MINISTÉRIO DA DEFESA
EXÉRCITO BRASILEIRO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS
FERNANDA SANTOS DA LUZ
AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO BALÍSTICO DE
BLINDAGEM MULTICAMADA COM COMPÓSITO DE EPÓXI
REFORÇADO COM FIBRA DE JUTA
Rio de Janeiro
2014
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
FERNANDA SANTOS DA LUZ
AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO BALÍSTICO DE BLINDAGEM
MULTICAMADA COM COMPÓSITO DE EPÓXI REFORÇADO COM
FIBRA DE JUTA
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de
Mestrado em Ciência dos Materiais do Instituto
Militar de Engenharia, como requisito parcial para a
obtenção do título de Mestre em Ciência dos
Materiais.
Orientador: Prof. Sérgio Neves Monteiro – Ph.D
Rio de Janeiro
2014
1
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha
Rio de Janeiro – RJ CEP: 22290-270
Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluílo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer
forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que
esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações,
desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica
completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e
do(s) orientador(es).
620.1
Luz, Fernanda Santos da
L979a
Avaliação do comportamento balístico de blindagem
multicamada com compósito de epóxi reforçado com fibra de juta /
Fernanda Santos da Luz, orientada por Sérgio Neves Monteiro –
Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2014.
119p. : il.
Dissertação (Mestrado) – Instituto Militar de Engenharia, Rio de
Janeiro, 2014.
1. Curso de Ciência dos Materiais – teses e dissertações. 2.
Balística. 2. Blindagem. I. Monteiro, Sergio Neves. II. Título. III.
Instituto Militar de Engenharia.
2
3
AGRADECIMENTOS
À todas as pessoas que me incentivaram, me apoiaram e que de certa forma
contribuíram para a realização desse trabalho. Em especial àquelas pessoas que
despenderam de muita compreensão, carinho e paciência comigo.
Aos meus pais, pela ajuda e orientação em todos os momentos da minha vida.
Ao Professor Sérgio Neves Monteiro pelo apoio e orientação.
À todos os amigos de Pós-Graduação, pela amizade e companheirismo, em
especial, aos amigos do grupo de fibras naturais, Bruna Madeira, Renato Batista,
Cap Thiago Milanezi e Verônica Scarpini pela ajuda e suporte.
Ao CAEx, por disponibilizar instalações e pessoas qualificadas para a realização
dos ensaios balísticos, em especial ao Ten Cel Malizia, Cap D’Megeon, Sgt
Santiago, Sgt Furiati, Sgt Marcelo Alves e ao Sgt Machado, que possibilitaram a
execução dos mesmos.
Ao Cap Édio pelo suporte prestado nos testes balísticos.
Ao SC Joel pelas análises em MEV.
Aos professores da pós-graduação pelos ensinamentos e conhecimentos
passados.
À CAPES pelo incentivo financeiro para o desenvolvimento desse trabalho.
4
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES..................................................................................... 7
LISTA DE TABELAS.............................................................................................. 14
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS........................................................... 16
1
INTRODUÇÃO............................................................................................. 20
1.1
Justificativa do Trabalho.............................................................................. 24
1.2
Objetivo do Estudo...................................................................................... 24
1.2.1 Objetivo Geral.............................................................................................. 24
1.2.2 Objetivo Específicos.................................................................................... 25
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA....................................................................... 26
2.1
Sistemas de Blindagens Balísticas.............................................................. 26
2.2
Fibras Naturais Lignocelulósicas................................................................. 30
2.2.1 Fibra de Juta................................................................................................ 36
2.2.2 Arranjos das FNLs e Aplicação em Proteção Balística............................... 39
2.2.3 Compósitos Poliméricos Reforçados com FNLs......................................... 42
2.2.4 Mecanismos de Fratura do Compósito Reforçado com Fibra..................... 47
2.3
Comportamento Dinâmico dos Materiais..................................................... 50
2.3.1 Interação e Reflexão de Ondas de Choque................................................ 55
3
MATERIAIS E MÉTODOS.......................................................................... 59
3.1
Aspectos Gerais.......................................................................................... 59
3.2
Preparação dos Corpos Cerâmicos............................................................. 59
3.2.1 Medições dos Corpos cerâmicos................................................................. 64
3.3
Fabricação do Compósito Epóxi-Juta.......................................................... 65
3.4
Montagem da Blindagem Multicamada....................................................... 69
5
3.5
Ensaios Balísticos........................................................................................ 70
3.6
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)............................................... 75
4
RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................................. 77
4.1
Densificação e Retração Linear dos Corpos Cerâmicos............................. 77
4.2
Desempenho Balístico da Blindagem Multicamada.................................... 79
4.3
Desempenho Individual das Camadas do Sistema de Blindagem.............. 91
4.4
Interação das ondas de choque nas Blindagens Multicamada................... 95
4.5
Análise Fratográfica..................................................................................... 99
5
CONCLUSÕES............................................................................................ 108
6
