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CICY Unidad de lllaleriale1

Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C.

Posgrado en Materiales Poliméricos

ESTUDIO Y CARACTERIZACIÓN DE UN BLINDAJE TERMOPLÁSTICO A BASE DE FIBRAS DE ARAMIDA

Tesis que presenta

RICARDO ALBERTO GAMBOA CASTELLANOS

• En opción de

MAESTRO EN MATERIALES POLIMÉRICOS

Mérida Yucatán a 17 de agosto de 2011

Mérida, Yucatán , México; a 17 de Agosto de 2011

DECLARACIÓN DE PROPIEDAD

Declaro que la información contenida en la sección de Materiales y Métodos Experimentales, los Resultados y Discusión de este documento proviene de las actividades de experimentación realizadas durante el período que se me asignó para desarrollar mi trabajo de tesis, en las Unidades y Laboratorios del Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C., y que a razón de lo anterior y en contraprestación de los servicios educativos o de apoyo que me fueron brindados, dicha información, en términos de la Ley Federal del Derecho de Autor y la Ley de la Propiedad Industrial, le pertenece patrimonialmente a dicho Centro de Investigación. Por otra parte, en virtud de lo ya manifestado, reconozco que de igual manera los productos intelectuales o desarrollos tecnológicos que deriven o pudieran derivar de lo correspondiente a dicha información, le pertenecen patrimonialmente al Centro de Investigación Científica, A.C ., y en el mismo tenor, reconozco que si derivaren de este trabajo productos intelectuales o desarrollos tecnológicos, en lo especial , estos se regirán en todo caso por lo dispuesto por la Ley Federal del Derecho de Autor y la Ley de la Propiedad Industrial , en el tenor de lo expuesto en la presente Declaración.

Ric~steltanos

CENTRO DE INVESTIGACION CIENTIFICA DE YUCA TAN A.C. POSGRADO EN CIENCIAS EN MATERIALES POLIMÉRICOS

RECONOCIMIENTO

Por medio de la presente, hago constar que el trabajo de tesis titulado

ESTUDIO Y CARACTERIZACIÓN DE UN BLINDAJE TERMO PLÁSTICO A BASE DE FIBRAS DE ARAMIDA

perteneciente al Programa de Maestría en Ciencias en Materiales

Poliméricos del Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. fue

realizado en los laboratorios de la Unidad de Materiales bajo la dirección

del Dr. José Gonzalo Carrillo Baeza.

Atentamente,

Director Académico

Centro de Investigación Científica de Yucatán, AC.

DEDICATORIAS

A Dios.

Por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis

objetivos, además de su infinita bondad y amor.

A mis padres Dory y Ricardo.

Por los ejemplos de perseverancia y constancia que los caracterizan y que me ha

infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante a pesar de la adversidad y

sobre todo por su amor.

A mis hermanas.

Georgina, Carolina, Yenny y la más peque Jessica, gracias por su apoyo en los buenos y

malos momentos. Siempre supe que estarían conmigo en todo momento.

A mi novia Wendy. •

Gracias por haberme enseñado la cara más hermosa de la vida, por estar conmigo en las

buenas y en las malas, pero sobre todo por ser quien eres, el amor de mi vida, te amo

flaquita .

AGRADECIMIENTOS

Primero me gustaría agradecer a mi director de Tesis, Dr. Gonzalo Carrillo Baeza,

por su esfuerzo, dedicación, sus conocimientos, sus orientaciones, su manera de

trabajar y su persistencia. A su manera, ha sido capaz de ganarse mi lealtad y

admiración, así como sentirme en deuda con él por todo lo recibido durante el

periodo de tiempo que ha durado esta tesis de maestría.

Al Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY) por las facilidades

brindadas para la realización de este trabajo dentro de sus instalaciones.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) la ayuda económica

proporcionada durante mis estudios de maestría.

A mis asesores y revisores, al Dr. Pedro lván González Chi, Dr. Jorge Ovidio

Aguilar, Dr. Emmanuel Alejandro Flores Johnson y al Dr. Carlos Rolando Ríos

" Soberanis; por su apoyo, dedicación y tiempo invertido en esta investigación.

CONTENIDO

Resumen ......... ........... ........ ...... ............ .. .. ..... .. ... .......... ..... ... ..... .... .... ........ .. ...... ........ ... .. ....... 1

Abstract ... .. ...... .............. ............ ........ ..... ............ .. ... .... ....... ... .. .... .. .................................. ...... 2

Introducción ................ .... ....................... .......... .. ... ............... .. .... ... .... ... .. ........... .. .................. 3

CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRIC0 ....... ... .............. ................... ... ~ ...... ............ .. ............ ..... 6

1.1 . Fl BRAS . ... .... ................ ... .. .. .. ... .... ....... ...... ........ ...... ............. ....... ......... ............. .... .. 6

1.2. TEJIDOS .. ............... .......... .... ..... ...... ...................... ... ............. ........ ... .. .................. 12

1.3. MATRICES POLIMÉRICAS .. .. ..................................................... ............... .... .. 13

1.4. ANÁLISIS INTERFACIAL DE LA MICROGOT A. ..... .................... .... ..... ...... ... 16

1.5. MATERIALES COMPUESTOS .... ........................................... .. ..................... .. 17

1.5.1. Clasificación de los materiales compuestos . ................ .................................. 18

1.5.2. Aplicaciones de los materiales compuestos . .. ... ...... .... .... ..... .. ............. ........ ... 20

1.5.3. Caracterización de materiales . ...... ...... ... ... ....... ... .......................... ............. .. .... 22

1.6. BAlÍSTICA ..... ..... ...... ... ... ....................................... .. ......... ..... ... ... ........................ 30

1.7. IMPACTOS DE ALTA VELOCIDAD . ... ....... .. ....... ............... ............ ............ ..... 34

1.8. BLINDAJES POLIMÉRICOS ............................ ....... ... .......... ... ................ .. ........ 39

1.8.1. Efectos del envejecimiento en los blindajes poliméricos .. ............................ 41

1.9. MODELADO DEL COMPORTAMIENTO DE UN MATERIAL SOMETIDO A ALTO IMPACTO ...................... ... ....... .. ...... .... ....... ... ... ............ .. .......... .. ............. .... .. .... .. 44

CAPÍTULO 2. DESARROLLO EXPERIMENTAL. ........................ ... .. ....... .. ....... ....... ... 48

2.1 . MATERIALES .... .... ... ....... .. ....... .. ........... .... ... ..... ....... ......... ... ........... .. .. ......... ........... 48

2.1.1 . Película de polipropileno . ................................................ .. .. .. .... ............... .. ........ 48

2.1.2. Tejido de aramida .. .. .. ..... .... .... ......................... ... ... .......... ............ .. .. .... ............... 48

2.1.3. Material testigo . .. ... .... .. ........ ............................... .............. .. ......... ................. .. ..... 49

2.1.4. Gelatina balística ..... ... ...... ............ .. .. .... ..... ..... .... ........................... .... ........ ....... ... 49

2.1.5. Laminados consolidados . ......... ........ ... ........ ... ... ......... ........ ... ... .. ... .......... ... .... ... 50

2.1 .6. Laminados independientes ................. ........ .. ..... ...... ... .... ...... ....... ...... .. ... .. .... .. ... 50

2.2 . DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL CAÑÓN DE GAS . ... ............ .............. ... .... 50

2.3 . MÉTODOS ....... ...... ...... ....... ....... ...... ........ ....... ............ ..... .. ...... ........... ................ .. ... 54

2.3.1 Prueba micromecánica de la microgota .. ....... .. .. ...... .. .... ...... .... .. ............ ......... 54

2.3.2 Eliminación del sizing vía extracción soxhlet.. .. .... ...... ... ................................. 58

2.3.3 Microscopía electrónica de barrido (MEB) . .. ..... .... .... .. .. .. .. .... .. .. .. ............ ... ..... 61 '

2.3.4 Prueba de desgarre (tearing) . ........ .. .... ........... ...... .. .... .. ..... .... ...... ...... .... .. ......... 62

2.3.5 Moldeo de laminados consolidados ... ...... ..... .......... .. : .. .. ..... ...... ......... .............. 62

2.3.6 Moldeo de laminados independientes .. ...... ......... .... .......... .. ...................... ... ... 64

2.3.7 Envejecimiento acelerado ..... .. .... ........ ..... .... .. ............. ... .. ........... ............ .... .. ..... 64

2.3 .8 Procedimiento general para una prueba de alto impacto . ... ....... .. ...... .... ...... 65

2.3.9 Procedimiento para determinar el límite balístico . ......... .. ............ ... ........ ...... . 66

2.3.1 O Pruebas de alto impacto en presencia de la gelatina balística: ............ ... 68

2.3 .11 Límite balístico en laminados sometidos a envejecimiento acelerado ... 70

2.3.12 Caracterización balística en laminados consolidados e independientes de aramida/PP sometidos a alto impacto . .................... ... ......... .. ... ..... .. .... .............. 70

2.3.13 Pruebas de alto impacto en un blindaje textil de aramida de cuatro capas ....... .. .... ... ..... ... . .... .. .. . ... ... ... .................. ................ ...... ........... 70

2.3.14 Pruebas de alto impacto en presencia del material testigo ........ .......... .... 71

CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN . ... .. .... .. .. .. .......... .. ..... ..... ..... ... ............ ... 73

3.1. DISEÑO Y CONSTRUeCIÓN DEL CAÑÓN .... ......... .................. .. ............... ...... 73

3.2 . PRUEBA MICROMECÁNICA DE LA MICROGOTA. ....... .... ... .... ............ .......... 76

3.3. PROCESAMIENTO DE LAMINADOS ARAMIDÁIPOLIPROPILENO . ........... 80

3.4. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB) .... .... ............... ............ 80

3.5. PRUEBA DE JALADO O DESGARRE (TEARING) . .. .... .. ............ .... ... .. .. .......... 82

3.6. PRUEBAS DE ALTO IMPACTO . ......................... ..... .. ... ........... .............. ............. 83

3.6.1. Prueba de alto impacto en laminados consolidados expuestos a envejecimiento acelerado . ....... .................... .. ..... .. ...... ... .. ... ........ ....... ..... ......... .............. 84

3.6.2 . Pruebas de alto impacto en laminados consolidados y laminados independientes .... .......... ....... .. .. ... ... ....... .................. .... .. .............. ...................... ..... .... ...... 87

3.6.3. Gelatina balística ..... .. ... ..... .... .... .. .. .. ................... ... ......... ... ... ........ ...... .. ....... ... ..... 91

11

3.6.4 . Material testigo. 000000 00 OOoOOO oo 00 ....... OOoO OO OOOOO .. .. oo .. .. oo ooOoooooooo 00 00 00 . 0000 ...... 0000000000000000 .... 00.94

CONCLUSIONES ......... ... .................. ... ... .. ... ......... ..... .... ........ .. ... ..... ..... .... ............... .... ..... 99

BIBLIOGRAFÍA ...... .. oooooo oo o oo oooo .... ... OOOOOoOOOOOoooooo •• oo .. . .... ... oooooooo ....... oo .... oo ..... .. ooooooooooooOOoooooo · 102

ANEXO 1 .. oooo ....... . .. oooooooooooooooooooooooo o OOooooooo ooooooooo oo o O OOOO Oooooo oooo oo ooo . .. oooooo ......... oo- .. ooooOOOO OOOOOoooo 107

ANEXO 2 ......... ..... .... .... ... ....... .. .. ..... ............ ......... ............ .......... ... ................. ...... ............. 108 .

•

lll

. LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Configuración de los átomos de carbono en capas planas de grafito ... 8 Figura 1.2. Representación esquemática de una fibra de carbono [15] .. ................ 9 Figura 1.3. Estructura química del Poli(p-fenilene tereftalamida) o PPT A. ...... .. .... 1 O Figura 1.4. Configuraciones de tejidos utilizados en materiales compuestos, a)

Tipo tafetán, b) Tipo satín y e) Tipo sarga.······················ ···· '" ···· ..... .... 13 Figura 1.5. Polímero parcialmente cristalino [26] .. ... ..... .. .... .................................. 15 Figura 1.6. Diagrama de un equipo para pruebas micromecánicas .. ...... ...... ........ 17 Figura 1.7. Propiedades que buscan ser mejoradas al integrar un material

compuesto [32] ... ........ ... ......... .. ...... ... ...... .. ..... ........... .. ......... .. ...... ...... 18 Figura 1.8. Clasificación de materiales compuestos con base en su

conformación [30] ................................ ................ ... ..... ... ...... .. ... ..... .... 19 Figura 1.9. Distribución de materiales en el Boeing 787 Dreamliner . ...... .. ............ 20 Figura 1.1 O. Gráfica Comparativa de varios materiales ante pruebas de impacto

Izad [25]. ......... ............................... ...... .. ............... ........ ........... .. ......... 21 Figura 1.11 . a) Probeta sometida a esfuerzos a tracción, b) diagrama

Esfuerzo/Deformación .......... .......... .......... ..... ...... ..... ...... ... ....... .......... 23 Figura 1.12. Ensayo de flexión . Viga simplemente apoyada y carga transversal

uniformemente distribuida ...... ....... .. .... .. ......... ... ... .............................. 25 Figura 1.13. Ensayo de una muestra a compresión .. ..... ... ....... ......... .................. .. 25 Figura 1.14. Definición en un plano del esfuerzo ( r12 ) y deformación (y12) a

cortante [39] .. .... ... ........................ ....... ........... ... ....... ............. .. .... ....... 27 Figura 1.15. a) Ensayos de impacto Charpy, b) Ensayos de impacto Izad ... ...... .. 28 Figura 1.16. Muestra para prueba de desgarre, a) Muestra con corte central , b)

Muestra montada en la máquina universal de pruebas mecánicas .... 29 Figura 1.17. Parámetro estadístico de penetración utilizado en balística .............. 32 Figura 1.1 8. Deformación en el material testigo .... ... ............................................. 34 Figura 1.19. Mecanismos de penetración de acuerdo al tipo de material

impactado [4] ... ...... ........... ...... ... ... ... ...... .. .......... .... ... ................ .. .... .... 37 Figura 1.20. Bandas de cortante (Shear banding) analizada por métodos

numéricos, a) Proyectil de uranio b) Proyectil de tungsteno [52]. .. ..... 38 Figura 1.21 . Muestra de aramida impactada a distintas velocidades, a) Sin matriz

polimérica, b) con matriz de polipropi leno .. .... ... ..................... ......... ... 40 Figura 1.22. Cámara de envejecimiento acelerado marca QUV modelo KJ-9029. 42 Figura 2.1. Tejido de aramida Kevlar® 129 utilizado en esta investigación ....... ... 48 Figura 2.2. Sistema de liberación del proyectil por medio de cuñas de sujeción .. . 52

Figura 2.3. Prototipo de mordaza de sujeción.· ·· ······ ····· ·· ···· ··········· ··' ·· ·· ··· ·· ··········· 53 Figura 2.4. Diagrama de un cronógrafo de sensores infrarrojos ... .. .... ............... ... 53

lV

Figura 2.5. Marco de aluminio con fibras de aramida .... .. ............. ........ ... .. ............ 55 Figura 2.6. Técnica recomendada para la formación de gotas en las fibras ......... 56 Figura 2.7. Sistema de extracción por soxhlet con la muestra de aramida . .... .... .. 59 Figura 2.8. Rotavapor con sistema de enfriamiento .... ........ ..... ..... .... ...... ... .... .. ..... 60 Figura 2.9. Muestra de resina epóxica para MEB, a) Arreglo de las muestras,

b) Representación de la zona observada en el tejido ......................... 62 Figura 2.1 O. Configuración de un laminado consolidado de dos capas . .. ' .... .. .. ..... 63 Figura 2.11. Configuración de moldeo de una capa de un laminado

independiente ...... .. ...... ....... ... ........ ......... .. .......... .. .......... ........ ............ 64 Figura 2.1 2. Diagrama general de una prueba de impacto de alta velocidad ....... 66 Figura 2.13. Representación de una prueba de impacto a una muestra con

material en su parte posterior ...... ... ...... ... ....... ....... ... .............. ..... ....... . 67 Figura 2.1 4. Mordaza con un laminado de aramida/PP y gelatina balística justos

antes de ser probados a alto impacto .......... .... ... .. ... .. .. ...... ... ........ .... . 69 Figura 2.1 5. Geometría del proyectil utilizado para caracterizar el material testigo

(Unidades en mm) .... .. ..... ... ...... .... ....... ............. ............ ....... .. .... ....... .. 72 Figura 3.1. Diagrama del sistema de disparo por diafragma .... .... ......................... 74 Figura 3.2. a) Cronógrafo marca Chrony, b) Mordaza de sujeción de muestras ... 75 Figura 3.3. Accesorios del sistema de llenado y disparo, a) Cañón de gas, b)

Sensor de presión, e) Manómetro con glicerina, d) Válvula de servicio, e) Sistema de liberación por cuñas, f) Pistón neumático, g) Base para diafragma con resistencia de calentamiento y h) Válvula de control de presión . .. ... .. .. .. ........ ..... ........... ............. .. .. ........ 76

Figura 3.4. Comparación de las curvas del compuesto con y sin sizing .... ... ........ 78 Figura 3.5. Fotografía SEM de la fibra con sizing de una muestra para

microgota ... .. .......... .. ..... ... ...... .. ....... ... ....... .... ............. ....... .... .... .. ........ 79 • Figura 3.6. Micrografía de placa dañada en el proceso de moldeo . .... .... ... .. ......... 80

Figura 3.7. a-d) Microscopía MEB del compuesto aramida/PP, a-e) Grietas intralaminares entre fibra y matriz, d) Grietas interlaminares . .......... .. 81

Figura 3.8. Curvas representativas carga-desplazamiento de las muestras probadas a desgarre con y sin envejecimiento acelerado .. ..... ... ... ..... 82

Figura 3.9. Curva de calibración presión-velocidad del cañón de gas . .. ....... ...... .. 84 Figura 3.1 O. Laminado aramida/PP sometida a envejecimiento acelerado

por tres semanas que muestra zonas delaminadas .. ............. .... ..... ... 85 Figura 3.11 . Límite balístico V50 de los laminados aramida/PP sometidos a

envejecimiento acelerado ......... ......... .... .. .... ....................................... 85 Figura 3. 12. Laminados sometidos a intemperismo acelerado por seis

semanas y alto impacto, que presentan grandes zonas

V

delaminadas, a, b) Frontal y posterior envejecidas e impactadas, e, d) Frontal y posterior sin envejecer e impactadas .. .. .. .. ......... .. ... .. .. 86

Figura 3.13. Energía absorbida en laminados consolidados y laminados independientes sometidos a alto impacto . ... ...... ....... ....... .... ......... ..... 88

Figura 3.14. Energía absorbida normalizada en función del número de capas en los laminados consolidados e independientes de aramida/PP .... .. .. .. 89

Figura 3. 15. Laminados sometidos a impacto a) con restricción parq deformarse, b) sin restricción para deformarse ........... ... ..... ... ........... ......... .. ........ .. 90

Figura 3.16. Curva de calibración de la gelatina balística Bloom 250 a un 1 O % peso/volumen .. ... ... ...... .. .... ... .. ...... .......... ........ .. .... .... .... ..... ... .... ... ... .... 91

Figura 3. 17. Curva de absorción de energía con respecto a la velocidad de impacto en muestras de cuatro capas .... ....... ....... .... ............. .... ... ...... 92

Figura 3. 18. Deformación unitaria (E) sufrida por un laminado al absorber la energía de impacto. a) en el límite balístico , b) por encima del límite balístico . ...... .. ..... ..... .. ... ...... ... .... ... .... .. ..... ..... ..... ... ... ... .... .. ... ...... .... .. ... 93

Figura 3.19. Profundidad de impacto del material testigo : plastilina comercial Modelina .... ...... .... ....... ...... .. ..... ........ ... .... ... ............ .. .. .. ....... .... .... ........ 95

Figura 3.20. Laminado consolidado de cuatro capas impactado en presencia de material testigo ... ...... ...... ...... ... ... ... ..... .. ... ... .... .. ... ... .... .... .. ..... ... ... ... ... . 96

Figura 3.21. Material testigo utilizado ante impacto de una muestra aramida/PP. 97 Figura 3.22. Cuatro capas de tejido de aramida sin PP probadas con material

testigo ... ... ..... .. .. .... ... ...... ..... ..... .... .... .. .. ...... ....... .. ... ...... ... .. .. ...... .. .. ..... . 98 Figura A 1. Corte transversal a una bala .. ..... ... .. ........... .... ..... .......... .. .. ..... ...... ... .. 107 Figura A2. Espectro infrarrojo del sizing de resina epóxica contenida en la

fibra de aramida Kevlar ® 129 . ..... .. ...... ......... .... ..... .... ............ .... .. .. .. .. 108

•

Vl

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1. Composición de vidrio usado para la fabricación de fibra [15] ............... 7 Tabla 1.2. Propiedades mecánicas de fibras orgánicas utilizadas en tejido [21 ] ... 11 Tabla 1.3. Propiedades mecánicas de algunas resinas termofijas [25] . ................ 14 Tabla 1.4. Propiedades mecánicas de algunas resinas termoplásticas [25]. ........ 15 Tabla 1.5. Régimen de velocidad en balística [1, 2]. ... ..................... : ......... ...... .... . 35 Tabla 2.1. Propiedades de los materiales utilizados en el material compuesto

aramida/PP ....... ..... .... ... ...... .......... .. ....... ............ ... ..... ................. ........ .... 49 Tabla 2.2. Parámetros de calibración a 5 g para celda de 50 g . .......... .... ..... ........ 58 Tabla 2.3. Condiciones de procesamiento de laminados consolidados o

independientes de aramida/PP .. ....... ...... ... ... ............. ............................. 63 Tabla 3.1 . Esfuerzo cortante interfacial entre la matriz de PP y la fibra de aramida

sin sizing ..... .. .. .... ..... ... ......... .. ......... .. ..... ..... ............ .. ...... .. ...... ............... . 77 Tabla 3.2. Esfuerzo cortante interfacial entre la matriz de PP y la fibra de aramida

con sizing ....... .... ...... ... .......... ... ....... .. ....... .......... ....... .. ............ ............. ... 77 Tabla 3.3. Propiedades balísticas de los blindajes probados en presencia de

material testigo ................... .... ........ ... .. .. ......... ... ....... ....... ......... .......... ... . 98

•

Vll

Resumen

Un material compuesto grado balístico fue sometido a impacto de alta velocidad

con el objetivo de caracterizar la absorción de energía de un arreglo de tejidos de

aramida y una matriz de polipropileno (40 % fracción volumen). Los parámetros

obtenidos fueron: el límite balístico (V50), la magnitud del trauma en el material

testigo, la resistencia a condiciones de intemperismo acelerado, así como la

absorción de la energía al impacto con respecto al número de capas del

compuesto. El parámetro más importante obtenido de este estudio es el límite

balístico (V50), definido como la velocidad a la cual un blindaje falla el 50 % de las

veces que es impactado por un proyectil. Con base en este parámetro, se estudió

la resistencia del material compuesto sometido a intemperismo acelerado para

determinar su resistencia ante ambientes hostiles.

