através de microscopia eletrônica de varredura, e o
corpo de prova da composição nº3 foi submetido a ensaio balístico específico, na
Companhia Brasileira de Cartucho – RIBEIRÃO PIRES/SP.
Preparação das massas
Para estudo de composições cerâmicas avançadas, desenvolveu-se inicialmente
uma formulação, preparada a partir da pesagem das matérias primas previamente secas,
que em seguida foi homogeneizada em misturador planetário com o ligante selecionado:
Vixil - resina orgânica. Depois de homogeneizada, a massa foi granulada em peneira
ABNT 35 para desagregação, e permaneceu em repouso por 24 horas. Em seguida, a
massa foi prensada em prensa hidráulica com capacidade para 40 t. O corpo de prova foi
prensado uniaxialmente com dimensões de 100 x 100 mm2 a uma pressão de 240
Kgf/cm2, seco a 100ºC e sinterizado em forno intermitente a 1550ºC com patamar de 2
horas.
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Como as propriedades da primeira composição não se mostraram satisfatórias, foi
desenvolvida uma segunda composição, preparada a partir da pesagem de matérias
primas previamente utilizadas, que em seguida foi homogeneizada em misturador
planetário, com o ligante selecionado: resina líquida fenólica. Depois de homogeneizada,
a massa foi granulada em peneira ABNT 28 para desagregação, e permaneceu em
repouso por 24 horas. Em seguida, a massa foi prensada em prensa hidráulica com
capacidade para 40 t. O corpo de prova foi prensado uniaxialmente com dimensões de
100 x 100 mm² e pressão de 340 Kgf/cm2, seco a 100ºC e sinterizado em forno
intermitente a 1600ºC com patamar de 4 horas.
Com o intuito de se aprimorar a composição nº 2, melhorando as propriedades
físicas e mecânicas, foi desenvolvida a composição de nº 3, a partir da pesagem de
matérias primas previamente utilizadas, que em seguida foi homogeneizada em moinho
de bolas, com o ligante selecionado: resina líquida fenólica. Depois de homogeneizada, a
massa foi granulada em peneira ABNT 35 para desagregação, e permaneceu em repouso
por 24 horas. Em seguida, a massa foi prensada em prensa mecânica com capacidade
para 100t. O corpo de prova foi prensado uniaxialmente com com dimensões de 230 x
115mm² e pressão de 378 Kgf/cm2, seco a 100ºC e sinterizado em forno intermitente a
1600ºC com patamar de 4 horas.
Composição das massas
Composição 1 Composição 2 Composição 3
96 % Al2O3 96 % Al2O3 96 % Al2O3
4 % MgO e Cr2O3 3 % Nb2O5 3 % Nb2O5 e Cr2O3
1 % 3MgO.4SiO2.H2O 1 % 3MgO.4SiO2.H2O
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo são apresentados os resultados da caracterização física e mecânica
dos compósitos cerâmicos desenvolvidos, bem como as variáveis pertinentes ao processo
de fabricação.
Tabela geral dos resultados obtidosComp. 1 Comp. 2 Comp. 3
Absorção d’ água (%) 9,39 8,01 5,10Porosidade aparente (%) 24,94 23,10 15,64
Densidade (g/cm3) 2,79 2,87 2,91
Resistência à flexão (MPa) 5,7 24,9 30,8Densidade Teórica (%) 80,6 82,9 84,1
Compactação (Kgf/cm2) 240 340 378
Temperatura de queima (ºC) 1550 1620 1620Nível balístico* II
* Este ensaio foi realizado segundo a norma americana NIJ Standard 0108.01, na
Companhia Brasileira de Cartucho – CBC.
Podemos observar que todas as propriedades atingidas pela composição 3,
são melhores que as anteriores, provando que ao longo do desenvolvimento de projeto,
conseguimos aprimorar as características do material.
No entanto, devemos levar em consideração, que as condições de
processamento como pressão específica de prensagem e temperatura de sinterização
também foram se aprimorando.
A composição 3, foi submetida ao ensaio balístico, e suportou o impacto do
nível II, a uma velocidade de 358 m/s de um calibre 9mm.
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Análise microestrutural
1000x 1000x 1000x Composição 1 Composição 2 Composição 3
As microestruturas presentes indicam o fechamento dos poros e a diminuição do
tamanho dos grãos, à medida que se evoluiu o processo de fabricação e a composição
das matérias-primas. A composição nº 1 apresenta uma microestrutura não favorável às
propriedades físicas e mecânicas almejadas, o que pôde ser avaliado através da alta
porosidade e do crescimento excessivo dos grãos. Porém pode ser observada uma
grande evolução microestrutural na composição nº 2, e uma boa compactação e controle
de tamanho de grão na composição nº 3.
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• Corpo de Prova da composição nº 3. Ensaio balístico: Nível de blindagem I /
Calibre 38.
• Corpo de Prova da composição nº 3. Ensaio balístico: Nível de blindagem II /
Calibre 9mm.
Podemos observar que os corpos ensaiados no Nível I – Calibre 38 e Nível II –
Calibre 9 mm, resistiram ao impacto de 259 ± 15 m/s e 358 ±12 m/s respectivamente, e
os suportes de alumínio traseiros não sofreram nenhum tipo de alteração mecânica.
CONCLUSÕES
Ao término do desenvolvimento do projeto, o material desenvolvido atingiu
propriedades físicas e mecânicas que o qualificam como apto à sua aplicação de destino.
Isto pôde ser confirmado principalmente pelo teste balístico executado na Companhia
Brasileira de Cartucho – CBC, a qual emitiu um Laudo Técnico, comprovando o
desempenho do material desenvolvido.
Quanto à análise microestrutural, todos os ensaios quantitativos realizados
mostraram-se coerentes à microestrutura apresentada: absorção d’água, porosidade
aparente, densidade aparente, resistência mecânica à flexão, etc. Ou seja, as fotos
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obtidas no microscópio eletrônico de varredura demonstraram o desenvolvimento atingido
pelas três composições.
O ensaio balístico confirmou as expectativas acerca do material desenvolvido: boa
resistência mecânica para suportar o impacto de um projétil calibre 9mm até uma
velocidade de 358 ± 12 m/s.
Estes resultados tornam o material apto para desempenhar a função de proteção
balística em cofres, caixas fortes, carros fortes, casas, aeronaves e embarcações em
geral, todos que não exijam proteções mais pesadas como, por exemplo, contra fuzis e
metralhadoras.
AGRADECIMENTOS
Ao profº Ramiro Daru.
Ao profº Herbet Alves de Oliveira, por nos instruir e prestar esclarecimentos
técnicos.
Ao Núcleo de Tecnologia Cerâmica da Escola SENAI “Mario Amato”, na pessoa de
seu coordenador Jorge José Nunes, por oferecer instalações adequadas ao
desenvolvimento do projeto.
Ao profº titular da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Deptº de
Engenharia Química Dr. Célio Xavier, pelos esclarecimentos prestados.
À Companhia Brasileira de Cartucho (CBC), onde foi realizado o ensaio balístico,
por colaborar e compreender os grupos de pesquisa escolar.
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