El Trauma o grado de deformación posterior de un material compuesto al ser

impactado fue medido ya que es un parámetro de vital importancia para blindajes

con aplicaciones en protección personal. También se estudió el comportamiento

del V50 con respecto al número de capas del material compuesto; al aumentar el

número de capas se produce una rigidización en el material, y en consecuencia se

reduce la resistencia al impacto. Se propuso elaborar y probar arreglos con

laminados independientes de aramida/PP. Esto redujo la rigidez del material •

compuesto multilaminado, mejorando su resistencia a la penetración, al grado de

absorber un 13 % más energía que aquellos arreglosaramida/PP consolidados.

El equipo de prueba utilizado, es un cañón de nitrógeno construido exprofeso

como parte del proyecto de investigación. Los resultados mostraron que el Vso no

presenta una reducción significativa cuando el material compuesto fue expuesto a

condiciones de intemperismo acelerado (temperatura y humedad sin luz

ultravioleta) durante un período equivalente a 12 meses.

1

Abstract

An armor grade composite was subjected to high velocity impact with the aim of

characterizing the energy absorption of woven aramid arrangement with

polypropylene as a matrix (40% volume fraction) . The parameters obtained in this

study were; the ballistic limit (V50), the magnitude of trauma on the target material ,

resistance to accelerated weathering conditions, as well as impact energy

absorption, varying the number of layers of composite. The most important

parameter obtained from this study, is the ballistic limit (V50), defined as the rate at

which a shield fails 50% of the time, when hits by a projectile. Based on this

parameter, it was studied the resistance of the composite subjected to accelerated

weathering for resistance to harsh environments.

Trauma or deformation depth of a composite material after being hit was

measured as it is a vital parameter for shielding applications in personal protection.

lt was also studied the behavior of V50 with the number of layers of composite

materials. lncreasing the number of layers produces stiffening in the material , and

therefore reduces the impact resistance to perforation. Here it was proposed to

develop and test arrangements with independent aramid laminates/PP. This

reduces the stiffness of the composite array, improving its resistance to

penetration, improving the energy absorption up to 13% than those consolidated •

arrangements of aramid/PP.

The testing equipment used here, a nitrogen gas gun was built as part of the

research project. The results showed that the V50 does not present a significant

reduction when the composite is exposed to accelerated weathering conditions

(temperature and humidity without UV light) for a period equivalent to 12 months.

2

Introducción

La aparición de las fibras poliméricas de alto desempeño a principios de los

años 60's inició una revolución en el área de la ingeniería de materiales. En la

actualidad se las puede encontrar en muchas aplicaciones, desde un chaleco

antibalas extremadamente ligero, hasta en partes de aeronaves con una eficiencia

mayor que sus predecesores metálicos. Sin embargo, tanta versatilidad, las

expone a distintos tipos de daño, entre ellos los de impacto que son considerados

entre los más importantes.

Los impactos a los que puede estar sometido un material se dividen en cuatro

tipos (la velocidad del proyectil define este rég imen): bajo impacto (V<50 m/s),

medio impacto (50 m/s<V<500 m/s), alto (500 m/s <V< 2000 m/s) y ultra alto

impacto (2000 m/s <V) [1, 2] . Existen muchos estudios sobre bajo impacto a

materiales compuestos, siendo el material compuesto de fibra de vidrio/epoxi uno

de los mejores caracterizados. Sin embargo, estudios sobre materiales

compuestos sometidos a alto impacto son insuficientes; la gran mayoría se

centran en materiales compuestos fibroreforzados embebidos en matrices

termofijas, siendo los estudios con matrices termoplásticas casi inexistentes.

Uno de los inconvenientes al estudiar el comportamiento de un compuesto ante

alto impacto, es el origen estocástico que este tipo de pruebas tiene [3-5], ya que

influyen factores como las propiedades de la fibra , el tipo de arreglo en el

compuesto, la geometría del proyectil, la velocidad de impacto, la interacción entre

laminados en el compuesto, las condiciones de frontera, la fricción entre nodos del

tejido, por mencionar algunos.(ángulo de impacto, rigidez del sistema, adhesión

interfacial , forma del proyectil).

Algunos de los estudios más importantes sobre materiales compuestos

fibroreforzados sometidos a alto impacto fueron realizado por Naik [6-11 ]. Sus

estudios se enfocaron en crear un modelo matemático para predecir parámetros

como el límite balístico, el tiempo de contacto entre la muestra y el proyectil y las

3

dimensiones de la zona dañada, todo esto en un material compuesto de fibra de

vidrio/epoxi, su estudio fue complementado experimentalmente para comprobar el

modelo matemático diseñado. Los resultados plasman un interesante gráfico con

los diferentes mecanismos por los cuales se disipa la energía en un evento

balístico, así como la contribución de cada uno en el proceso de absorción de

energía.

Otro estudio de gran relevancia es el realizado por Park [12], el cual analiza el

efecto que tiene el número de capas sobre el límite balístico de un material

compuesto de aramida/viniléster, al mismo tiempo estudió la trascendencia que

tiene el mejorar la adhesión interfacial fibra/matriz sobre la resistencia balística.

Los resultados demostraron como se genera un efecto de rigidez en el compuesto

al llegar a las 4 capas, lo cual reduce la eficiencia de los laminados ante alto

impacto. También demostró que al aumentar la adhesión interfacial el compuesto

se convierte en un sistema rígido, lo cual reduce la propagación de energía

reflejándose en un límite balístico inferior.

Bryan y Bogetti [3] realizaron una revisión del estado del arte sobre materiales

compuestos sometidos a alto impacto, en el cual discutió cada mecanismo que

influye en la resistencia balística de un material: como las propiedades del

material, la geometría del tejido, la geometría del proyectil , velocidad de impacto,

el uso de multilaminados, las condiciones de frontera y la fricción entre nodos del

tejido. Demostró que la resistencia balística invoi!Jcra muchos más mecanismos

que los mencionados anteriormente, dejando en claro la complejidad que un

evento balístico puede alcanzar.

Un estudio realizado en el Centro de Investigación Científica de Yucatán [13]

comparó el comportamiento balístico de un arreglo de aramida sin matriz

polimérica y otro en presencia de una matriz de polipropileno , los resultados

demostraron que en presencia de la matriz termoplástica el límite balístico

aumenta a tal grado que solo es necesario un 60 % de fibra para mantener una

4

resistencia balística. Esto se suma a las grandes ventajas que ofrece una matriz

termoplástica como son la rapidez en los procesos de producción y su resistencia

a los ambiente hostiles, prolongando la vida útil de estos sistemas .

•

5

CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO.

1.1. FIBRAS.

A principios de los años 60's se inició una revolución en el área deJa ingeniería

de materiales; la aparición de las fibras poliméricas con altas propiedades

mecánicas y su incursión en muchos ámbitos fue solo cuestión de tiempo. En la

actualidad se les puede encontrar en diversas aplicaciones, desde un chaleco

antibalas extremadamente ligero hasta el fuselaje de un moderno avión comercial ,

en todos los casos con una eficiencia mecánica mayor a la de sus predecesores

metálicos.

Las fibras poliméricas se caracterizan por su flexibilidad, finura, resistencia y

una alta razón de longitud/diámetro. Si la fibra es para uso textil, a las

características antes mencionadas se les debe añadir una alta estabilidad térmica

y un cierto grado de elasticidad. Las dimensiones de una fibra tienden a

determinar su uso, así, las fibras individuales (o elementos de un filamento

continuo) pesan tan solo unos cuantos microgramos y su razón longitud/ancho es

de al menos 1000/1 [14] . La mayoría de los materiales que presentan éstas

propiedades son a base de polímeros lineales parcialmente orientados y

parcialmente cristalinos. Las fibras poliméricas son ampliamente utilizadas como

refuerzo en materiales compuestos, ya que generan resistencia y rigidez,

propiedades que caracterizan a los materiales compuestos fibroreforzados. Las

fibras más utilizadas para este fin son las de vidrio, carbono, nylon y aramida,

entre otras.

Fibra de vidrio.- Se han usado muchas composiciones diferentes de vidrios

minerales, las más comunes están basadas en la sílice (Si02) con adiciones de

óxido de calcio, boro, hierro y aluminio. Estos vidrios son totalmente amorfos

aunque puede producirse una ligera cristalización sometiendo al material a altas

temperaturas por lapsos de tiempo prolongados, ocasionando una reducción en

6

las propiedades mecánicas debido al aumento de fragilidad [15] . La Tabla 1.1

presenta las composiciones de los tres tipos de fibra de vidrio más utilizados en

materiales compuestos.

Tabla 1.1. Composición de vidrio usado para la fabricación de fibra [15].

Compuesto Vidrio E Vidrio C Vidrio S

Si02 52.4 64.4 64.4 AI203, Fe203 14.4 4.1 25 Ca O 17.2 13.4 --MgO 4.6 3.3 10.3

Na20, K20 0.8 9.6 0.3

Ba203 10.6 4.7 --BaO - 0.9 --

Nota: Todos los valores en% de peso.

El vidrio E (E de eléctrico) es el más comúnmente usado ya que tiene buenas

propiedades de elasticidad, resistencia, rigidez, eléctricas y de desgaste. El vidrio

C (de corrosión) tiene una mayor resistencia a la corrosión química que el vidrio E,

pero es más caro y de propiedades mecánicas inferiores. El vidrio S es más caro

que el vidrio E pero tiene un módulo de Young mayor y es más resistente a la

temperatura; se usa en aplicaciones especiales tales como la industria

aeronáutica, en la que un módulo de Young superior puede justificar el costo

adicional [15].

Las fibras de vidrio de filamento continuo se fabrican fundiendo las materias

primas en bruto en un crisol o tanque adicionando vidrio fundido reciclado, la

mezcla pasa por a una serie de recipientes de platino, cada uno de los cuales

tiene varios centenares de orificios en su base. El vidrio fluye por gravedad y se

obtiene f inos filamentos que se estiran mecánicamente a medida que el vidrio sale

7

por los orificios. Las fibras de vidrio se enrollan en unos tambores a velocidades

de varios miles de metro por minuto [15].

Fibras de carbono.- Las fibras de carbono de alta resistencia y alto módulo

tienen un diámetro de 7 a 8 ¡.Jm y constan de pequeños cristales de grafito

turbostrático (una de las formas alotrópicas del carbono). El cual se parece mucho

a los monocristales de grafito, a excepción de que los planos de las capas no

tienen un empaquetamiento regular en la dirección del eje e y el espaciamiento

entre los planos de las capas es aproximadamente de 0.34 nm (Figura 1.1 ). Para

alcanzar un alto módulo (entre 200 GPa y 400 GPa) y resistencia, los planos de

las capas de grafito deben ser orientados paralelamente al eje de la fibra [16] .

e~ •

Figura1 .1. Configuración de los átomos de carbono en capas planas de grafito.

En la práctica las unidades cristalinas son muy pequeñas y están orientadas de

una forma poco ordenada causando defectos. Una representación esquemática de

la estructura de la fibra se presenta en la Figura 1.2, está basada en estudios

realizados con ayuda de microscopía electrónica y dispersión de rayos X de

ángulo pequeño (<1 0°), SAXS.

8

Figura 1.2. Representación esquemática de una fibra de carbono [15] .

Fibras de Boro.- Estas fibras fueron diseñadas con la finalidad de competir en

el mercado con las fibras de vidrio, que dominaban el mercado [17]. Poseen una

resistencia elevada (módulo elástico de 380 GPa a 400 GPa), por lo que compiten

con las fibras más resistentes como la de carbono, sin embargo, su uso se ha

limitado actualmente. Estas fibras son manufacturadas por deposición química en

fase de vapor de boro en alambre de tungsteno o fibra de carbono (este le sirve

como núcleo) ; debido a esta tecnología de producción, su diámetro varía entre 100

¡.Jm y 200 ¡.Jm , son extremadamente frágiles y su superficie es muy delicada.

Cuando son usadas en materiales compuestos de matriz metálica, sufren

degradación en contacto con las matrices de aluminio y titanio a las temperaturas

de procesamiento de estos materiales. Para prevenir esta degradación se usa la

deposición quím ica en fase de vapor para recubrir la fibra con una capa de 5 ¡.Jm

de carburo de silicio (SiC), a esta fibra se le llama comúnmente Borsic o Carburo

de Boro [17].

Fibras de aramida.-. Descubiertas a principios de los 60's e introducidas

comercialmente por DuPont a principios de los 70's bajo la marca comercial de

Kevlar®, estas f ibras son reconocidas por sus altas propiedades mecánicas,

siendo una de las tres más importantes para aplicaciones en materiales

compuestos junto con la fibra de vidrio y la fibra de carbono. La primera estructura

9

fue concebida por DuPont (Figura 1.3) la cual ha sufrido cambios, mejorando sus

propiedades de acuerdo a las aplicaciones, al mismo tiempo que han surgido otras

fibras a partir de la estructura básica como la de Twaron producida por Tajin [18].

n

Figura 1.3. Estructura química del Poli(p-fenilene tereftalamida) o PPTA.

La palabra aramida proviene del hibrido poliamida aromática , donde la principal

diferencia entre las poliamidas radica en que el 85 % de los grupos amida están

ligados a dos anillos aromáticos [19] . Las fibras de aramida son producidas

extrayendo una solución acida con un precursor apropiado (una policonsenzación

producida entre tereftaloilo clorado y p-fenilendiamina) a través de una placa con

pequeños orificios. Durante este proceso las moléculas de aramida adquieren un

alto grado de orientación en dirección a la fibra, de ahí obtienen sus excelentes

propiedades a tensión [20].

La Tabla 1.2 presenta una comparación entre la resistencia de las fibras de

aramida respecto a otras fibras orgánicas. La resistencia de la aramida alcanza los

2.75 GPa, o en términos textiles unos 22 gpd (gramos por denier). La fibra de

poliéster teniendo una resistencia de 1.1 O GPa o 9 gpd, es solo la mitad de

resistente con la misma densidad, esto es la razón resistencia/masa o resistencia

específica la cual es mucho mayor que el poliéster. Por otro lado, la fibra de vidrio

tiene una resistencia de 2.41 GPa, pero debido a su alta densidad, su tenacidad

apenas alcanza los 11 gpd, la mitad respecto a la fibra de aramida. Así, los tejidos

de aramida ofrecen la misma resistencia que tejidos de poliéster o fibra de vidrio

10

pero con la mitad de peso, o la misma resistencia que el alambre de acero con un

peso ligeramente menor [21 ].

Tabla 1.2. Propiedades mecánicas de fibras orgánicas utilizadas en tejido [21].

Parámetros Nylon Polyester Kevlar 29 Kevlar 49 Fibra de GIPS* . (aramida) (aramida) vidrio

Resistencia a tensión 0.965 1.1 o 2.75 2.75 2.41 1.96 (GPa) Tenacidad, gpd 9.8 9.2 22 22 10.7 2.9 Módulo (GPa) 5.51 13.78 62 .05 131 68.94 199.9 gpd 55 110 480 1000 310 290 Deformación a 18.3 14.5 4 2.8 3.5 2 fractura (%)

Gravedad específica 1.14 1.38 1.45 1.45 2.55 7.86 *Galvamzed lmproved Plow Stee/.

Debido a su excelente resistencia específica, su aplicación más importante es

en protección personal absorbiendo de forma excepcional las energías de impacto

de proyectiles. Los tipos de Kevlar más utilizados en balística son el Kevlar 29,

Kevlar 49, Kevlar 129 y Kevlar KM2, teniendo aplicaciones tan importantes como ""

los ya famosos PASGT (Personal Armor System for Ground Trops) los cuales han

sido los chalecos antibalas de la milicia estadounidense desde los años 80's hasta

2005, estando conformados a base de Kevlar 29. La vestimenta blindada utilizada

en eventos recientes como la intervención de las tropas en lraq y Afganistán

fueron confeccionadas a base de fibras de Kevlar KM2, una aramida mejorada

para balística [1 8].

Las fibras de aramida presentan una reducción en su resistencia mecánica al

ser expuestas a condiciones de humedad y temperatura, ya que al exponerlas a

temperaturas de 180 oc pierde cerca del 20% de su resistencia, si son expuestas

ante ambientes húmedos a temperatura ambiente tan solo pierden el 5 % de su

resistencia mientras que a temperaturas más elevadas con la misma humedad

11

presenta pérdidas del 1 O % en su resistencia . La temperatura de operación

continua de la aramida está entre -251 oc y 160 oc y su temperatura de

degradación está cerca de los 450 oc. Una de las debilidades más conocidas de

esta fibra es el ataque de los rayos ultravioleta, ya que al ser expuesta a

condiciones fotodegradativas de la región, la aramida presenta perdidas de

resistencia cercanas al 50 % [18 , 22, 23], limitando su aplicación sin una buena

protección UV. Otra desventaja es la pobre adhesión interfacial que presentan con

algunas resinas, por ello en algunos casos la superficie es revestida con una capa

muy fina de resina definida para cada matriz, esto ayuda a mejorar la adhesión

interfacial entre la matriz y la fibra, a este método se le conoce comúnmente con el

nombre de sizing [18].

1.2. TEJIDOS.

Las mechas pueden estar constituidas por una gran variedad de fibras, ya sean

cortas o fibras continuas; en el caso de ser fibras cortas estas tienen que pasar

por un proceso de hilado por giros, con el fin de conformar todo en una mecha; a

diferencia de las fibras cortas, las fibras continuas no requieres el hilado por giros.

A partir de estas mechas se conforman los tejidos de fibras en sus distintas

presentaciones [16] . •

Los tejidos de fibras sintéticas, o como son llamados en inglés "fabrics", están

conformados por fibras orientadas a lo largo de dos direcciones perpendiculares:

donde una dirección es llamada urdimbre (warp) y la otra es llamada trama (weft) ;

normalmente la urdimbre marca la dirección paralela a la línea de producción del

tejido . Las diferencias entre los tipos de tejidos radica en la forma en la que el

trama se va intercalando con el urdimbre en la Figura 1.4 se muestran algunas

configuraciones de los tejidos, la Figura 14a muestra una configuración tipo

tafetán, la Figura 1.4b una configuración tipo satín y la Figura 1.4c una

12

configuración tipo sarga; estos tipos de tejidos representan los más comunes

utilizados en el mercado [24] .

a)

Figura 1.4. Configuraciones de tejidos utilizados en materiales compuestos, a) Tipo tafetán, b) Tipo satín y e) Tipo sarga.

1.3. MATRICES POLIMÉRICAS.

Una manera de llevar al límite el desempeño mecánico a las fibras de ingeniería

es brindarles protección física, mantenerlas en una posición específica y al mismo

tiempo canalizar los esfuerzos hacia las fibras de la manera más adecuada . Una

matriz polimérica es un material que normalmente presenta una gran ductilidad y

una baja resistencia por lo que van de la mano en aplicaciones de ingeniería junto

con las fibras poliméricas [17].

Durante el proceso de diseño de un material compuesto , la parte más

importante es la interacción adecuada de la matriz y el refuerzo, ya que con base

en las limitaciones de cada fase se generarán limitaciones en el material

compuesto. Entre las consideraciones que no deben perderse de vista está la

temperatura, la exposición a solventes, la conductividad eléctrica, la exposición al

fuego, las condiciones ambientales y los procesos de manufactura. Estos criterios

deben ser principalmente enfocados a la matriz, ya que esta interactúa de manera

directa con las condiciones mencionadas anteriormente [24].

13

Las matrices poliméricas están divididas en dos categorías, en termoplásticas y

termofijas. Las matrices termofijas son ampl iamente utilizadas en aplicaciones de

alta ingeniería, siendo las más populares las resinas de poliéster, resinas epóxicas

y poliimidas. Las matrices termofijas se distinguen por sus altas propiedades

mecánicas, así como fácil procesabilidad y buena impregnación de fibra debido a

su presentación comercial líquida. Sin embargo, entre sus principales desventajas

esta su fragilidad , su incapacidad para ser reformadas o reblandecidas, esto se

debe a que los termofijos presentan reacciones de entrecruzamiento molecular en

tres dimensiones. La Tabla 1.3 presenta las propiedades mecánicas de las

matrices termofijas más utilizadas [25].

Tabla 1.3. Propiedades mecánicas de algunas resinas termofijas [25] .

Resina Densidad Módulo a tensión MPa Esfuerzo a tensión MPa (g/cm 3

) (1 06 psi) (1 03 psi) Epoxi 1.2- 1.4 2.5- 5.0 (0.36- 0.72) 20-100 (7.2- 16) Fenólica 1.2- 1.4 2.7- 4.1 (0.4- 0.6) 35-60 (5-9) Poliéster 1.2- 1.4 1.6 - 4.1 (0.23 - 0.6) 35- 95 (5.0 - 13.8)

Las resinas termoplásticas son más dúctiles y menos frágiles que las resinas

termofijas, lo que limita su uso en aplicaciones estructurales. Estas resinas pueden

ser fund idas por medio de calor y solidificar al enfriarse, este proceso es reversible

varias veces gracias a que estos polímeros no pr~sentan entrecruzamiento

químico en tres dimensiones; cada vez que este proceso se repite, las

propiedades mecánicas caen debido a la degradación de las cadenas poliméricas.

Estos polímeros pueden contener una fase amorfa y otra cristalina, la fase amorfa

es aquella donde las moléculas están orientadas al azar mientras que en la fase

cristalina o semicristalina las moléculas están orientadas en la misma dirección,

formando paquetes (Figura 1.5). No es posible tener polímeros con 100 % de

cristalinidad debido a la compleja estructura de las macromoléculas, pero si es

posible tener un polímero 100 % amorfo. La Tabla 1.4 presenta las propiedades

14

mecánicas de los polímeros termoplásticos más utilizados en materiales

compuestos [25].

Fase amorfa Fase cristalin

Figura 1.5. Polímero parcialmente cristalino [26] .

Tabla 1.4. Propiedades mecánicas de algunas resinas termoplásticas [25].

Resina Densidad Módulo a tensión Esfuerzo a tensión (g/cm3

) MPa (1 06 psi) MPa (1 03 psi)

Nylon 1.1 • 1.3- 3.5 (0.2 - 0.5) 55-90 (8 -13) PEEK 1.3- 1.35 3.5- 4.4 (0.5 - 0.6) 100 (14.5) PS 1.3-1.4 3.4 (0.49) 80 (11.6) Poliéster 1.3- 1.4 2.1 - 2.8 (0.3- 0.4) 55 - 60 (8 - 8. 7) Policarbonato 1.2 2.1 - 3.5 (0.3 - 0.5) 55 - 70 (8 - 1 O)

A ce tal 1.4 3.5 (0.5) 70 (1 O) PE 0.9-1.0 O. 7- 1.4 (0.1 - 0.2) 20- 35 (2.9- 5) Teflón 2.1-2.3 -- 1 o- 35 (1.5- 5.0)

Algunas de las ventajas más importantes de las matrices termoplásticas sobre

las termofijas son: no necesitan tiempo para realizar una reacción química durante

el procesamiento, resultando en procesos de producción relativamente rápidos. A

15

ellos se les suma la versatilidad de modificar los perfiles elaborados con estas

resinas, aun cuando el proceso de fabricación ya ha finalizado, ya sea fundiendo

de nuevo la pieza o reblandeciéndola para modificar su geometría. Otra ventaja es

su practicidad de almacenamiento y transporte ya que no necesitan refrigeración o

recipientes sellados [27].

Polipropileno.- El polipropileno (PP) es un polímero termoplástico

semicristalino, que se obtiene de la polimerización del propileno (ó propeno). Es

un plástico duro y resistente, opaco y con gran resistencia al calor; su temperatura

de transición vítrea (Tg) es -10 oc y su temperatura de fusión (Tm) es 173 °C.

Pertenece al grupo de las poliolefinas y es utilizado en una amplia variedad de

aplicaciones que incluyen empaques para alimentos, textiles, equipo de laboratorio

y películas transparentes [13]. Este polímero es ampliamente utilizado en el sector

automovil ístico debido a su bajo costo, baja densidad y la posibilidad de ser

reciclados. Cuenta con una densidad de 0.9 g/cm3, ofreciendo una buena

resistencia mecánica y una notable resistencia a ataques químicos [25].

1.4. ANÁLISIS INTERFACIAL DE LA MICROGOTA.

Esta técnica fue implementada en 1987 por Piggott [16] y desde entonces ha

probado su efectividad en muchos estudios enfocados a determinar la calidad

interfacial en materiales compuestos [28, 29]. Básicamente, el método consiste en

formar una pequeña gota de la matriz sobre una fibra , esta gota debe envolver a la

fibra de manera simétrica de tal suerte que pueda ser sostenida y desprendida de

la fibra que normalmente es sometida a tensión. Las propiedades mecánicas de la

interface fibra-matriz son determinadas de esta forma (Figura 1.6) .

16

Celda de

Biseles con avance micrométrico

Cabezal móvil

Gota de

Figura 1.6. Diagrama de un equipo para pruebas micromecánicas.

Si la matriz es un termofijo, la resina puede ser depositada fácilmente en la fibra

con ayuda de una jeringa. Sin embargo, en el caso de un termoplástico la literatura

recomienda el uso de pequeñas tiras del polímero, este se calienta hasta

reblandecerlo para formar la gota, cuyo tamaño depende de la cantidad de

material depositado sobre la fibra, esto genera una gran variedad de tamaños de

gota lo que, hace un tanto compleja esta técnica [28, 29].

1.5. MATERIALES COMPUESTOS.

Tal y como lo indica la palabra "material compuesto" este es un material que

está conformado por dos o más fases, las cuales difieren macroscópicamente en

composición o forma, pero que coexisten con el propósito de obtener

características especiales [15, 30]. Actualmente el término "material compuesto"

es aplicado a materiales reforzados con fibras de altas propiedades mecánicas

(continuas o discontinuas) embebidas en una matriz menos fuerte pero más dúctil.

La matriz tiene la función de mantener las fibras en una distribución adecuada, a la

vez que distribuye las cargas entre las fibras [24]. Los materiales compuestos

tienen características específicas mejoradas en comparación con los materiales

17

que lo conforman. La Figura 1.7 plasma algunas de las propiedades más comunes

que se buscan mejorar en un material; todas estas características no pueden ser

mejoradas al mismo tiempo, aunque en la mayoría de las veces no es necesario

hacerlo, por lo cual, al momento de diseñar un material compuesto este debe

cumplir las características de diseño requeridas [31].

Figura 1.7. Propiedades que buscan ser mejoradas al integrar un material compuesto [32] .

1.5.1. Clasificación de los materiales compuestos.

Entre los materiales compuestos de matriz polimérica existe una clasificación

general con base en su constitución (Figura 1.8).

Materiales Compuestos con fibras: estos materiales se caracterizan por la

presencia de fibras con una longitud mínima de 100 1-1m o' con una relación de

aspecto mayor a 10:1 .

Materiales Compuestos reforzados con hojuelas: hojuelas, también

conocidas como escamas, estos refuerzos funcionan en dos dimensiones; entre

los refuerzos de hojuelas más importantes están los de aluminio, mica y vidrio.

18

·.

Materiales Compuestos particulados: estas partícu las com únmente tienen

una geometría esférica en comparación con las hojuelas, por lo cual refuerzan en

todas direcciones a diferencia de las hojuelas o fibras. Las partículas también

pueden actuar como relleno .

Materiales Compuestos tipo relleno: se trata de un relleno en tres

dimensiones o una estructura porosa a la cual se le agrega la matriz por técnicas

especializadas, es comúnmente utilizado en compuestos tipo honeycombs o

estructuras tipo sándwich.

Materiales Compuestos laminados: son materiales conformados por distintas

capas, estas capas pueden ser de distintos materiales o incluso del mismo

material utilizado como matriz (compuestos autoreforzados) . Cada capa puede

estar orientada a direcciones específicas [30].

Reforzado con fibra Reforzado con hojuelas Particulados

Relleno Laminados

Figura 1.8. Clasificación de materiales compuestos con base en su conformación [30] .

19

1.5.2. Aplicaciones de los materiales compuestos.

Los materiales compuestos normalmente son usados en aplicaciones donde se

requiere un gran desempeño y bajo peso (resistencia específica), por ejemplo en

aeronáutica: el avión comercial Boeing 787 Dreamlíner cuenta con el 50 % de su

estructura en materiales compuestos (Figura 1.9), repartidos ente el fuselaje ,

estabilizadores y alas [33].

Otros

Acero

Tita nio

Aluminio

Compuestos avanzados

Figura 1.9. Distribución de materiales en el Boeing 787 Dreamlíner.

Estas aplicaciones de alta ingeniería se deben a las ventajas que presentan los

materiales compuestos; algunas de las más importantes según Sanjay y

Pazumdar [25] son mencionadas a continuación:

Gran versatilidad para integrarse en sistemas donde prevalecen componentes

metálicos o de otros materiales.

Los materiales compuestos estructurales presentan ·la bondad de poder

integrar sensores en su interior, que permiten monitorear el comportamiento

del material durante su tiempo real de uso. Estos materiales son llamados

"materiales inteligentes".

En aplicaciones sometidas a fatiga presentan un comportam iento mucho mejor

que el aluminio o el acero, siendo más ligeros que estos.

20

·-

Alta resistencia a sustancias químicas y ambientes corrosivos en comparación

con el acero y el aluminio.

Presentan un coeficiente de dilatación térmica mucho menor que los metales,

permitiendo aplicaciones con alto grado de precisión .

Tienen la capacidad de generar partes complejas con apariencias y contornos ' especiales los cuales a veces son imposibles de lograr con los metales,

introduciendo un proceso de manufactura adecuado , se logra el iminar de la

competencia a cualquier material tradicionalmente usado.

Los materiales compuestos ofrecen altas propiedades a impacto, incluso

mayores que el aluminio (Figura 1.1 O). El refuerzo más utilizado en este tipo

de material son los de fibras continuas de vidrio o de aramida.

16

14

"2 12

:a "T 10 E. "8 8 ~ .,

6 il ::1

rr. 4

2

o Al

PP~G40 = Long G/ass Fiber PP composite with 40% fiber content. PPSLG50 =Long G/ass Fiber Po/yurethane with 50% fiber content. PPSLG50 =Long G/ass Fiber PPS Composite With 50% fiber content

Mg Nylon LG60 Nylon PPLG40 PPSG40 PPSLG50 PULG60 SG40

Material

Figura 1.1 O. Gráfica Comparativa de varios materiales ante pruebas de impacto lzod [25].

En· algunos casos, un material compuesto es expuesto a impactos frontales ya

sea de alta o baja velocidad; cada caso tiene un efecto distinto en el material

compuesto. Una de las diferencias más importantes entre estos dos tipos de

21

impacto es la clase de daño que generan; los impactos de baja velocidad no

causan un daño visible, pero si fallas interlaminares e intralaminares, que son

difíciles de detectar a simple vista y reducen la resistencia local del material [34].

Los impactos de alta velocidad generalmente son ocasionados por cuerpos

pequeños los cuales viajan a altas velocidades (entre 500 y 2000 m/s) , debido a

las dimensiones del proyectil las presiones alcanzadas en este tipo de eventos

suelen ser muy elevadas, ocasionando que el daño sea importante ya que tienen

la capacidad de perforar completamente el material. Debido a las presiones y las

velocidades involucradas en este tipo de impacto, los mecanismos de falla

generados son diferentes y más complejos a los presentes en un impacto de baja

velocidad, por lo cual es más difícil de interpretar. La disciplina encargada de

analizar un impacto de alta velocidad en un cuerpo u objetivo es la balística

terminal.

1.5.3. Caracterización de materiales.

Desde la aparición de los materiales poliméricos en los años 40's, su uso en

diferentes áreas se han incrementado de manera exponencial cubriendo ámbitos

tan sencillos como artículos de cocina hasta aplicaciones aeroespaciales. La

implementación de estos materiales a dichos sectores se basa en las capacidades

y limitaciones que pueden ofrecer satisfactoriamente, haciendo necesaria la

caracterización de las propiedades de los materiales.

Básicamente, las propiedades primordiales en un material polimérico se dividen

en seis familias : las propiedades mecánicas, propiedades térmicas, eléctricas,

ópticas, características de envejecimiento y químicas. En aplicaciones muy

concretas, estos materiales pueden incluir algún tipo de respuesta no clasificable

dentro de estas seis familias [35].

Dependiendo de la aplicación del material será el tipo de caracterización que se

implementará, aunque un material innovador amerita conocer todas sus

propiedades para poder definir sus alcances y limitaciones. Entre los tipos de

22

caracterización más realizadas están las mecánicas (ASTM D 4762) [36], la cuales

se describen a continuación:

Ensayos de tracción (ASTM D 3039) [37].- Esta prueba consiste en aplicar un

esfuerzo unidireccional a una muestra bien definida a bajas velocidades de

deformación (Figura 1.11 a). Esta técnica es muy utilizada en el ámbito científico e

industrial, ya que monitorea la respuesta del material con base en la carga

mecánica aplicada generando una curva llamada diagrama Esfuerzo/Deformación.

(Figura 1.11 b).

a) b) e

(J

o

Figura 1.11. a) Probeta ometida a esfuerzos a tracción , b) diagrama Esfuerzo/Deformación.

Este diagrama se divide básicamente en tres regiones; la región 0-A define el

comportamiento elástico del material donde éste es capaz de regresar a su forma

original sin presentar deformación permanente, este estado se describe por la ley

de Hooke. La región A-8 se define como la zona de fluencia, donde las

deformaciones en frio son permanentes, en este punto el esfuerzo se mantiene

constante debido a la reducción del área transversal, un hecho que se manifiesta

por la formación de un cuello en la probeta, al mismo tiempo que se adquiere

23

cierta orientación molecular la cual da origen a la zona B-C; esta última zona

presenta un incremento en la resistencia del material debido a la orientación

molecular del material, después de un leve incremento en el esfuerzo se presenta

el punto e llamado punto de ruptura.

En términos mecánicos, los datos más importantes obtenidos de estos ensayos

son: el módulo elástico, la resistencia a la tracción en fluencia y en rotura, así

como los niveles de deformación correspondientes y la razón de Poisson que

representa la razón entre la deformación transversal respecto a la deformación

longitudinal.

Ensayos de flexión (ASTM D 7264) [38].- El esfuerzo a flexión es definido

como la tensión máxima experimentada por el material en la sección de la probeta

situada en la zona de apl icación de la carga y se calcula a partir de las leyes de

elasticidad ideal suponiendo que la zona neutra (la que no es sometida a ningún

esfuerzo) coincide con el eje geométrico de la probeta [35]. Estos ensayos tienen

un especial interés debido a que, aun cuando se aplica una carga normal al

material (Figura 1.12), en éste se generan esfuerzos de tracción, compresión y

cizalla, los cuales no pueden ser determinados independientemente para

establecer el esfuerzo a flexión, que es una clara medida de la falta de

homogeneidad en los materiales compuestos poliméricos [35, 39].

Los ensayos de flexión pueden ser utilizados como un método de control de

calidad durante un proceso de fabricación estructural , su principal objetivo es

determ inar el esfuerzo a flexión y el modulo a flexión del material.

24

Eje neutro

Figura 1.12. Ensayo de flexión. Viga simplemente apoyada y carga transversal uniformemente distribuida.

Ensayos a compresión (ASTM D 341 O) [40].- Este tipo de ensayos aplica un

esfuerzo normal en condiciones similares a los ensayos a tracción pero en una

dirección opuesta (Figura 1.13). Estas pruebas normalmente son aplicadas a

materiales muy tenaces como el caso de materiales reforzados de matrices

termoestables.

Figura 1.13. Ensayo de una muestra a compresión .

Un material isotrópico presenta un comportamiento a tensión y compresión

similar, sin embargo las características viscoelásticas de los termoplásticos y el

25

carácter anisótropo de los materiales compuestos hacen que normalmente no se

ensayen a compresión.

Los parámetros más importantes obtenidos en estas pruebas son el esfuerzo y

deformación últimos a compresión, módulo elástico a compresión y la razón de

Poisson a compresión.

Ensayos a cortante.- Los ensayos a cortante se realizan con el fin de obtener

el esfuerzo a cortante y/o el módulo a cortante; aunque, estas propiedades no

siempre se pueden determinar de una misma muestra ya que depende de la

técnica utilizada. La curva del esfuerzo a cortante rara vez presenta un

comportamiento lineal, por lo cual, es necesaria la curva desde el inicio hasta la

fractura del material para visualizar el comportamiento completo del material

sometido a cortante.

Una de las deficiencias de las técnicas de ensayo a cortante , es alcanzar un

estado de esfuerzo cortante puro y uniforme en la zona de prueba (Figura 1.14).

Debido a esto se han creado muchas técnicas las cuales intentan generar esta

condición ideal con la menor cantidad de esfuerzos combinados. Entre las

técnicas mencionadas y reconocidas en la literatura están ; losipescu (ASTM D

5379), cortante a dos y tres rieles (ASTM D 4255), tensión a ±45° · (ASTM 3518) y

cortante de viga corta (ASTM D 2344) [41].

Entre estas técnicas, losipescu cumple con el mayor número de requerimientos

con base en una prueba de cortante ideal. Los ensayos a tensión en ±45° utilizan

una geometría bastante simple en sus probetas; sin embargo, la influencia de un

estado de esfuerzos biaxiales limita la medición de los esfuerzos a cortante reales

en la muestra. Las demás técnicas mencionadas en la literatura presentan serias

deficiencias, las cuales limitan su potencial [39].

26

2 -l ~:

2

Yu1 .. 1

Figura 1.1 4. Definición en un plano del esfuerzo (r12 ) y deformación (y12 ) a cortante [39].

Ensayos de impacto.- Estos ensayos se caracterizan por la rapidez con la que

ocurre la fractura, transmitiendo la energía mecánica en forma puntual e

instantánea. Los parámetros más representativos en estos ensayos son la energía

necesaria para iniciar una fractura y la energía necesaria para propagar la fractura

ya iniciada.

Suelen ser dos los modos de prueba más habituales para probetas sometidas a

impacto, en los que una viga simplemente apoyada soporta la caída puntual de un

péndulo. En el modo llamado ensayo de impacto Charpy (ASTM D 611 0), el

extremo de la probeta se empotra y el impacto se produce en la región del

voladizo (Figura 1.15a). El segundo modo utilizado es llamado ensayo de impacto

lzod (ASTM D 256), en el cual la probeta se sostiene hasta el límite de la entalla

recibiendo el impacto detrás de esta (Figura 1.15b).

Una variante de los ensayos de impacto son aquellos denominados impactos de

alta velocidad, en éstos se evalúa el comportamiento del material ante impactos

frontales con un proyectil. Se caracterizan por generar respuestas muy locales a

nivel estructural, donde el fallo se presenta en forma de penetración. Debido a la

complejidad en el análisis de los ensayos por la rapidez con que ocurre este

evento, se generó una disciplina que se enfoca en estudiar la interacción del

material y el proyectil con base en parámetros estadísticos, esta disciplina es

llamada balística.

27

b)

Mordaza Soportes

Impacto del péndulo

Figura 1.15. a) Ensayos de impacto Charpy, b) Ensayos de impacto Izad.

Los estándares que rigen estas pruebas también suelen ser controversiales, ya

que cada país tiene su propio estándar, el cual en muchas ocasiones no es

respetado por el mismo país que lo estableció [42] . Entre las normas más

conocidas de acuerdo a su uso están:

MIL-STD-662F

NIL Standard 0101 .04 for /aw enforcements vest

NIJ Standard 0101 .08

lnternational Standard, ISO/FDIS 14876

STANAG 2920

PSDB •

Los vehículos blindados como los aviones de carga y helicópteros utilizan una

serie de especificaciones. Sin embargo, la especificación para la manufactura de

materiales ligeros y las pruebas balísticas generalmente siguen los lineamientos

de la norma MIL-L-624748.

Prueba de desgarre (ASTM O 2261 ). La resistencia al desgarre, o también

conocida como tearing es una prueba sensible a muchas propiedades de una tela,

como son recubrimientos, configuración de tejido, denier y otros factores [43, 44].

Esta prueba es utilizada frecuentemente para caracterizar los cambios

28

experimentados por una tela cuando ha sido expuesta a ambientes húmedos o

degradantes, permitiendo determinar cómo cambia la fricción que se genera entre

los nodos del tejido ante el envejecimiento. Si esta fricción aumenta, la resistencia

al desgarre aumenta, lo que se reflejaría en un aumento en la resistencia balística

según lo demuestran algunos estudios [3] . Si la resistencia al desgarre disminuye

debido a la lubricación de los nodos entre las fibras, se reduce el límite balístico

del material; todo depende del efecto que tenga el envejecimiento acelerado en el

material.

La norma ASTM 02261 [43] establece las condiciones de prueba: una muestra

rectangular de un tejido, es cortada parcialmente por el centro para formar dos

tiras (Figura 1.16a). La muestra se monta en la máquina de pruebas de tal manera

que cada una de las tiras sea sujetada por las mordazas (Figura 1.16b). La

velocidad de cabezal de la prueba es de 10 mm/min, estableciendo un máximo de

apertura entre las mordazas de 7 cm . Los datos colectados son utilizados para

generar una curva esfuerzo/desplazamiento. Los datos reportados incluyen el

promedio de los cinco picos más altos, así como el valor del pico más alto de una

sola muestra.

a) b)

T :...._.:.....__~· 7.5 cm

!-----------' 1 1~ >1

Mordazas

/

Figura 1.16. Muestra para prueba de desgarre, a) Muestra con corte central , b)

Muestra montada en la máquina universal de pruebas mecánicas.

29

1.6. BALÍSTICA.

Balística es una disciplina que ha sido estudiada desde mediados del siglo XVI

por grandes personajes de la ciencia como Newton, LaGrange y Bemoulli , y más

recientemente por James Paris Lee y Benjamín Robins, inventores del rifle Lee­

Enfield y el péndulo balístico, respectivamente [4, 45]. La palabra balística se

define como el estudio de la propulsión, vuelo e impacto de un proyectil. Esta

disciplina se divide básicamente en cuatro partes: balística interior, balística

intermedia, balística exterior y balística terminal.

Balística interior: Se refiere al estudio de la interacción del dispositivo

propulsor con el proyectil. Incluye el proceso de ignición y combustión del

propulsor, la presión que el propulsor genera en la cámara de combustión , los

primeros movimientos del proyectil, la dinámica del proyectil dependiendo del

calibre y la dinámica que experimenta en el cañón durante el proceso de disparo.

Balística intermedia: Inicialmente esta categoría se incluía en balística interior,

sin embargo, la aparición de dispositivos que afectan la velocidad de salida como

los supresores de ruido y los sabots (calces de ajuste del proyectil), condujo a la

creación de la balística intermedia, que estudia el comportamiento del proyectil

desde el momento en que comienza a moverse, hasta que abandona por completo

el cañón. •

Balística exterior: Algunas veces llamada aero-balistica, estudia el

comportamiento del proyectil desde el momento que abandona el cañón, hasta

que impacta el objetivo. Este estudio incluye la velocidad de salida del proyectil , la

frecuencia de giro y las propiedades físicas del proyectil, como son masa y

geometría.

Balística terminal: Se enfoca al estudio del impacto entre el proyectil y su

blanco, que involucra parámetros como mecanismos de penetración, efectos del

tipo de arma, fragmentación del proyectil y efectos en el objetivo pudierdo ser

30

desde un organismo vivo hasta material radioactiva. Esta balística es la de mayor

interés, ya que desde el punto de vista del ataque, el objetivo es conseguir la

mayor penetración o daño en un blanco, por otro lado, desde el punto de vista de

la protección el objetivo es evitar el daño.

La balística terminal, en general estudia la relación entrada/salida de un

proyectil en un sustrato, sin embargo, se enfrenta también a un problema derivado

de la naturaleza estocástica de los eventos que involucran este proceso. Por

ejemplo, es fácil diseñar un blindaje y probarlo en el laboratorio bajo determinadas

condiciones, sin embargo, estas condiciones son difíciles de encontrar en una

situación real; un usuario de blindaje jamás pondrá a prueba la resistencia de su

blindaje ante las mismas condiciones que fue probado en un laboratorio, como son

el ángulo de contacto, distancia de tiro, temperatura , humedad, por mencionar

algunas.

La balística terminal estudia como un proyectil es disparado e impacta un

blanco, que normalmente es una persona u objeto valioso o importante de

conservar íntegro; es en este punto donde entran en juego los blindajes, los cuales

se definen como un material interpuesto entre el blanco y el proyectil , dicho

material debe ser capaz de detener al menos un proyectil de cal ibre crítico .22 LR,

mejor conocido como calibre 22 [46]. Para no caer en confusiones se recomienda

consultar el Anexo 1 para la definición del calibre de un proyectil.

Un blindaje falla cuando se crea en su superficie una discontinuidad, o

simplemente cuando ha sido perforado. Una discontinuidad es considerada como

una perforación, si después de remover los remanentes del material , la luz es

capaz de atravesar el blanco. El origen estocástico de estas pruebas hace

necesaria la definición de un parámetro estadístico que se basa en la penetración

del material: Cuando a cierta velocidad de proyectil , el blanco falla el 1 O % de las

veces que es impactado, en este caso se usa el parámetro V10; si el material falla

el 50 % de las veces que es impactado el parámetro usado es V 50 y si falla el 90 %

31

de las veces entonces se usa V90. La selección de estos parámetros al momento

de diseñar un blindaje depende de la aplicación y el factor se seguridad que se

requiera. La Figura 1.17 ilustra gráficamente la probabilidad de penetración en un

evento bal ístico con base al parámetro estadístico utilizado, demostrando la

importancia que tiene la selección adecuada de éste ya que está directamente . relacionado con el número de veces que falla un material sometido a alto impacto

de un tipo de proyectil específico.

e •O ·u ~ Q) e Q) c.. Q) 'O 'O ro ;g

:.0 ro .!l e

a..

0.90

0.50

0.10

V1o V5o Vgo

Velocidad de impacto

Figura 1.17. Parámetro estadístico de penetración utilizado en balística .

• El parámetro estadístico más utilizado es el V50, conocido como el Límite

Balístico que es calculado con la Ecuación 1 usando la velocidad promedio de 6

impactos, tres que hayan atravesado totalmente el blindaje y tres que lo hayan

atravesado parcialmente; la diferencia de velocidad entre estos dos puntos no

debe ser mayor a 60 m/s. Teóricamente , el limite balístico se define como la

velocidad a la cual un proyectil impacta el material, lo atraviesa y sale de él con

una velocidad residual de cero en al menos el 50 % de las veces que el material

es impactado [4] .

32

6

¿~ f'so =~

6 (1)

La balística terminal utiliza algunos materiales de prueba como blanco que

complementan sus resultados, estos materiales son especialmente utilizados en

aplicaciones forenses, entre los más destacados esta la gelatina balística y el

material testigo.

La Gelatina Balística es muy utilizada en balística terminal, sirve para simular el

daño ocasionado en la masa muscular de una persona debido a la similitud que

muestran en consistencia y absorción de energía. Es ampliamente utilizada por

organismos como el FBI para reconstrucción de crímenes, siendo una gran

herramienta en este ámbito.

Otra aplicación que tiene la gelatina balística es la medición de la energía

residual de un proyectil cuando sobrepasa el límite balístico de un blindaje; esta

prueba normalmente e realiza situando la gelatina justo detrás del blindaje a

probar. La energía residual está directamente relacionada con la masa y la

velocidad del proyectil justo al atravesar un blindaje; y esta velocidad está

relacionada con la distancia recorrida por el proyectil dentro de la gelatina después

de atravesar el blindaje [47]. La gelatina balística es inicialmente calibrada

sometiéndola directamente a impactos frontales a distintas velocidades de

proyectil y midiendo la distancia penetrada por el proyectil _en la gelatina; mediante

una regresión lineal se encuentra la relación entre la distancia penetrada y la

velocidad del proyectil, de tal forma que al probar el blindaje real se puede

determinar la velocidad residual del proyectil al atravesar el blindaje. La energía

residual se calcula con base a la energía de impacto (E), calculada con la

Ecuación 2.

1 E=-mv2

2 (2)

33

Un Material Testigo según la norma mexicana para chalecos antibala [48] es el

material utilizado para caracterizar la deformación posterior generado por un

impacto en un material balístico . Normalmente el material testigo utilizado en

pruebas balísticas es un bloque homogéneo de plastilina Roma 1 que se sitúa en

la parte posterior del material balístico a probar [48].

El blindaje a prueba es impactado en su límite balístico y la velocidad del

proyecti l producirá una máxima deformación (o) que se mide desde la superficie

inalterada del material testigo hasta el punto más bajo de la depresión, llamada

trauma (Figura 1.18). La máxima longitud permitida por la norma mexicana es de

40 mm, mientras que otras normas como la Argentina permiten 44 [46] y otras más

estrictas como la Europea solo permite 20 mm.

Figura 1 .18. Deformación en el material testigo.

1.7. IMPACTOS DE ALTA VELOCIDAD.

Las pruebas de impacto de alta velocidad se realizan con ayuda de un

dispositivo llamado cañón de gas, este equipo se basa en la generación de alta

presión en un recipiente cerrado, la cual al ser liberada canaliza la energía cinética

del gas para acelerar un pequeño proyectil, que se impacta contra el material de

un blanco [4, 49]. Básicamente existen dos tipos de cañones, con propulsor

precalentado y propulsor sin calentar o también llamado cañón de proceso

isentrópico. En el primer caso el gas es calentado por efecto del rápido aumento

de presión, esto hace al cañón más eficiente ya que el gas adquiere mayor

34

energía con la temperatura. Sin embargo, estas temperaturas pueden alcanzar

hasta 1000 oc, por tanto, el diseño del cañón de gas debe ser robusto. En el cado

de un cañón con proceso isentrópico, el gas es lentamente comprimido hasta

alcanzar la presión deseada (aunque si existen cambios de temperatura, se

consideran nulos para cuestiones prácticas) , estos equipos son menos robustos

ya que la temperatura no afecta la resistencia de la cámara de almacenamiento

[49]. La velocidad de impacto (v) y la masa del proyectil (m) son usadas para

calcular la energía cinética (H) con la cual el proyectil impacta el blanco (Ecuación

2).

Los estudios a materiales sometidos a impacto se clasifican en función de la

velocidad de prueba a la que fueron sometidos. Es muy difícil ofrecer una

clasificación absoluta, ya que el comportamiento final del material dependerá

mucho de algunas variables relacionadas al proyectil como son el material del que

está hecho éste, su geometría y el ángulo de impacto, entro otros. Sin embargo,

existe una propuesta sobre esta clasificación [1, 2], tal y como se presenta en la

Tabla 1.5.

Tabla 1.5. Régimen de velocidad en balística [1 , 2].

Clasificación Intervalo de velocidad Comportamiento del material (m/s)

Baja velocidad • V< 50 Efectos elásticos y deformación plástica generalizada

Velocidad media 50< V< 500 Deformación plástica generalizada

Velocidad alta 500 <V< 2000 La resistencia viscosa del material aún tiene importancia

Hipervelocidad o 2000 <V El material puede considerarse ultra alta velocidad como un fluido hidrodinámico

35

Esta clasificación muestra claramente cómo cambia el comportam iento del

material de acuerdo a la velocidad de impacto. Estos cambios se deben a

fenómenos como:

- Dinámica y vibraciones estructurales: Este aspecto es relevante en

impactos de baja velocidad, ya que influye mucho la geometría. del objetivo

impactado.

- Propagación de ondas de tensión y de choque: Este comportamiento es

importante a velocidades medias y bajas ya que a impactos de ultra alta

velocidad, estas ondas se convierten en ondas de choque.

- Comportamiento no lineal del material: Entra en juego el comportamiento

no Newtoniano de los polímeros, debido a que su respuesta depende de la

rapidez de la deformación aplicada. Aunque a velocidades muy elevadas el

material se comporta como un fluido, siendo despreciable su resistencia.

- Grandes deformaciones: La deformación unitaria de algunos materiales

en estado sólido puede llegar a ser del 1 00 % o más; cuando son sometidos a

presiones muy elevadas se comportan como un fluido, presentando

deformaciones muy grandes.

- Contacto y fenómenos de interface en los contornos: Éste es quizá el

concepto más importante en impacto, ya que es el medio para la transferencia de

cargas. •

- Penetración y perforación: Se refiere a la penetración del blanco sin que

el proyectil lo traspase. Cuando el blanco es perforado, el proyectil lo atraviesa

por completo.

- Fenómenos locales de ruptura: Se refiere a los mecanismos de

penetración que se presentan de acuerdo a las propiedades del material del

blanco. Corte (Piugging), Perforación (Piercing), Floreado (Petalling), Costra

(Scabbing) y Desprendimiento (Spalling) (Figura 1.19) [4].

36

Corte (Piugging)

Perforación (Piercing)

Floreado (Petalling)

Costra (Scabbing)

Desprendimiento (Spalling)

Perforado Sin perforar

e o (t) o

* 1 COstra

Desprendimientos

Figura 1.19. Mecanismos de penetración de acuerdo al tipo de material impactado [4].

Los eventos de penetración o fractura son los fenómenos más complicados

debido a la rapidez con la que se aplican las cargas y a la consecuente

temperatura generada. Algunos de estos fenómenos son explicados a

continuación:

Corte adiabático.- Este concepto se aplica a perforaciones donde se genera un

tapón por corte (Piugging). Al inicio del impacto el proyectil genera un esfuerzo

cortante en forma de anillo sobre el blanco, esto ocurre tan rápido (-¡.Js) que el

blanco no tiene el tiempo para deformarse y el calor generado no tiene tiempo de

disiparse, ocasionando elevadas temperaturas localmente que debilitan al

material, ocasionando la falla y el flujo plástico del mismo, lo que genera un tapón

en la parte posterior del material [50].

Erosión hidrodinámica.- Este fenómeno es utilizado para el corte de

materiales con fluidos, tal y como la tecnología de corte por agua. Este fenómeno

37

se presenta en balística cuando un proyectil de un material más blando que el

blanco impacta a velocidades superiores a 1000 m/s. Durante la erosión

hidrodinámica, el proyectil obliga al material a ceder, de la misma manera que lo

hace un golpe muy fuerte. La deformación del proyectil y la velocidad que lleva

éste hace que el agujero de penetración sea más grande que el diámetro del

proyectil [4, 50] .

Velocidad de transición hidrodinámica.- Es una velocidad lím ite que, por

debajo de ella, el material del blanco tiene un comportamiento elástico, y por

encima de ella, el material presenta el comportamiento de flujo .

Bandas de cortante (Shear banding).- Son zonas de intensa deformación

plástica que experimenta un proyectil al impactar con un objetivo (normalmente se

presenta cuando se utilizan proyectiles de uranio empobrecido o tungsteno) el

fenómeno influye en la penetración del proyectil debido a la geometría que este

puede tomar durante la penetración. La Figura 1.20 compara las bandas de

penetración entre el uranio y el tungsteno; el uranio presenta una geometría de

deformación más cónica que ocasiona una penetración más profunda [4, 51] .

Figura 1.20. Bandas de cortante (Shear banding) analizada por métodos numéricos, a) Proyectil de uranio b) Proyectil de tungsteno [52].

'. 38

1.8. BLINDAJES POLIMÉRICOS.

Por siglos los blindajes personales han evolucionado pasando de ser pesadas

armaduras a ligeros atuendos, en algunas ocasiones casi imperceptibles. La

necesidad de este tipo de vestimenta se originó en el ámbito militar, que requiere

una alta protección para su personal en el campo de batalla com~inada con la

mayor agilidad posible. Estos requerimientos han sido satisfechos de una manera

bastante cómoda con la aparición de las fibras poliméricas, las cuales ofrecen una

resistencia especifica muy superior a los materiales utilizados tradicionalmente.

Los primeros . blindajes personales de fibras poliméricas fueron construidos

durante la segunda guerra mundial a partir de fibras de nylon o de fibras de vidrio

clase E embebidas en una matriz de etil celulosa [18], esto marcó la introducción

de materiales compuestos de matriz polimérica en este ámbito y contribuyó al

desarrollo de aeronaves que requerían el menor peso posible en su fuselaje y la

mayor resistencia balística. En la actualidad las fibras más utilizadas para

blindajes son las de aramida y las de polieti leno de ultra alto peso molecular

(UHMWPE).

Los blindajes de fibras poliméricas altamente flexibles basan su resistencia

balística en un mecanismo de absorción de energía en el que la carga impactada

es transferida a una red de ibras (tejido) que están en contacto con el proyectil ,

ocasionando que la resistencia a la penetración este altamente relacionada a

parámetros exclusivos del tejido [46]. por lo tanto, la resistencia balística depende

en gran parte de la interacción entre los nodos del tejido . Esto hace necesario

recubrir las fibras de tal manera que las aísle de la humedad, la cual pudiera

afectar la resistencia balística del tejido, ya sea degradando las fibras,

lubricándolas en exceso y/o permitiendo la apertura de los hilos con mayor

facilidad al contacto con el proyectil.

La fricción entre nodos de un blindaje promueve una mejor transferencia de

cargas entre mechas de fibras ya que restringe su movilidad; esta es a su vez

39

incrementa por la matriz polimérica, lo que le confiere a un material compuesto el

grado de blindaje (armar-grade composite). La restricción de movimiento de las

fibras incrementa la interacción entre ellas y genera otros mecanismos de falla

(delaminación interlaminar e intralaminar) que contribuyen al proceso de absorción

de energía [3], sin embargo, el grado de restricción de movimiento no debe ser tan . alto que genere fragilidad. La Figura 1.21 muestra la diferencia entre un blindaje

con (Figura 1.21 a) y sin matriz polimérica (Figura 1.21 b}, claramente se nota que

la matriz limita el movimiento de las fibras, ocasionando que muchas más

interactúen entre ellas en un evento de impacto.

Figura 1.21 . Muestra de aramida impactada a distintas velocidades, a) Sin matriz polimérica, b) con matriz de polipropileno.

Los materiales compuestos de grado blindaje ·presentan varias desventajas,

como la sensibilidad de su resistencia a los procedimientos de manufactura, el alto

costo de sus procesos de producción, la sensibilidad y dificultad para localizar

daños generados a bajo impacto, y la desventaja más importante es su dificultad

para modelar su comportamiento mecánico debido al gran número de parámetros

involucrados [53] derivados del gran número de mecanismos de falla que

intervienen en el proceso de absorción de energía en un evento balístico, así

40

como a la naturaleza viscoelástica de los materiales poliméricos que los hace

altamente dependientes de la velocidad de impacto.

1.8.1. Efectos del envejecimiento en los blindajes poliméricos.

Estos ensayos se realizan para determinar el comportamiento de un material

ante los efectos de factores naturales como la temperatura, humeda'd y espectro

de luz visible. A nivel laboratorio, estos ensayos se realizan de manera acelerada

dentro cámaras cerradas bajo condiciones artificiales controladas, siendo el fin

principal , establecer una relación entre un corto lapso de tiempo a nivel laboratorio

y el comportamiento del material a condiciones naturales. Lograr esta correlación

ha generado mucha controversia en el ámbito científico; ya que, las condiciones

tan contrastantes que se tiene con el envejecimiento natural y el acelerado

(longitudes de onda menor que la luz visible , temperaturas por encima de la

temperatura ambiente y porcentajes de humedad relativa de hasta el 100 %)

complican establecer una correlación con cierto grado de precisión .

Este tipo de ensayos se practican en cámaras especiales llamadas de

envejecimiento acelerado (Figura 1.22), estos aparatos son capaces de manipular

parámetros en su interior, tales como: la temperatura, el porcentaje de humedad

relativa y la longitud de onda en la luz irradiada, siendo el espectro ultravioleta el

más utilizado para estas pruebas; estas condiciones son aplicadas a muestras de

materiales bajo ciclos determinados por el usuario con base en estándares

establecidos.

41

Figura 1.22. Cámara de envejecimiento acelerado marca QUV modelo KJ-9029.

Está comprobado que los chalecos antibalas constituidos por blindajes

poliméricos, modifican sus propiedades ante ambientes húmedos, debido a la

presencia de la humedad (no necesariamente absorbida) que lubrica los nodos y

las mechas de fibras, y por tanto reduce la transferencia de, carga entre los hilos.

Esto no reduce la resistencia de las fibras, pero si la resistencia a la penetración

del tejido [46, 54], debido a que ofrecen menor resistencia al paso de un proyectil.

Existen algunos estudios [55-57] que reflejan como un tejido de fibra puede

perder resistencia al ser expuesto a condiciones de humedad y/o temperatura,

como el que expone Chin et al. [56] quien sometió a condiciones de humedad de

hasta 60 % y temperatura de 60 oc chalecos antibalas de PBO poli(fenilen-2-6

benzobisoxazol}, demostrando que la fibra pierde un 30 % de su resistencia

después de 84 días de exposición; este deterioro de las propiedades fue atribuido

a la apertura del anillo de benzoxazole, creando grupos funcionales con la

posterior hidrólisis de la amida.

Las aramidas son ligeramente afectadas por la humedad, se ha reportado que

ante ambientes cálidos/húmedos, pierden un 20 %de sus propiedades mecánicas

[44, 58]. Sin embargo, este efecto es más perceptible en materiales compuestos

42

de aramida, tal como lo demuestra el estudio realizado por lmielinska y Guillaumat

[59], donde comprobaron que la humedad causa cierto deterioro en los materiales

compuestos, sobre todo en las zonas donde la dilatación por curado forma

pequeñas grietas. Esto afecta directamente la resistencia a impacto, siendo más

evidente que en otras pruebas mecánicas.

Los blindajes personales, siempre están expuestos a condiciones de humedad,

temperatura, calor corporal, soluciones acidas como el sudor, entre otras. Por esto

es necesario entender el comportamiento que tienen estos materiales ante

ambientes de humedad y temperatura. Una forma de evaluar este comportamiento

es por medio de envejecimiento acelerado.

No cabe duda que la correlación entre el envejecimiento acelerado y el

envejecimiento natural es un tema de gran controversia, incrementada por las

condiciones de prueba tan contrastantes que existen entre estos dos métodos. El

envejecimiento natural se caracteriza por exponer el material a condiciones reales:

temperatura ambiente, espectro de luz visible, ciclos de humedad normales.

Mientras que en envejecimiento acelerado se incrementa la temperatura, las

longitudes de onda utilizadas son menores que las naturales, siendo el espectro

ultravioleta el más utilizado. Así también se expone a humedad relativa de hasta el

100 %. Todo esto hace muy difícil una correlación entre ambos métodos .

• Muchos estudios han sido realizados con el fin de relacionar el envejecimiento

acelerado con el envejecimiento natural, como el que presenta Robert [60] donde

realizó estudios a la par con 13 polímeros, y por medio de pruebas mecánicas y

químicas intento establecer una relación entre el envejecimiento en una cámara de

intemperismo y su exposición a envejecimiento natural, llegando a una relación , en

algunos casos, de 3:24; donde tres meses en envejecimiento acelerado

representan 24 meses en envejecimiento natural. Algunos estudios demuestran

que la humedad ataca a los materiales compuestos penetrando en ellos y

43

formando grietas, las cuales pueden contener humedad que debilita al material

compuesto ante impacto.

1.9. MODELADO DEL COMPORTAMIENTO DE UN MATERIAL SOMETIDO A

ALTO IMPACTO.

Una de las razones para establecer un modelo matemático que describa el

comportamiento de un material sometido a alto impacto es el elevado costo de las

pruebas experimentales necesarias para el diseño adecuado de un material

balístico. La aparición de complejos y modernos códigos de modelado en

elemento finito ha reducido este problema a conocer las propiedades mecánicas

adecuadas y a la necesidad de una computadora lo suficientemente poderosa

[34].

La cantidad de estudios realizados sobre el modelado de las propiedades de un

material sometido a alto impacto es reducida, debido a las exigencias tecnológicas

y el nivel de complejidad que este tipo de pruebas necesita. Sin embargo, entre los

estudios más importantes realizados se puede mencionar los siguientes:

Guoqi et á/. [61] Presentaron un modelo analítico evaluado en placas de Kevlar

29/poliéster impactadas por un proyectil con punta cónica de acero. Este modelo

fue dividido en tres fases, que a pesar de ser consecutivas no interactuaban entre

sí: indentación, perforación del laminado y la salida del proyectil. Lograron

determinar cinco mecanismos de absorción de energía en un evento balístico: la

indentación, la formación del cono en el lado posterior del laminado, el fallo de las

fibras, la delaminación y la fricción . Con este modelo es posible evaluar la

velocidad residual del proyectil, el límite balístico, y con base en el tiempo de

contacto es posible evaluar el desplazamiento, la velocidad y la desaceleración del

proyectil.

44

Vinson y Walker [62] desarrollaron un modelo para evaluar los parámetros

balísticos más representativos de un material compuesto de fibra de

carbono/epoxi. Se basa principalmente en la teoría de placa y en consideraciones

geométricas que permiten predecir la deformación en la placa, el desplazamiento

del cono formado, la velocidad residual y el límite balístico en función del tiempo

de contacto entre el proyectil y el material compuesto. Este modelo se al imenta de

pruebas de impacto a dos velocidades las cuales determinan el comportamiento

del material , y con base en estos valores se pueden determinar las variables

presentadas anteriormente.

Morye et á/. [63] diseñaron un modelo con el que es posible predecir un

intervalo de velocidades en el que se encuentra el limite balístico, este intervalo

fue comparado con pruebas experimentales que generaron valores aceptables

para materiales compuestos de Nylon 66, aramida y UHMWPE con matrices de

resina de fenol formaldehido y polivinil butiral. Se establecieron tres mecanismos

principales para la absorción de energía en un material compuesto : daño,

deformación plástica y movimiento. Estos tres mecanismos se combinan en el

modelo para determinar el intervalo del límite balístico. El mecanismo que

involucra la mayor absorción de energía es la conversión de energía cinética en

movimiento del material compuesto, y está relacionado directamente con la

formación del cono en la parte P.Osterior del material.

Wen [64] obtuvo ecuaciones que predicen la profundidad de penetración o el

limite balístico de materiales compuestos firbroreforazados impactados por

proyectiles de punta ojival o cónica. Sus ecuaciones se basaron en la suposición

de que la deformación es localizada y que la presión más importante ofrecida por

el material compuesto puede ser dividida en dos componentes, la primera es la

presión cohesiva cuasi-estática, la cual se debe gracias a la deformación elásto­

plástica del material compuesto. La segunda componente es la presión de

resistencia dinámica que surge de los efectos de velocidad. Este modelo presentó

45

buena correlación entre los valores predichos y los obtenidos en pruebas

experimentales.

Gu [65] realizó un estudio analítico y experimental sobre textiles de Twaron® y

Kuralon® sometidos a impactos de alta velocidad. Su modelo considera que la

absorción de energía del arreglo viene dada por la deformación y la energía

cinética de la parte deformada del material en . el punto del impacto que se

presenta en forma de rombo, así mismo, desprecia la energía absorbida debido al

calor generado en la interacción entre el proyectil y la placa. Con este modelo es

posible estimar la velocidad residual del proyectil y la energía absorbida por el

tejido. El estudio consideró también la influencia de la velocidad de deformación

en las propiedades mecánicas de los materiales estudiados, por tanto, fue

necesario realizar ensayos de caracterización mecánica a velocidades de

deform ación de 1500 s-1.

Naik [6 , 7, 1 O] evaluó un modelo matemático para laminados de fibra de

vidrio/epoxi y fibra de carbono/epoxi con el fin de determinar el límite balístico, la

contribución de seis mecanismos de absorción de energía y el tiempo de contacto

entre el proyectil y el blanco. Los seis mecanismos que Naik incluyó en su modelo

son: el fallo de fibras primarias, la deformación elástica de las fibras secundarias,

la form ación y movimiento del cono posterior del laminado, la delaminación •

interlaminar, la ruptura de la matriz y el calor generado por la fricción del proyectil

en el material compuesto.

López [66] desarrolló un modelo basado en criterios energéticos para materiales

compuestos de fibra de carbono/epoxi sometidos a impactos de alta velocidad ,

consideró tres mecanismos de absorción de energía: la energía absorbida por el

proceso de ruptura de las fibras, el aplastamiento del laminado y la energía

consumida al acelerar el material aplastado. Utiliza como variables de integración

la distancia de penetración del proyecti l y genera una ecuación diferencial que

resuelve mediante técnicas de perturbaciones. Con este modelo es posible

46

estimar la velocidad residual y el límite balístico del material compuesto probado,

estos valores fueron corroborados con la ayuda de cámaras de alta velocidad .

Esta revisión bibliográfica demostró la falta de estudios relacionados a tejidos

embebidos en matrices termoplásticas sometidos a alto impacto, esta falta

despertó una inquietud la cual fue intensificada debido a un estudio re,a lizado en el

Centro de Investigación Científica de Yucatán, donde se comparó el efecto que

tiene en el límite balístico una matriz de polipropileno en un tejido de aramida

Kevlar 129, donde se demostró que al estar embebido reduce su eficiencia a ta l

grado, que es necesario un 60 % menos de aramida para mantener el mismo

límite balístico.

El presente trabajo se basa en la caracterización de un material compuesto

termoplástico reforzado con fibras de aramida, con el fin de obtener los

parámetros más utilizados en el ámbito balístico: el V50, la profundidad del trauma

de impacto (deformación posterior del material) , la reducción del límite balístico

ante el envejecimiento acelerado y el comportamiento del V50 con base a arreglos

de consolidados e independientes los cuales son escalados de dos a seis capas.

Como parámetros adicionales se determinó el valor del esfuerzo cortante

interfacial entre el PP y la fibra de aramida, se determinó la resistencia al desgarre

del tejido de aramida y la curva de velocidad residual del material compuesto en

estudio. •

47

CAPÍTULO 2. DESARROLLO EXPERIMENTAL.

2.1. MATERIALES.

2.1.1. Película de polipropileno.

El polipropileno (PP) utilizado en el presente estudio como matriz polimérica de

los materiales compuestos reforzados con fibras de aramida fue una película

comercial con un espesor de 32 ¡..Jm . Las propiedades mecánicas de esta película

[67] se presentan en la Tabla 2.1.

2.1.2. Tejido de aramida.

En el presente estudio se usó como material de refuerzo del PP, un tejido de

Kevlar® 129 balanceado tipo tafetán comercializado para blindajes personales, el

cual fue donado por la empresa textil Carolina Protect Ballistic. En la Figura 2.1 se

muestra una imagen del tejido utilizado en este proyecto; las propiedades físicas

del tejido de Kevlar® 129 y las propiedades mecánicas de la fibra se presentan en

la Tabla 2.1 [13] .

Figura 2. 1. Tejido de aramida Kevlar® 129 utilizado en esta investigación.

48

Tabla 2.1. Propiedades de los materiales utilizados en el material compuesto

aramida/PP.

Tejido Kevlar® 724 [67] Polipropileno en película [13]

Tipo de aramida Kevlar® 129 Módulo elástico 680.6 MPa

Título de hilo 1000 denier Esfuerzo Máximo 3Q.83 MPa

Tipo de ligamento Tafetán balanceado Deformación máxima 18.89%

Peso 207 g/m2 Transición vítrea -10 oc a -18 oc Densidad de tejido 24 hilos/pulgada Punto de fusión 175

Propiedades de la fibra de aramida Kevlar® 129

Densidad 1.45 g/m;j

Diámetro 12 1-1m

Resistencia a tensión 3400 MPa

Deformación unitaria 3.3%

Módulo a tensión 100 000 MPa

2.1.3. Material testigo.

Un bloque homogéneo de plastilina de la marca Modelina fue utilizado para

caracterizar el trauma generado por un alto impacto en los materiales compuestos

aramida/PP. Este material se utiliza en estudios de materiales balísticos con

aplicaciones en blindajes personales para medir el daño que genera un blindaje

personal en el usuario al ser impactado por un proyectil a una velocidad menor al

límite balístico.

2.1.4. Gelatina balística.

La gelatina balística es un material utilizado en balística terminal para determinar

el daño ocasionado en la masa muscular de una persona por un proyectil a

49

velocidades superiores al límite balístico. En el presente estudio se utilizó 5 kg de

la marca comercial Droguería Cosmopolita. Así mismo, gracias a su estabilidad a

alto impacto se le usó para medir la velocidad residual de un proyectil que ha

penetrado un material compuesto.

2.1.5. Laminados consolidados.

Material compuesto moldeado a partir de un tejido de aramida y matriz de PP, de

tal manera que todas las capas de aramida están embebidas en una misma

matriz, formando un conjunto consolidado.

2.1.6. Laminados independientes.

Arreglo de materiales compuestos donde cada capa de aramida fue moldeada

independientemente con su respectiva fracción volumen (64 %) de PP, usando las

mismas condiciones de moldeo que los laminados consolidados. Generando

arreglos más flexibles que los laminados consolidados debido a la libertad de

deformación que cada capa tiene.

2.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL CAÑÓN DE GAS.

La caracterización del material compuesto aramida/PP del presente estudio

requirió la construcción de un cañón de gas de proceso isentrópico. Las

consideraciones de diseño para la construcción de este equipo fueron las

siguientes:

- Agilidad y precisión en el proceso de carga de la cámara de almacenamiento.

- La caída de presión durante la aceleración del proyectil debe ser la más baja

posible.

- Sistema de liberación de la presión instantánea.

- Mordaza de sujeción que pueda contener en su parte posterior el material

testigo o la gelatina balística.

50

Un cronógrafo para el registro de las velocidades de disparo.

- Un sistema de control del equipo que estuviera fuera de la zona de prueba.

- Un sistema de contención para proteger por posibles rebotes.

La caída de presión durante el disparo corresponde a la variación de la presión

que impulsa al proyectil dentro del cañón desde el momento en que c,omienza la

carrera hasta la boca del cañón. Idealmente la caída de presión debe ser cero

para alcanzar la máxima velocidad. Las dimensiones del tanque de

almacenamiento se calcularon en función a esta caída de presión: una caída de

menos del 5 % incrementa significativamente las dimensiones del tanque y el

consumo de gas, es por ello que se decidió dimensionar el tanque para caídas de

presión del 7 %.

La máxima presión seleccionada para el diseño del tanque fue 3500 psi, lo que

significa (con base a cálculo) que la máxima velocidad del proyectil es 1000 mis

(régimen de alto impacto). El gas utilizado para estas pruebas fue nitrógeno, un

gas inerte que evita la corrosión en el equipo y minimiza la presencia de humedad

en el sistema. El nitrógeno comercial se vende en cilindros de 8.5 m3 a una

presión natural de 2000 psi, para aumentar la presión a 3500 psi se requirió un

elevador de presión.

Un aspecto clave del diseño fue la liberación casi instantáneamente del gas. Al

proyectil le toma menos de un milisegundo en acelerar a la máxima velocidad,

pero para que esto ocurra se requiere una válvula de rápida apertura y alto flujo

sin embargo, comercialmente no se encontró alguna que cumpla este

requerimiento . Para solucionar este problema clave se utilizó el principio básico de

los cañones ERMA (Expansion Rafe Measuring Apparatus), en el que un

dispositivo hidráulico sostiene el proyectil y simultáneamente funciona como tapón

del tanque de almacenamiento de gas, cuando se libera el tapón, el proyectil es

acelerado instantáneamente. Este dispositivo fue reemplazando por un sistema de

sujeción por medio de cuñas (Figura 2.2); estas sujetan y presionan al proyectil

51

contra un cambio de sección del conducto de escape del tanque de

almacenamiento por lo que funciona también como tapón de este. Las cuñas son

sostenidas por un sistema de liberación mecánico accionado por un pistón

neumático. Al ser accionado el sistema de liberación, el proyectil es capaz de

abrirse paso entre las cuñas hacia el cañón gracias a los chaflanes que están en . contacto con el proyectil que lo liberan y la presión posterior lo pone en

movimiento, por tanto, a mayor presión, mayor velocidad de apertura.

Sistema de Liberación

Figura 2.2. Sistema de liberación del proyectil por medio de cuñas de sujeción.

El cañón es un tubo de acero inoxidable de 6.74 mm de diámetro y 200 cm de •

longitud, diseñado para acoplar el sistema de desfogue y que está acoplado a una

base corrediza con la que se desliza longitudinalmente.

La mordaza de sujeción está diseñada para sostener muestras de material para

el blanco de 1 O cm x 1 O cm ; la parte posterior de la mordaza está diseñada para

sostener la gelatina balística o el material testigo. La mordaza está sujeta

firmemente a la pared, con el fin de proporcionar rigidez y evitar absorción de

energía por parte de otros elementos que no sea el material a probar (Figura 2.3).

52

Figura 2.3. Prototipo de mordaza de sujeción.

Un cronógrafo es un dispositivo muy utilizado en balística, este mide la velocidad

del proyectil al atravesar la zona de medición. Básicamente, este dispositivo

funciona con sensores fotoeléctricos que registran cualquier variación de luz. El

sistema utiliza un conjunto emisor-receptor infrarrojo, y tiene la ventaja de no

necesitar luz natural para su funcionamiento y no es afectado por la luz artificial

fluorescente, está situado justo en el punto donde el proyectil entra en contacto

con el blanco. Los sensores del cronógrafo detectan la presencia de un proyectil y

con base al tiempo que tarda este en recorrer la distancia entre los sensores,

calcula la velocidad de movimiento del proyectil mediante un algoritmo (Figura

2.4); la precisión que pueden llegar alcanzar estos dispositivos es del 99.5 %.

XXX m/s ooo o Procesador +----

de señal

Emisores infrarrojos

Receptores infrarrojo

Cañón

/

Figura 2.4. Diagrama de un cronógrafo de sensores infrarrojos.

53

El sistema de control de gas para los disparos debe ser capaz de controlar la

presión en la cámara de almacenamiento de gas, y activar el sistema de liberación

del proyectil. Las tres partes principales de este sistema son:

1. Sensor de presión.- Este dispositivo se encarga de monitorear la presión que

se encuentra en la cámara de almacenamiento, al mismo tiempo que controla

el acceso del gas a la cámara de almacenamiento por medio de una válvula

de control , este proceso se realiza con base a una presión establecida por el

usuario (set point) .

2. Válvula de control.- Esta válvula es controlada por el sensor de presión; al

llegar a la presión deseada el sensor manda una señal para que esta válvula

se cierre.

3. Tablero de control.- Este posee los botones de encendido, carga y disparo, así

como también las pantallas donde se muestra la presión y la velocidad de

disparo.

La zona de contención es una caja de madera de %" de espesor, la cual contiene

cualquier posible rebote de baja energía, al mismo tiempo que canaliza el

desfogue de presión por ranuras dispuestas para este fin .

2.3. MÉTODOS. •

2.3.1 Prueba micromecánica de la microgota.

Las fibras de aramida fueron dispuestas en posición transversal en un marco de

aluminio con ayuda de cinta adhesiva doble cara y fueron inmovilizadas con cinta

adhesiva de aluminio (Figura 2.5) . Es importante mencionar que generar la

geometría y dimensiones adecuadas en una gota (figura de ovalo con un eje

mayor entre 80 ¡..~m a 200 ¡..~m) representa un gran reto, por lo que se requiere

54

disponer el mayor número de fibras posibles en el marco; del total de gotas

generadas solo una pequeña fracción tendrán las dimensiones adecuadas.

Cinta de aluminio Fibras de aramida

Cinta doble cara

Marco de ~_,

aluminio

Figura 2.5. Marco de aluminio con fibras de aramida.

El tipo de resina define el método para generar las gotas; el más usado para

termoplásticos [16, 29, 68, 69] recomienda el uso de pequeñas tiras de matriz en

forma de V (pantaloncillos), que se cuelgan de la fibra (Figura 2.6). Sin embargo,

debido al intervalo de dimensiones de la gota recomendado por la literatura (de 80

¡.Jm a 200 ¡.Jm para una fibra de 12 ¡.Jm ), es difícil obtener un pantaloncillo que

produzca gotas con diámetros pequeños. Otro método que ha demostrado su

efectividad en estudios pasados [70, 71], consiste en moler la matriz, y el polvo es •

espolvoreado sobre las fibras suspendidas en un marco de soporte e

inmediatamente se meten a un horno para formar las . gotas a partir del polvo; se

recomienda espolvorear la matriz sobre las fibras justo antes de introducirlas a la

estufa, ya que el polvo se cae fácilmente de las fibras.

55

Calentar

Figura 2.6. Técnica recomendada para la formación de gotas en las fibras.

El laborioso proceso de preparación de las muestras hace necesario generar el

mayor número posible de gotas con las dimensiones y geometría adecuadas. Es

por ello que inicialmente se determinó el tamaño de partícula de la matriz molida

que genera las gotas adecuadas.

El PP fue procesado en un molino marca Brabender, la molienda se realizó en

dos etapas, cada una con un retén de molienda con distinto tamaño de poro (1.5

mm y O. 78 mm respectivamente en este orden). Posteriormente el polvo fue

tamizado con el fin de poder clasificarlo en distintos tamaños de partícula. Se

utilizaron los tamices número 60, 100, 140 y por último el colector. El estudio

mostró que el polvo retenido en la malla 100 produjo el mayor número de gotas

con las dimensiones adecuadas.

La fusión de la matriz para la formar las gotas se realizó en una estufa de

convección marca Cele Parmer a 190 oc por 1 h. Cabe mencionar que los

parámetros de control de la estufa juegan un papel importante en la geometría

final de las gotas; un tiempo y temperatura menor forma gotas con la geometría y

dimensiones adecuadas, por el contrario, una temperatura elevada hace que la

matriz sea muy fluida y se escurre de las fibras, produciendo gotas de

dimensiones menores a las recomendadas en la literatura.

Posteriormente, las gotas fueron analizadas con ayuda de un microscopio óptico

marca Leica, y fueron seleccionadas aquellas que tenían un diámetro entre 80 ¡Jm

y 200 ¡Jm [29] . Con ayuda de los softwares AVER TV98 e IMAGE PRO PLUS, se

56

observaron las muestras y se clasificaron según sus dimensiones, separando las

que se encontraban en el intervalo de de medición buscado.

La fibra de cada gota con las dimensiones adecuadas es fijada con adhesivo de

cianoacrilato a una base de aluminio (Figura 1.6); esta base es utilizada para

amordazar la muestra a la celda de carga . Es recomendable que la dis_tancia entre

la gota y la base de aluminio sean similares entre las diferentes muestras, esto

evita la necesidad de movimientos excesivos en el cabezal de prueba del equipo

para las pruebas micromecánicas.

El esfuerzo cortante interfacial fue determinado en un microtensómetro equipado

con un cabezal móvil de la marca Newport, que se caracteriza por su capacidad

para generar con gran precisión desplazamientos suaves. El equipo consta de una

celda que registra la carga necesaria para desprender una gota de la fibra ; los

biseles que sostienen la gota se desplazan en dirección longitudinal a la fibra , y

arrastran a la gota mientras la fibra es sujetada por la celda de carga. El conjunto

biseles-cabezal se desplazan a velocidades definidas por el usuario (0.5 mm/min

para este caso). Es muy importante seleccionar la celda de carga adecuada para

la prueba, ya que si es muy grande, es probable que no se registre señal ya que la

celda no es lo suficientemente sensible. Si la celda es muy pequeña esta corre el

riesgo de daño por sobrecarga.

El valor del esfuerzo cortan e interfacial se obtiene con base a la carga última

soportada por la muestra, el diámetro de la gota de resina depositada en la fibra y

la longitud embebida por ésta. Estos valores son sustituidos en la Ecuación. 3 la

cual determina el esfuerzo cortante interfacial en pascales.

F. 'r = Max

b ;rdL (3)

Donde:

rb = Esfuerzo cortante interfacial máximo (Pa).

57

FMax = Fuerza máxima alcanzada en la prueba (gf).

d = Diámetro de la fibra (1-Jm).

L = Longitud embebida de la fibra por la gota (1-Jm)

La selección de un intervalo de carga adecuado redu·ce el margen de error en

este tipo de pruebas. Con base a trabajos previos se definió un intervalo de

calibración entre O y 5 g [70] . Otro punto clave para pruebas a bajo nivel de carga

es el ruido y las vibraciones generadas por equipos cercanos ya que distorsionan

las gráficas fuerza-desplazamiento; es necesario realizar las pruebas con la

mínima contaminación acústica posible. Los parámetros de calibración utilizados

para 5 g de carga y una celda de carga de 50 g se encuentran en la Tabla 2.2.

Tabla 2.2. Parámetros de calibración a 5 g para celda de 50 g.

Factor de excitación ( Gage factor) 0.5- 1.8 Ajuste fino (Fine set) 1.356

Excitación (Excitation) 5 Curso de Balance (Balance course) +2

Intervalo (Range) 40%

2.3.2 Eliminación del sizing vía extracción soxhlet

Durante el proceso de producción de un tejido a base de fibras, éstas suelen

alcanzar elevados niveles de fricción, que reduce las propiedades mecánicas del

tejido. Este hecho puede ser minimizado util izando un aditivo que recubre a la

fibra, funcionando como un lubricante, este aditivo es comúnmente llamado sizing.

Estudios anteriores demostraron que la presencia de este recubrimiento en un

tejido genera una pobre adhesión interfacial, por lo que, las propiedades

mecánicas de un material compuesto son afectadas negativamente [72].

58

En el presente estudio, se removió el sizing del tejido de aramida mediante un

proceso de extracción soxhlet, utilizando acetona como disolvente, con el fin de

determinar si la remoción de este recubrimiento afecta la adhesión interfacial del

compuesto aramida/PP. El tejido fue secado por 16 días en un desecador con

sílica y pesado diariamente en una balanza analítica marca ANO para monitorear

la estabil ización del peso de la muestra.

El proceso de extracción del sizing por soxhlet se realizó con acetona a 70 oc, con un ciclo de evaporación y condensación de 40 min, la muestra del tejido

consistió en una sección de 10 cm por 10 cm. Todo el sistema (Figura 2.7) fue

montado por seguridad en una campana de extracción de vapores. Al término del

proceso de extracción, la muestra fue calentada en una estufa de convección

marca Fisher a una temperatura de 100 oc para eliminar cualquier residuo de

acetona. El cálculo del peso del recubrimiento en el tejido se realiza con los pesos

de la muestra, antes y después del la extracción (Ecuación 4) .

Sistema de extracción

soxhlet

Muestra de aramida

Figura 2.7. Sistema de extracción por soxhlet con la muestra de aramida.

59

o; . . Pa -Pd 100 / OSlzzng = X

Pa (4)

Donde:

Pa = Peso de la fibra en base seca antes de la extracción

Pd = Peso de la fibra en base seca después de la extracción.

El sizing generalmente se trata de un lubricante, sin embargo, en algunas

ocasiones resulta ser un compatibilizante para resinas poliméricas. Para

determinar el tipo de sizing contenido en la fibra, el residuo recuperando en

acetona de la extracción soxhlet fue separando por evaporación de la acetona,

para ello se utilizó un rotavapor de la marca Heidoph acoplado a un sistema de

enfriamiento marca PolyScience (Figura 2.8). Este equipo funciona con base en la

diferencia de los puntos de ebullición de dos sustancias disueltas, evaporando

aquella que tiene un punto más bajo y condensándolo posteriormente para su

recuperación. En este caso se evaporó la acetona calentando el sistema con un

baño de agua a 70 oc.

Figura 2.8. Rotavapor con sistema de enfriamiento.

60

El residuo recuperado era un aceite de color amarillo, que fue depositado en una

pastilla de bromuro de potasio (KBr) para ser analizado en un espectrofotómetro

infrarrojo con transformada de Fourier de la marca Nicolet.

2.3.3 Microscopía electrónica de barrido (MEB).

El grado de consolidación y la presencia de posibles grietas interlaminares y/o

intralaminares en los diversos laminados aramida/PP fueron analizados por

microscopía electrónica de barrido en los materiales compuestos antes de que

sean probados. Estas grietas pueden ser el resultado de aire atrapado durante el

proceso de moldeo o pudieron generarse por el cambio volumétrico

experimentado por el material durante el enfriamiento. Estos defectos son capaces

de generar concentraciones de esfuerzos o funcionar como vías para la filtración

de la humedad en el blindaje.

Las probetas para el MES fueron preparadas embebiendo un espécimen del

material compuesto en resina epóxica (Figura 2.9) , de tal manera que el conjunto

sea manejable y permita observar la sección transversal del material. La resina

epóxica utilizada fue marca Sayer Lack modelo E-3000/A con entrecruzante E-

3000/8. Una vez que la resina se entrecruzó, la muestra embebida fue sometida a

un proceso de pulido en una pulidora marca Struers Labopol-5 a 200 RPM; el

orden del papel abrasivo utilizacfo según su tamaño de grano fue del No. 1 00, 320,

400, 600, 1000, 1500, 2000 y 4000 y el pulido fue con un paño y una sustancia

abrasiva tipo polish marca TurtleWax. Finalmente el disco pulido fue recortado

para generar hexaedro regular con sección transversal de 2 cm y fue recubierta

con una delgada capa de oro, para generar una superficie conductora.

61

Tubo de plástico

Resina epóxica

Fondo falso

Muestras del compuesto

a)

Superficie pulida

b)

Figura 2.9. Muestra de resina epóxica para MEB, a) Arreglo de las muestras, b)

Representación de la zona observada en el tejido.

2.3.4 Prueba de desgarre (tearing).

El procedimiento para realizar las pruebas de desgarre se describen a detalle en

la Sección 1.5.3. Para este estudio tres lotes de muestras con la geometría para

pruebas de desgarre fueron probadas; un lote corresponde a la tela comercial, tal

y como fue recibida, los otros dos lotes corresponden a telas expuestas a las

mismas condiciones de envejecimiento acelerado que los laminados consolidados

de cuatro capas (tres y seis semanas); el estudio buscaba determinar una relación

entre el deterioro mecánico de las telas y la reducción del límite balístico a causa

del envejecimiento acelerado.

2.3.5 Moldeo de laminados consolidados.

Los laminados de aramida/PP consolidadas se obtuvieron por termomoldeo en

una prensa Carver automática de 25 toneladas, este equipo se caracteriza por un

control preciso de la presión, produciendo laminados más homogéneos que

aquellos producidos por prensas con control manual. El 64 % de fracción

62

. volumétrica de fi bra en el material compuesto se alcanzó apilando tres laminas de

PP por cada capa de aramida, esta relación se mantiene de acuerdo con el

número de capas que se desea en el material compuesto y finalmente, la última

capa de aramida es recubierta con tres laminas de PP. La Figura 2.1 O representa

un laminado consolidado de dos capas de tela de aramida.

Tejido de ara mida

Láminas de PP

Figura 2.1 O. Configuración de un laminado consolidado de dos capas.

Este arreglo fue depositado en un molde de acero inoxidable para evitar la

adhesión del material al molde. Las condiciones para el moldeo de los laminados

se ilustran en la Tabla 2.3.

Tabla 2.3. Condiciones de procesamiento de laminados consolidados o

independientes de aramida/PP.

Temperatura de moldeo 185 oc Presión de moldeo 878 psi

Velocidad del pistón 50% Tiempo de conformado 20 m in a 185 oc con posterior enfriado

rápido de 20 min

63

2.3.6 Moldeo de laminados independientes.

Un material balístico formado por una arreglo de laminados independientes,

estos se mantienen juntos durante la prueba de alto impacto, pero son moldeados

independientemente bajo las mismas condiciones. Para esta configuración un

tejido independiente de aramida es moldeado con PP, bajo las mismas

condiciones de procesamiento de la Tabla 2.2, manteniendo la misma fracción

volumen de fibra. La Figura 2.11 muestra como las diferentes láminas fueron

apiladas en el molde, dos láminas de polipropileno, una de la tela y finalmente una

de polipropileno.

Láminas de PP

Figura 2.1 1. Configuración de moldeo de una capa de un laminado independiente.

Esta configuración fue propuesta ya que ofrece una mayor flexibilidad y un límite

balístico diferente a un laminado consolidado. La literatura reporta que la

delaminación interlaminar, el aumento de flexibilidad y la formación del cono

posterior contribuyen a la absorción de energía en el proceso de impacto [6-9] .

2.3.7 Envejecimiento acelerado.

Las pruebas de envejecimiento acelerado del presente estudio fueron realizadas

en una cámara de intemperismo acelerado marca QUV modelo QUV/SE. A

diferencia de la metodología tradicional, las pruebas realizadas en el presente

estudio fueron realizadas suprimiendo la radiación UV de la cámara, ya que está

bien documentado que la aramida reduce su resistencia casi en un 49 % después

de 5 semanas de exposición a la luz visible [22] . Por tanto, el presente estudio

busca determinar como la humedad absorbida por el material compuesto afecta la

64

resistencia al impacto y por tanto el límite balístico de los laminados; en la

práctica, los materiales compuestos estudiados deberán de ser aislados de la luz

UV para evitar la fotodegradación de la aramida.

Las pruebas de envejecimiento acelerado se realizaron por tres y seis semanas,

que corresponden respectivamente a seis y doce meses de e11vejecimiento

natural. Se colocaron en la cámara de envejecimiento acelerado 20 muestras de

laminados consolidados y 20 muestras para pruebas de desgarre. En total fueron

requeridos 21 botes de 20 litros de agua destilada para cubrir los periodos de

exposición que fueron de cuatro horas de humedad y cuatro sin ella , ambos ciclos

a una temperatura de 50°C. Entre los cuidados para las muestras en prueba

estaba el mantener el depósito de agua destilada en el nivel adecuado.

2.3.8 Procedimiento general para una prueba de alto impacto.

El cañón de gas es capaz de impactar un proyectil contra un material (también

llamado blanco) alojado en la trayectoria de disparo; los parámetros más

importantes en estas pruebas son la velocidad de impacto y la masa del proyectil ,

con los cuales se determina la energía cinética del proyectil. La Figura 2.12

muestra un diagrama general del impactómetro de cañón de gas. Una prueba

inicia montando el material a probar en la mordaza de sujeción, la cual se libera al

desatornillar los ocho pernos,· esto otorga la posibilidad de separar la mordaza en

dos partes entre las cuales se aloja la muestra. Seguidamente, se carga el tanque

de almacenamiento (la presión en el tanque determina la velocidad de impacto).

Cuando la presión seleccionada es alcanzada, el gas es liberado en el interior del

cañón y acelera un proyectil seleccionado según el material a probar. Este

proyectil está contenido en el interior del cañón y después de abandonarlo pasa a

través de un cronógrafo que registra su velocidad lineal y entonces; el proyectil

impacta el blanco, cuya parte posterior puede estar vacía o contener la gelatina

balística o material testigo, dependiendo del tipo de estudio que se requiera.

65

Tanque de Muestra Trayectona del C . f almacenamiento

Material testigo o ~ 0

,2ye:___;:=n=og=ra==o=====C=a=l=ón======jÓ

gelatina balistica W L_j = Figura 2.12 . Diagrama general de una prueba de impacto de alta velocidad.

2.3.9 Procedimiento para determinar el límite balístico.

Para las pruebas de impacto, un laminado es asegurado al marco de sujeción del

cañón de gas (Figura 2.13) y es probado a alto impacto con el procedimiento

descrito en la Sección 2.3.8. Cuando la prueba ha concluido se levanta una caja

de protección y se comprueba que no existan deslizamientos entre la muestra y la

mordaza ya que esto invalida la prueba. Se toma nota de la velocidad de impacto

del proyectil en el blanco medido por el cronógrafo ( V¡mp) y se complementa con un

análisis visual de la muestra que describa el daño que ha sufrido.

El procedimiento para calcular el límite balístico V'EÁJ, consiste en promediar seis

velocidades de impacto, de las cuales tres deben penetrar el material y tres no,

donde el intervalo de velocidades entre un disparo y otro no debe ser mayor a 60

mis (Ecuación 1, Sección 1.6).La energía de impacto es la energía cinética del

proyectil al impactar el blanco; este parámetro en una prueba de alto impacto se

calcula con base en la masa del proyectil y de la velocidad de impacto que es

registrada por el cronógrafo y la Ecuación 5.

66

Material testigo o gelatina balística

Muestra a impactar .--..___ Mordaza de

__ s_ujeción

Figura 2.13. Representación de una prueba de impacto a una muestra con

material en su parte posterior.

Donde en este caso:

m= masa del proyectil (g)

v = La velocidad de impacto (m/s)

EC =.!..mv2

2 (5)

En este caso el proyectil es una balina redonda de acero al alto vanadio

recubierta de cromo, tiene una masa de 1.11 g y un diámetro de 6.75 mm. Esto

Con base a la norma ST ANAG 2920, una estándar establecido por la OTAN

(Organización del Tratado del Atlántico Norte)

67

2.3.1 O Pruebas de alto impacto en presencia de la gelatina balística.

Los laminados consolidados de cuatro capas fueron probados con gelatina

balística en el cañón de gas, a velocidades superiores al correspondiente límite

balístico del laminado, el objetivo de estas pruebas fue relacionar la velocidad de

impacto del proyectil con la velocidad residual del mismo después de haber

penetrado el laminado.

Las pruebas se caracterizaron por alojar detrás del laminado, un bloque de

gelatina balística que se prepara a base de agua y grenetina Bloom 250 a una

relación del 1 O % de grenetina. Una vez formulada, se deja reposar 24 h a

temperatura ambiente y después se refrigera a 4 oc durante 24 h. Una vez

completado el proceso, la gelatina está lista para su uso, sacándola del

refrigerador minutos previos a ser usada para minimizar variaciones en su

consistencia. La gelatina es cortada en bloques rectangulares de 1 O cm x 1 O cm

de superficie de impacto y 15 cm de profundidad, y se coloca en la parte posterior

de la mordaza de prueba detrás del laminado a impactar (Figura 2.14). La prueba

de impacto es realizada según el procedimiento de la Sección 2.3.8 , a varias

velocidades de impacto sin exceder la máxima absorción de energía del material

la cual se alcanza cuando el proyectil atraviesa por completo la gelatina.

El laminado a probar.a alto impacto no debe hacer contacto con la gelatina

balística , esto se debe al tipo de aplicación que se le está dando en este estudio.

Se recomienda una distancia mínima de 3 cm ·entre el laminado y el bloque de

gelatina.

68

Bloque de gelatina balística a impactar

Laminado a impactar

Figura 2.1 4. Mordaza con un laminado de aramida/PP y gelatina balística justos

antes de ser probados a alto impacto.

La gelatina balística permite medir la velocidad residual de un proyectil que ha

perforado un laminado, con base en la longitud penetrada en ella. Para ello fue

necesario caracterizar la gelatina balística a impactos frontales directos de baja

velocidad, para ello un bloque de gelatina fue montado en la mordaza de prueba e

impactado con el procedimiento de la Sección 2.3.8. Se usaron un total de 15

impactos entre 290 m/s y 31'5 m/s y se midió la distancia recorrida por el proyectil

en el interior de la gelatina. Con estos datos es posible generar una curva de

calibración de velocidad de impacto vs longitud de impacto, cuya regresión lineal

puede ser utilizada para estimar la velocidad residual de un proyectil en una

prueba de alto impacto real,

La velocidad residual ( V,..s ) y la velocidad de impacto ( v;mp ) establecen junto con

la Ecuación 6, la energía absorbida por el material impactado ( b 'abs ).

69

mvz z E =~- mvr•s

abs 2 2 (6)

2.3.11 Límite balístico en laminados sometidos a envejecimiento acelerado.

El límite balístico de 10 laminados consolidados de aramida/PP de cuatro capas

y sin ser expuestos a condiciones de intemperismo acelerado, fue medido

siguiendo los procedimientos de las Secciones 2.3.5 y 2.3.6. Así mismo,

laminados consolidados sometidos a envejecimiento acelerado según el método

descrito en la Sección 2.3.7. Dos lotes de 1 O laminados sometidos a

envejecimiento acelerado por tres y seis semanas fueron probados a alto impacto

siguiendo los procedimientos de las Secciones 2.3.8 y 2.3.9, lo que permitió

determinar el cambio en el límite balístico de los laminados expuestos.

2.3.12 Caracterización balística en laminados consolidados e independientes

de aramida/PP sometidos a alto impacto.

Laminados consolidados de aramida/PP de dos a seis capas. Cinco lotes de seis

muestras cada uno fueron utilizados para relacionar el límite balístico con el

número de capas del laminado.

Laminados independientes de aramida/PP de dos a seis capas. Cinco lotes de a

seis muestras cada uno, fueron utilizados para relacionar el límite balístico con el

número de capas del laminado y luego los resultados fueron comparados con los

laminados consolidados.

2.3.13 Pruebas de alto impacto en un blindaje textil de aramida de cuatro

capas.

Para determinar el trauma ocasionado en una muestra de material testigo al

impactar un arreglo de aramida sin matriz polimérica se probaron arreglos a cuatro

capas para determinar este dato. El procedimiento se describe en la Sección 2.3.8

70

y 2.3.9, la única recomendación especial es el acomodar las capas lo mejor

posible en la mordaza, ya que esto puede causar deslizamiento en las muestras.

2.3.14 Pruebas de alto impacto en presencia del material testigo.

Los laminados consolidados e independientes a cuatro capas probados con

material testigo. Estas muestras fueron utilizadas para determinar la profundidad

del trauma de las dos configuraciones de laminados aramida/PP en su límite

balístico.

Estas pruebas, a diferencia de las realizadas con gelatina balística, se

diferencian en que la muestra y el bloque de material testigo deben estar en

contacto, lo cual tendrá un efecto sobre el límite balístico ya que la deformación

posterior, como se mencionó anteriormente es uno de los mecanismos que mayor

energía consumen en un evento balístico.

El paso inicial es caracterizar el material testigo que en este caso es la plastilina

de la marca modelina. El método de prueba para caracterizar el material testigo,

según la norma oficial mexicana consiste en dejar caer libremente un peso

cilíndrico de 44 a 45 mm de diámetro con una terminación semiesférica del lado

del impacto (Figura 2.15), la masa del proyectil debe ser de 1 Kg . +/- 1 O g y debe

arrojarse de una altura de 2 m +/- 2 cm. El material , para ser considerado

apropiado como material testigo •para una prueba de impacto deberá presentar

una marca con 20 mm +/- 3 mm de profundidad [46, 48].

71

Figura 2.15. Geometría del proyectil utilizado para caracterizar el material testigo

(Unidades en mm).

El proyectil fue maquinado bajo especificaciones de norma . El bloque de

plastilina utilizado debe tener una dimensión tal, que la distancia del impacto a

cualquier oril la debe ser igual o mayor a 76 mm. El espesor del bloque no es

mencionado en la norma, por lo que de eligió utilizar un espesor de 50 mm en el

presente estudio.

Si la plastilina cumple con las características establecidas por la norma para ser

utilizada como material testigo , se procede a montarla en la mordaza de sujeción,

detrás del laminado a probar y son impactados con el método de la Sección 2.3.8 . • El trauma fue medido en el límite balístico del laminado, ya que es el punto donde

presenta la mayor deformación, y solo en aquellas probetas que no fueron

penetradas durante la prueba de impacto.

72

CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

3.1. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL CAÑÓN.

El cañón de gas fue diseñado y construido ex profeso para el presente proyecto,

ya que el CICY no contaba con un instrumento similar. El équipo tiene la

capacidad de controlar la velocidad de impacto hasta un lím ite teórico de 700 m/s,

además posee un sistema de control de alta precisión para la presión de disparo,

un tablero de control y monitoreo del instrumento y una mordaza capaz de alojar el

laminado a probar, la gelatina balística o el material testigo dependiendo de la

prueba a realizar.

La pruebas de alto impacto con los sistemas de disparo por cuñas y por

diafragmas, demostraron que ambos sistemas funcionan , revelando ser más

práctico el sistema por cuñas el cual presenta un tiempo de carga y disparo de

menos de un minuto, caso contrario al sistema por diafragmas poliméricos el cual

presenta un tiempo de carga y disparo de 8 minutos en promedio ; sin embargo, el

primer sistema presentó defectos de maquinado, lo cual impidió su uso continuo

en este proyecto, dejando únicamente en el campo de acción al sistema por

ruptura de diafragmas. Este sistema funciona a base de diafragmas pol i mérico~ ­

(Figura 3. 1 ). Este sistema .demostró ser eficiente y al llegar a la presión de rup~l.J ra ,

y el proyectil adquiere una gran velocidad de forma estable.

73

Desfogue al cañón de gas

Diafragma polimérico

Accesorio de acero inoxidable

Resistencia de calentamiento

trada de presión de nitrógeno

Figura 3.1. Diagrama del sistema de disparo por diafragma.

El diafragma del sistema de disparo (Figura 3.1) contiene la presión del tanque,

que en el caso de nitrógeno puede ser de hasta 2000 psi. Cuando el sistema

alcanza la presión de disparo escogida, una resistencia eléctrica calienta el

accesorio de acero inoxidable, lo que reblandece el diafragma y éste falla,

liberando la presión contenida en el tanque y acelerando el proyectil.

El sistema para el control de la presión de la cámara de almacenamiento consta

de un sensor conectado a esta que regula la presión manteniéndola constante. La

presión límite puede ser seleccionada a voluntad y cuando el sensor determina

un~ sobrepresión, actúa una electroválvula para regular la presión en el tanque.

El t~bletC de control del equipo se ubica fuera ·del laboratorio, para ofrecer

máxima seguridad 2.1 tJsuario una vez que el sistema ha sido presurizado y

cargado con un proyectil. Cesde el tablero es posible controlar el llenado del

tanque, el disparo, el paro de emergencia, el desfogue aux:.Jiar del tanque y al

mismo tiempo es posible visualizar los datos como velocidad de disp&ro y presión

del tanque.

El cronógrafo utilizado en este sistema es de la marca comercial Chrony, modelo

Shooting Chrony Alpha Master, posee una precisión del 99.5 % y tiene una

74

sensibilidad de 10 a 2134 m/s (Figura 3.2a); este modelo cuenta con una pantalla

remota, instalada en el tablero, la cual despliega los valores de velocidad y otros

parámetros estadísticos.

La mordaza de sujeción implementada para el cañón sujeta la muestra con ocho

pernos, lo que evita deslizamientos de los laminados; se observó q4e es posible

sujetar un laminado de hasta 6 capas con eficiencia. La parte posterior de la

mordaza está diseñada para alojar la gelatina balística así como el material

testigo, ofreciendo una manera práctica y segura para probar estos materiales. La

Figura 3.2b muestra la mordaza de sujeción con la gelatina balística lista para una

prueba de impacto.

El cañón de gas y los accesorios que lo conforman (Figura 3.3) fueron

construidos bajo especificaciones particulares debido a los requerim ientos de

diseño.

a)

•

Figura 3.2. a) Cronógrafo marca Chrony, b) Mordaza de sujeción de muestras.

75

B )

Figura 3.3. Accesorios del sistema de llenado y disparo, a) Cañón de gas, b)

Sensor de presión, e) Manómetro con glicerina, d) Válvula de servicio, e) Sistema

de liberación por cuñas, f) Pistón neumático, g) Base para diafragma con

resistencia de calentamiento y h) Válvula de control de presión .

•

3.2. PRUEBA MICROMECÁNICA DE LA MICROGOTA.·

La técnica de la microgota fue usada para determinar el esfuerzo cortante

interfacial entre el PP y la fibra de aramida con y sin sizing. Para formar las gotas

de PP, este fue molido y tamizado (apartado 2.4); el polvo retenido en la malla#

100, fue el que produjo mayor número de gotas útiles. Los valores de carga

obtenidos en estas pruebas, el diámetro de la fibra y la longitud embebida por la

76

gota fueron utilizados en la Ecuación 3 (Sección 2.3.1) para calcular el esfuerzo

cortante interfacial.

El primer arreglo caracterizado fue polipropileno y aramida sin sizing. El esfuerzo

cortante interfacial de un lote de seis muestras se presenta en la Tabla 3.1, junto

con la carga última y la longitud embebida.

Tabla 3.1. Esfuerzo cortante interfacial entre la matriz de PP y la fibra de aramida

sin sizing.

Muestra Carga Longitud Esfuerzo cortante (g) embebida interfacial

(IJm) (MPa) 1 1.77 191 .23 2.41

4 2.64 189.56 3.62

5 0.83 174.39 1.24

9 0.89 176.59 1.31

12 1.54 171 .17 2.34

13 0.87 174.05 1.30

Promedio 1.87

DE 0.81

Las muestras del arreglo PP y aramida sin sizing fueron probadas bajo las

mismas condiciones que aquellas sin sizing, los correspondientes resultados se

presentan en la Tabla 3.2.

Tabla 3.2. Esfuerzo cortante interfacial entre la matriz de PP y la fibra de aramida

con sizing.

Muestr Carga Longitud Esfuerzo cortante a (g) embebida interfacial

(IJm) (MPa) 14 5.10 196.17 6.76

77

16 7.93 158.54 13.01 17 7.70 183.75 10.90

18 5.83 170.21 8.91

19 7.9 190.1 10.53

20 4.43 168.86 6.82

Promedio 9.28 DE 2.68

El valor del promedio del esfuerzo cortante interfacial (Tablas 3.1 y 3.2) muestra

la diferencia entre los arreglos con y sin sizing, plasmándose gráficamente en la

Figura 3.4 la cual compara dos curvas representativas carga vs desplazamiento de

los arreglos PP y aramida sin sizing; en ella es posible apreciar que existe un

incremento del 90 % en la carga última del arreglo con sizing.

9

8

7

6

§ S

:3 4 ... Q)

~ 3

2

1

o -1

= Sinsizing

- consizing

0.2 0.4 0.6 0.8

Desplazamiento (mm)

1 1.2

Figura 3.4. Comparación de las curvas del compuesto con y sin sizing.

El anál isis infrarrojo (Apéndice 2) determinó que el tipo de recubrimiento

depositado en el tejido de aramida es de resina epóxica al 1 % fracción peso; la

presencia de esta resina en la superficie ocasiona que exista agarre mecánico

entre la f ibra y la matriz, ya que químicamente no son compatibles. La rugosidad

78

. superficial de la fibra con sizing puede ser percibida por medio de las curvas en la

Figura 3.4, ya que al fallar, el arrastre de la gota genera casi un gramo de carga;

caso contrario en la muestra sin el recubrimiento, que a nivel microscópico parece

ser lisa, lo que genera una carga máxima de solo de uno a dos gramos, y la carga

por el arrastre es prácticamente nula.

Figura 3.5. Fotografía SEM de la fibra con sizing de una muestra para microgota.

El carácter inerte de la matriz, así como la cercanía entre las energías

superficiales del conjunto (32 mJ/m2 para el PP y 40 mJ/m2 para la aramida)

prevén valores de esfuerzo cortante interfacial por debajo de otros sistemas como

vidrio/epoxi (44.5 mJ/m 2 para epoxi, 500 mJ/m2 para vidrio). El esfuerzo cortante

interfacial del conjunto PP y aramida sin sizing mostró una diferencia del 80 %,

siendo la fibra con el recubrimiento epóxico la que mostró los valores más

elevados, por lo que es claro que el recubrimiento promueva el anclaje mecánico

entre los constituyentes.

79

3.3. PROCESAMIENTO DE LAMINADOS ARAMIDAIPOLIPROPILENO.

Durante la consolidación de los laminados se observó que es importante

controlar la presión de moldeo, ya que cuando se tiene capas de tejido de aramida

con dimensiones pequeñas (1 O x 1 O cm), las fibras tienden a salirse del tejido

debido al flujo de la matriz, afectando la resistencia a la penetración del material

compuesto; también se observó que imperfecciones en el molde pueden generar

defectos tan significativos como la ruptura de las fibras. La Figura 3.6 muestra una

micrografía de una muestra que presentó este tipo de fallas.

Figura 3.6. Microgr~fía de placa dañada en el proceso de moldeo.

3.4. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB).

La presente prueba localiza posibles grietas dentro de un laminado, ya sean

interlaminares como intralaminares. Estas grietas tienen un fuerte impacto en la

dinámica de la falla , ya que tienden a crear zonas de delaminación [59]. Las

micrografías de las Figura 3.7 muestran las pequeñas fisuras intralaminares fibra­

matriz generadas en el laminado y causadas por los cambios de presión y

temperatura a los que el laminado es sometido durante el ni-oldeo (Sección 2.3.5);

80

además el presente sistema es más sensible a la formación de las fisuras ya que

no hay gran afinidad entre los constituyentes.

Figura 3.7, a-d) Microscopía MEB del compuesto aramida/PP, a-e) Grietas

intralaminares entre fibra y matriz, d) Grietas interlaminares.

Estas grietas son cruciales cuando el material compuesto es expuesto a

condiciones de alta humedad, ya que el agua puede introducirse en el material

contribuyendo a la delaminación. Aunque la fibra y matriz son hidrofóbicos, la

incursión de la humedad en las cavidades ocurre por efectos de capilaridad , lo que

se acelera debido a los cambios térmicos y volumétricos que el agua sufre durante

sus cambios de estado gaseoso y líquido. Esto ocurre a niveles microscópicos, sin

embargo, es suficiente para permitir el paso de la humedad y que esta se acumule

[73].

81

3.5. PRUEBA DE JALADO O DESGARRE (TEARING).

Los resultados de la prueba de desgarre demostraron que una tela de aramida,

después de ser sometida a envejecimiento acelerado por tres y seis semanas

(simulando seis meses y un año de envejecimiento natural), presenta una

reducción en su resistencia al desgarre del 19 % y 27 % respectivamente, en

comparación a las muestras que no fueron expuestas a envejecimiento acelerado.

La Figura 3.8 presenta las curvas representativas de estas pruebas, siendo

posible apreciar la caída en la resistencia al desgarre después de ser envejecidas.

1.4

1.2 --Cero meses

1 - Seis meses -z 0.8 : --·Doce ftl Qll

0.6 .. ~

meses

0.4

0.2

o o 20 40 60 80

Desplazamientos (mm)

• Figura 3.8. Ct,.Jrvas representativas carga-desplazamiento de las muestras

probadas a desgarre con y sin envejecimiento acelerado.

En general, los tres lotes de muestras presentan el mismo comportamiento al

desgarre, variando en su carga última; la carga presenta un comportamiento no

lineal antes de los 200 N, posteriormente presenta un comportamiento lineal hasta

llegar a su valor máximo de cada una; este punto corresponde a la máxima

resistencia que en conjunto ofrecen los nodos del entramado ante un evento que

tienda a deslizar alguna de las fibras. A cargas superiores, las fibras de aramida

82

comienzan a deslizarse entre los nodos, hasta que la tela falla por extracción de

las fibras del entramado.

Estos resultados simulan como un arreglo de tejidos de aramida va perdiendo su

resistencia a la penetración después de simular seis meses y un año de

envejecimiento natural vía el envejecimiento acelerado. Esta reducci?n se debe en

gran parte a la humedad que se va alojando entre los nodos del tejido, lo cual

reduce la transferencia de cargas a las demás fibras; por medio de análisis visual

se determinó que no existe ruptura de fibras durante el proceso de extracción,

descartando una reducción en las propiedades mecánicas de las fibras de aramida

debido a absorción de humedad.

No es posible en este proyecto determinar numéricamente una relación entre el

límite balístico y la resistencia al desgarre, a la falta de una relación directa entre

tearing y alto impacto; pero si es posible tener indicios de que la resistencia a la

penetración es afectada por el envejecimiento.

3.6. PRUEBAS DE ALTO IMPACTO.

Inicialmente se construyó la curva presión-velocidad para calibrar el cañón de

gas; esta curva fue utilizada para predecir la velocidad del proyectil en función de

la presión en la cámara de almacenamiento de nitrógeno. Para ello se realizaron

disparos de proyectil a varias presiones de gas, registrando con el cronógrafo las

velocidades correspondientes. Los datos se graficaron y se ajustaron a una

regresión lineal , la ecuación generada describe el comportamiento del cañón

(Figura 3.9).

',

83

330

320

íi) 310 -E 300 "O C1l 290 "O 'o

280 o Qj > 270

260

250 200 250

y= 0.2647x + 191 .57 w = 0.9743

300 350 400 450

Presión del tanque (PSI)

500 550

Figura 3.9. Curva de calibración presión-velocidad del cañón de gas.

3.6.1. Prueba de alto impacto en laminados consolidados expuestos a

envejecimiento acelerado.

La exposición de un material compuesto a ambientes de humedad saturada y

calentamiento promueve que la humedad penetre en su estructura, incluso cuando

está constituido de materiales que son hidrofóbicos, en este caso, la capilaridad

juega un papel importante en este proceso [74], por lo tanto, una grieta en el

material compuesto, o la ma a adhesión interfacial puede provocar que la

humedad se infiltre, tal y como se muestra en la Figura 3.1 O que corresponde a

una probeta de laminado recién extraída de la cámara de envejecimiento

acelerado.

84

Figura 3.1 O. Laminado aramida/PP sometida a envejecimiento acelerado por tres

semanas que muestra zonas delaminadas.

La Figura 3.11 muestra el límite balístico de los materiales compuestos

sometidos a envejecimiento acelerado y los compara con el material compuesto

no envejecido. Los resultados demuestran que aun después de 6 semanas de

envejecimiento acelerado (equivale a 12 meses de envejecimiento natural) , no se

observa una reducción significativa en el límite balístico de los laminados

aramida/PP, aun cuando estos presentaron zonas delaminadas (Figura 3.1 0).

60

49.28 48.62 47.97 so

40

30

20

10

o Sin intemperismo Seis meses Doce meses

Figura 3.11. Límite balístico V50 de los laminados aramida/PP sometidos a

envejecimiento acelerado.

85

Esto se comparo con los resultados de desgarre (Sección 3.5) , donde se

determinó como un arreglo de tejido de aramida ya hubiese presentado una

reducción en su resistencia a la penetración, mientras que un compuesto de

aramida/PP aun conseNa estadísticamente integro su límite balístico.

Los laminados envejecidos probados a alto impacto presentaron alto

desprendimiento de la matriz tanto en su parte frontal como en la posterior (Figura

3.12a y b) en comparación con las muestras que no fueron envejecidas (Figura

3.12c y d). Es muy probable que las zonas delaminadas desde antes de la prueba

contribuyeron a la propagación de las ondas de choque generadas durante el

impacto lo que desprendió fácilmente la matriz.

Figura 3. 12. Laminados sometidos a intemperismo acelerado por seis semanas

y alto impacto, que presentan grandes zonas delaminadas, a, b) Frontal y posterior

envejecidas e impactadas, e, d) Frontal y posterior sin envejecer e impactadas .

86

Los resultados demuestran que el blindaje aramida/PP puede ser expuesto a

condiciones equivalentes de envejecimiento natural por un año (con una debida

protección UV) y que el material compuesto mantendrá su resistencia balística sin

ningún cambio perceptible . Este blindaje termoplástico presenta una yentaja sobre

los blindajes a base de epoxi u otras resinas hidrofílicas, las cuales sufren

plastificación y muestran una reducción significativa de propiedades · mecánicas

ante ambientes de humedad [59].

La delaminación en la zona aledaña al área de impacto, producto del ambiente

con exceso de humedad, demostró no tener un efecto marcado en el límite

balístico. Esto se debe a que la delaminación en un evento balístico tiene una

contribución pequeña entre todos los mecanismos que absorben energía durante

el impacto como la deformación posterior o la deformación de los hilos

secundarios, los cuales absorben mucha energía en un evento balístico [1 O].

3.6.2. Pruebas de alto impacto en laminados consolidados y laminados

independientes.

El comportamiento balístico en laminados consolidados de aramida/PP de 2 a 6

capas fue comparado con el de su respectiva contraparte de laminados

independientes, ambos con la misma fracción volumen (64 % fracción volumen de

fibra) . •

La energía absorbida se calcula con la masa del proyectil y al límite balístico del

laminado que determina la energía cinética que es capaz de absorber el material

compuesto antes de fallar (sección 2.9.1 ). El aumento en el número de capas de

los laminados consolidados condujo al incremento no lineal de la energía

absorbida (Figura 3.13). Esta no linealidad fue causada por la rigidización que

experimenta el material conforme aumenta su espesor y por ende, se restringe su

deformación transversal.

87

Los laminados independientes mostraron un incremento de alrededor del 13 %

en la energía absorbida en comparación con su contraparte de laminado

consolidado (Figura 3.13) . La cantidad de energía absorbida por cada laminado

está dominada por la rigidez del material que aumenta con el número de capas, lo

que reduce la pendiente de la curva. Los materiales compuestos a base de resina '

epóxica, muestran un cambio brusco en la pendiente a cuatro capas, a diferencia

de los materiales compuestos termoplásticos del presente estudio que aun con

seis capas no registraron este comportamiento [12].

70

- 65 -+-Consolidado

:2. -..1 ndependiente o 60 -o

111 55 a. E

50 QJ

"C

-~ 45 Cl (¡j 40 e: w 35

30

2 3 4 5 6

Capas

Figura 3.13. Energía absorbida en laminados consolidados y laminados

independientes sometidos a alto impacto.

La Figura 3.14 muestra la energía absorbida normalizada con respecto al número

de capas, de donde es claro que el aumento del el número de capas en un arreglo

reduce su capacidad para absorber energía; siendo esta reducción menor para los

arreglos aramida/PP independientes.

88

30 o. ftl ., 25 ftl

..,._Consolidado !:! ¡¡¡ E 20 .. ~Independ i ente

o e o 15 .. u ftl a. .s 10 cu ., ,!!!

S 1111 .. cu e w

o 2 3 4 S 6

No. de capas

Figura 3.14. Energía absorbida normalizada en función del número de capas en

los laminados consolidados e independientes de aramida/PP.

Este fenómeno de rigidización en los laminados fue explicado por Rohchoon [12] ,

quien menciona que la flexibilidad en un material compuesto sometido a alto

impacto es crucial , ya que al deformarse, incrementa el tiempo que está en

contacto con el proyectil, por lo que las fibras tienen un mayor tiempo para disipar

la energía del impacto. En este punto es crítico que la velocidad de propagación

del sonido en la fibra sea elevada para poder disipar la mayor cantidad de energía

en menor tiempo posible [75]. Cuando se tiene un laminado con muchas capas

independientes, las capas adyacentes impiden la deformación posterior,

restringiendo la absorción de energía lo que reduce el límite balístico del laminado.

Un laminado consolidado solo se deforma en su espesor, lo que ocasiona que los

esfuerzos a flexión presentes en un laminado flexible se conviertan en esfuerzos a

tensión localizado, concentrando la energía de impacto en zonas pequeñas, e

incrementando la presión experimentada en estas zonas [12] . La Figura 3.15

ejemplifica esta situación con un laminado de una capa.

89

Restricción de capas adyacentes

Sin restricción a deformase

Restricción de capas adyacentes

Figura 3. 15. Laminados sometidos a impacto a) con restricción para deformarse,

b) sin restricción para deformarse.

Los resultados demuestran la importancia que tiene la rigidez de un material

compuesto fibroreforzado en el proceso de absorción de energ_ía durante un alto

impacto; el mecanismo por el cual un laminado flexible absorbe energía es

completamente diferente, mientras mayor es la flexibilidad del laminado mejor es

la disipación de la energía. Un laminado con restricciones a deformarse concentra

esta energía, lo que hace que sea menos eficiente el proceso de absorción de

energía.

90

3.6.3. Gelatina balística.

La gelatina balística es ampliamente utilizada en estudios forenses debido a su

similitud mecánica con el tejido humano; en el presente estudio se le utilizó para

determinar la energía residual de un proyectil con base a la distancia que éste

penetra en la gelatina, después de haber atravesado un material com~uesto de

aramida/PP y encontrándose en su límite balístico.

La Figura 3.16 presenta la curva de calibración de la gelatina balística: velocidad

de proyectil vs longitud penetrada por el proyectil. La regresión lineal de los datos

experimentales corresponde a la velocidad de penetración del proyectil en función

de la distancia penetrada en la gelatina balística sometida a impactos directos.

14

12

- 10 E ~ "C 8 ::::1 -·¡;, 6 r:::

.9 4

2

o 40

y = 0.1636x - 5.6258

80

Velocidad (m/s)

100 120

Figura 3.16. Curva de calibración de la gelatina balística Bloom 250 a un 1 O %

peso/volumen.

La Figura 3.17 muestra la energía absorbida (Eabs) por un laminado compacto de

cuatro capas en relación a la velocidad de impacto del proyectil. Eabs fue calculada

con la EcuaGión 6 de la Sección 2.3.9, a partir de la energía de impacto (Eimp ) y la

91

energía residual (Eres) . Donde Eimp se calculó con la velocidad de impacto

registrada en el cronógrafo y la masa del proyectil y Eres se calculó en función a la

longitud penetrada en la gelatina balística (Sección 2.3.1 O).

La energía absorbida se calculó en pruebas a laminados consolidados de cuatro

capas, con velocidades por debajo del V50, el material compuesto absorbe toda la

energía, pero al alcanzar velocidades ligeramente mayores al límite balístico existe

un cambio en la absorción de energía, el cual se menciona en muchas

publicaciones [76, 77].

55

so ..... -"' "'O :e 45 .. o "' ..e

"' ,!!! 40 !U! .. Gl e ....

35

30

250 260 270 280 290 300 310 320

Velocidad de impacto (m/s)

Figura 3. 17. Curva de absorción de energía con respecto a la velocidad de impacto en muestras de cuatro capas.

Claramente se observa un comportamiento lineal antes del límite balístico, el cual

se debe a que el material compuesto no ha fallado . Sin embargo, a velocidades

por encima del Vso se registra una pronunciada reducción en la absorción de

energía. Existen muchas teorías como la de efectos térmicos, otras que

mencionan un fenómeno llamado dishing (indentación con formación de un disco),

92

las cuales que tratan de explicar este fenómeno, entre las más aceptadas se

encuentra la reducción en el tiempo de absorción de la energía de impacto.

Una de las características que define el límite balístico de un materi al es la

velocidad con la que el sonido viaja a través de este, mientras más alto sea este

valor mayor es la capacidad del material para disipar energía. lde~lmente en el

límite balístico se ha alcanzado la máxima deformación por parte de la fibra y esta

ha disipado la mayor cantidad de energía tal como se representa en la Figura

3.18a, cuando se tiene una velocidad de impacto mayor a la del límite balístico la

energía no logra disiparse en todo el material , lo cual genera una zona de menor

deformación (Figura 3.18b) ; en este punto, cabe mencionar que la sensibilidad a la

deformación de la aramida, se reduce a menos de un 2 % cuando es sometida a

velocidades de deformación de 103 s-1 [78] .

a) b)

~7 S +~· &= M = x ¿ 2.5%

~T. S +~~, &= M = x ~ 2 . 5%

S

S = Distancia ~S = Incremento en la distancia e = Deformación unitaria

S

Figura 3. 18. Deformación unitaria (E) sufrida por un laminado al absorber la

energía de impacto. a) en el límite balístico, b) por encima del límite balístico.

93

Este mecanismo de falla supone que mientras más alta sea la velocidad de

impacto, menor será la absorción de energía por parte del material , sin embargo

esto no es así, ya que como se puede observar en la Figura 3.17, cuando se

continuó incrementando la velocidad de impacto por encima del límite balístico, la

absorción de energía por parte del material compuesto se incrementa

nuevamente. Algunos autores atribuyen este fenómeno a la sensibilidad del

material a la velocidad de deformación, ya que los materiales compuestos de

aramida presentan un incremento de hasta el 30 % en su resistencia a la tracción

cuando son probados a velocidades de deformación entre 10-4 y 103 s-1 [78, 79].

Otra posible causa del comportam iento balístico observado se atribuye a la

reflexión de las ondas transversales de tensión a las zonas libres; la energía es

absorbida por otros mecanismos como la delaminación y expulsión de material en

la parte posterior del laminado, lo cual explica la presencia de zonas dañadas en

los laminados impactados a velocidades por encima del límite balístico [76, 77].

3.6.4. Material testigo.

La Figura 3.19 muestra una imagen de la plastilina comercial marca Modelina

después de ser impactada por una pesa de acero calibrada para determinar la

correspondencia fuerza-deformación. La norma oficial mexicana utilizada para

caracterizar chalecos antibalas, exige el uso de una pesa de acero de 1.043 Kg,

para medir el trauma por alto impacto en blindajes personales, esta pesa debe

indentar el material testigo con un promedio de profundidad (~) no mayor a 20 mm

± 3 mm, calculado a partir de cinco impactos. Los resultados mostraron una

profundidad de impacto de 19.97 mm, lo cual indica que la plastilina comercial

Modelina es un material testigo adecuado para determinar el trauma causado por

un impacto a un material compuesto aramida/PP.

94

Figura 3.19. Profundidad de impacto del material testigo: plastilina comercial

Modelina.

Una diferencia importante de procedimiento de prueba entre la gelatina balística

y el material testigo radica en que este último debe estar en contacto con la parte

posterior del laminado a impactar y no debe ser perforada. El hecho que se

encuentre en contacto con el blindaje ocasiona que se limite un importante

mecanismo de absorción de energía, la deformación posterior. Este hecho

provocó que durante las pruebas de alto impacto de los laminados consolidados

de aramida/PP de cuatro capas, la absorción de energía cayera de 48 J en

laminados probados sin material testigo a 30 J cuando se incluía el material

testigo, lo que representa un 20 % de reducción. La Figura 3.20 presenta un

laminado que fue probado bajo estas condiciones.

95

Figura 3.20. Laminado consolidado de cuatro capas impactado en presencia de

material testigo.

Las profundidad del trauma en el material testigo para las muestras de

aramida/PP consolidadas fue de 8.2 mm, esta medición se realizó desde la

superficie inalterada del material testigo hasta la parte más profunda del impacto.

La Figura 3.21 presenta una imagen frontal así como un corte transversal del

material testigo.

Los laminados independientes de cuatro capas de aramida/PP fueron probados

bajo las mismas condiciones de impacto que los consolidados, el valor del trauma

obtenido fue de 8.13 mm. En presencia del material testigo los laminados

independientes mostraron los mismos valores de trauma que los laminados

consolidados. Sin embargo, al probar bajo las mismas condiciones, muestras de

un blindaje personal sin matriz polimérica (cuatro capas de tejido de aramida), se

observó una profundidad de trauma de 11 mm, que es 27% mayor a la observada

en los laminados con matriz polimérica. Las imágenes de un blindaje sin matriz

impactado se presentan en la Figura 3.22, es posible apreciar una más clara

formación del rombo de impacto, así como una marca más pronunciada del

proyectil.

96

Figura 3.21. Material testigo utilizado ante impacto de una muestra aramida/PP.

La Tabla 3.3 presenta los valores de energía de impacto y profundidad del

trauma generado en los materiales. Cabe recordar que la norma permite 40 mm

como máxima profundidad de trauma. Estos resultados demuestran que la

presencia de la matriz de PP mejora la deformación posterior de un material aun

cuando su configuración permita la flexibilidad, como en el caso de los laminados

independientes, de lo contrario, la ausencia de matriz incrementa la deformación

posterior en un 27 %. Así también, se debe tomar en cuenta que en presencia de

un material testigo en la pa e posterior del laminado, reduce el límite balístico del

material compuesto aramida/PP en un 20 %.

97

Figura 3.22. Cuatro capas de tejido de aramida sin PP probadas con material

testigo.

Tabla 3.3. Propiedades balísticas de los blindajes probados en presencia de

material testigo.

Configuración Energía de impacto Profundidad de trauma

(J) (mm)

aramida/PP consolidado 30.6 8.2 ,.

aramida/PP independientes 30.6 8.13

aramida sin matriz 30.6 11

98

CONCLUSIONES

La metodología desarrollada en el presente estudio fue válida para evaluar la

mejora en la absorción de energía de alto impacto de un material compuesto de

aramida/PP y para comparar este material compuesto con su contraparte de solo

textil de aramida. Entre las ventajas más importantes que ofrece la presencia de la

matriz de polipropileno en el material compuesto respecto al tej ido de aramida está

el incremento en el límite balístico, la reducción de la profundidad del trauma ante

impactos frontales , la protección de la fibra ante humedad y solventes químicos,

sin dejar de mencionar las ventajas de procesabilidad que un termoplástico ofrece

al material compuesto en comparación a un termofijo.

Las pruebas de envejecimiento acelerado demostraron que el material

compuesto aramida/PP es capaz de mantener su límite balístico en ambientes de

humedad y temperatura; se simuló un año de envejecimiento natural en

condiciones equivalentes a una región cálida sub-húmeda, mismas condiciones

que demostraron reducir la resistencia a la penetración de los arreglos de aram ida

sin matriz polimérica. Las pruebas de envejecimiento acelerado se realizaron en

ausencia de UV, lo cual significa que los materiales desarrollos en el presente

estudio requieren ser protegidos contra la radiación ultravioleta, que es capaz de

fotodegradar rápidamente a la aramida.

Las pruebas comparativas entre laminados independientes y consol idados

demostraron que, la primera configuración absorbe un 13 % más energía que los

laminados consolidados. Este incremento se atribuye a la flexibilidad de los

laminados independientes que contribuye a la disipación de la energía de impacto.

Además, la flexibilidad del material aumenta su versatilidad de aplicaciones, por

ejemplo para chalecos antibalas o mantas blindadas.

Las pruebas con plastilina balística demostraron que el material compuesto

aramida/PP en aplicaciones como blindaje personal sufre una caída del 38 % en la

99

absorción de energía, debido a la presencia de la plastilina que restringe la

deformación del material compuesto; esta restricción es causada también por el

cuerpo humano en aplicaciones reales. La profundidad de trauma del material

compuesto fue un 27 % menor que la generada en el arreglo a base de solo textil

de aramida, esta diferencia es causada por la restricción que la matriz impone a . las mechas de aramida que restringe el deslizamiento de los nódulos del tejido en

un impacto de alta velocidad.

Las pruebas de alto impacto del material compuesto aramida/PP en presencia de

la gelatina balística determinaron la velocidad del proyectil, previa y posterior al

límite balístico, demostrando como por encima del límite balístico presenta una

reducción en absorción de energía del material, el cual se minimiza conforme

sigue aumentando la velocidad de impacto. Este comportamiento es mencionado

en muchos estudios y es utilizado para comparar resultados de pruebas físicas

con modelado por elemento finito.

La remoción del sizing de la fibra de aramida redujo el esfuerzo cortante

interfacial entre el arreglo probado, debido a la falta de interacción mecánica y

química entre la aramida y el PP. Esta situación genera una nueva interrogante,

¿Qué pasaría al límite balístico del material compuesto aramida/PP si el

recubrimiento es? Esta interrogante se genera con base a estudios realizados en

materiales compuestos de époxi/ fibra de vidrio, que mostraron una reducción en

su límite balístico al incrementar el esfuerzo cortante interfacial.

100

PERSPECTIVAS

Con este proyecto de investigación se plantearon las bases para una

investigación de dimensiones mucho mayores, esto se debe a la cantidad de

variables que surgieron las cuales afectan el límite balístico; como son el número

de cuentas del tejido, el recubrimiento en la fibra, la presencia de un material en la

parte posterior de la muestra a impactar, dimensión de la muestra, número de >

lados sujetados en la muestra al momento de impactar, geometría de proyectiles,

por mencionar algunos.

Entre las líneas que se propone continuar en esta investigación está:

1. Estudiar el efecto que tiene la densidad del tej ido (número de cuentas) en el

límite balístico de compuestos aramida/PP.

2. Estudiar el efecto del tamaño de la muestra en el límite balístico, comenzando

por pequeños discos de 5 cm de diámetro y llegando a muestras de 40 cm x

40 cm las cuales corresponden al tamaño de los tejidos de un chaleco

antibalas.

3. Analizar el impacto que tiene la adhesión interfacial en el límite balístico de

muestras de aramida/PP. Teniendo en cuenta que al eliminar el recubrimiento

de la fibra por técnicas de extracción soxhlet, se reduce el valor del esfuerzo

cortante interfacial , mismo que se podría aumentar por medio de técnicas de

silanización. Otra vía para mejorar la adhesión interfacial seria utilizando un

PP que presente mejores propiedades adhesivas.

4. Caracterizar mecánicamente el compuesto aramida/PP ante altas velocidades

de deformación por medio de la barra de Hopkinson, esto con el fin de

generar modelos matemáticos, o bien, para alimentar programas de

simulación como elemento finito .

101

81 BLIOGRAFÍA

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•

106

ANEXO 1

El calibre de un arma se refiere al diámetro de la bala expresado (Figura A 1 ), ya

sea para los americanos en pulgadas o para los europeos en milímetros. Por

ejemplo, los americanos llaman calibre 44 a una bala que mide 0.44 pulgadas de

diámetro, escribiéndolo como calibre .44 (sin el cero) y es común que. se exprese

como 44. Los europeos llaman 9 mm o 7.62 mm a una bala con un diámetro de 9

y 7.62 milímetros, respectivamente.

Pólvora

Cartucho

Figura A 1. Corte transversal a una bala.

En algunos casos el calibre se expresa con el afán de ofrecer más información al

usuario, como es el caso de la .30-06, donde los primeros dos número expresan el

diámetro del proyectil y los siguientes dos expresan el año de invención; un caso

similar es el .30-30, donde los•primeros dos número también expresan el diámetro

de la bala, como el caso anterior, pero los siguientes dos números expresan la

cantidad de pólvora expresada en granos (gr) contenida en el cartucho. Los

granos es una medida inglesa utilizada para medir el volumen de partículas

pequeñas, tales como la pólvora. De hecho la cantidad de pólvora contenida en un

cartucho no se acostumbra pesar, sino que se mide en volumen de ella vertida en

un cartucho.

107

ANEXO 2

0 .8

0 .6

ro ·c::; e:: 0.4 ro -e o U) ..0 <( 0 .2

0 .0

-0 .2 4000 3000 2000 1000 o

Longitud de onda (cm-1)

Figura A2. Espectro infrarrojo del sizing de resina epóxica contenida en la fibra de

aramida Kevlar ® 129 .

•

108