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS......................................... 110
7
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................... 111
6
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG. 2.1
Sistema de blindagem multicamada (estrutura final do compósito):
(a) esquemático; (b) utilizado no presente estudo.............................. 28
FIG. 2.2
Representação esquemática de uma fibrila (JOHN e THOMAS,
2008) (adaptado)................................................................................ 30
FIG. 2.3
Seções transversais típicas de FNLs: (a) sisal, (b) rami, (c) curauá,
(d) juta, (e) bambu, (f) coco, (g) piaçava e (h) buriti (MONTEIRO et
al, 2011).............................................................................................. 34
FIG. 2.4
Planta
de
juta
(Disponível
em:
<http://panocru.com/pt/materias_primas.html>. Acesso em 16 de
agosto de 2014).................................................................................. 37
FIG. 2.5
Ciclo de produção da juta: (a) Colheita; (b) Secagem; (c)
Processamento; (d) Produto final (PIRES, 2009)............................... 38
FIG. 2.6
Diferentes tipos de arranjos de fibras: (a) simples; (b) sarja; (c)
cetim; (d) cesta; e (e) leno (JOHN e THOMAS, 2008)........................ 40
FIG. 2.7
Gráfico de resistência à tração e módulo de resistência em função
da carga em peso de tecido de juta no compósito. (MISHRA e
BISWAS, 2013)(adaptado)................................................................. 46
FIG. 2.8
Gráfico de resistência à tração para os compósitos de epóxi
(RAGHAVENDRA et al, 2014) (adaptado).......................................... 46
FIG. 2.9
Representação do mecanismo de dano por cisalhamento ou “Shear
Plug” (ELLIS et al, 1998)..................................................................... 48
FIG. 2.10 Danos em um compósito polimérico laminado no impacto balístico:
7
(a) no momento do impacto; (b) na penetração (BHATNAGAR,
2006)................................................................................................... 49
FIG. 2.11 Micrografias em MEV do compósito de fibra de banana e amido de
milho mostrando a fratura fibra e o pull out (SATYANARAYANA et
al, 2009).............................................................................................. 49
FIG. 2.12 Curva tensão (σ) versus deformação (ε) (MEYERS, 1994)
(adaptado)........................................................................................... 51
FIG. 2.13 Esquema de propagação da região impactada em um pistão de
gás: (a) Antes do choque; (b) Após um tempo t1; (c) Após um
tempo t2 > t1 (MEYERS, 1994).......................................................... 52
FIG. 2.14 Curva da probabilidade de perfuração (ZUKAS, 1982)...................... 54
FIG. 2.15 Transferência da onda de choque de um meio com baixa
impedância para um meio de alta impedância: (a) Gráfico de
Pressão versus Velocidade DE partícula; (b) Perfil de pressão
(MEYERS, 1994)................................................................................ 57
FIG. 2.16 Transferência da onda de choque de um meio com alta impedância
para um meio com baixa impedância: (a) Gráfico pressão versus
velocidade de partícula; (b) Perfil de pressão (MEYERS, 1994)........ 58
FIG. 3.1
Esquema da blindagem multicamada fixada na parede de plastilina
para o teste balístico........................................................................... 59
FIG. 3.2
Moinho de bolas Marconi, modelo MA 500......................................... 60
FIG. 3.3
Estufa da marca ELKA........................................................................ 61
FIG. 3.4
(a) almofariz e pistilo (b) Peneira com abertura de 0,355mm (#42)... 62
8
FIG. 3.5
(a) Balança analítica GEHAKA, modelo AG 200 (Disponível em:
<http://www.gehaka.com.br/produtos/balancas>. Acesso em 16 de
agosto de 2014); (b) Matriz de compactação..................................... 62
FIG. 3.6
Prensa
hidráulica
motorizada,
NOWAK
(Disponível
em:
<http://www.nowak.com.br/loja/prensas>. Acesso em 16 de agosto
de 2014).............................................................................................. 63
FIG. 3.7
Forno INTI, modelo FE 1700.............................................................. 64
FIG. 3.8
Fibras de juta: (a) manta cardada; (b) tecido com trama simples
(entremeado ortogonal e alternado)................................................... 66
FIG. 3.9
Matriz metálica utilizada na confecção das placas de compósito
epóxi-fibra........................................................................................... 66
FIG. 3.10 Camada de fibra de juta: (a) manta; (b) tecido................................... 67
FIG. 3.11 Preparação da placa de compósito epóxi-juta: (a) aplicação da
camada de graxa de silicone; (b) matriz envolvida com filme PVC;
(c) disposição juta e epóxi dentro da matriz; (d) arranjo das fibras
dentro da matriz (ex: manta); (e) matriz preenchida com metade
das fibras; (f) prensagem da matriz na prensa SKAY de 15ton; (g)
placa final do compósito epóxi reforçado com tecido de juta; e (h)
placa final do compósito epóxi reforçado com manta de juta............. 68
FIG. 3.12 Placa de Alumínio............................................................................... 69
FIG. 3.13 Cola Cura Rápida, Marca ULTRAFLEX.............................................. 70
FIG. 3.14 Blindagem multicamada...................................................................... 70
9
FIG. 3.15 Armação do suporte de tiro totalmente preenchido com a plastilina,
pronto para o ensaio........................................................................... 71
FIG. 3.16 Equipamentos para ajuste e verificação da densidade da plastilina:
(a) Câmara quente, WEISS; e (b) Aparato utilizado para verificação
da densidade...................................................................................... 72
FIG. 3.17 Munição 7,62mm................................................................................ 72
FIG. 3.18 (a) Provete calibre 7,62 mm com mira laser; e (b) Esquema do
sistema utilizado com barreira óptica modelo B471 da HPI (SILVA,
2014)................................................................................................... 72
FIG. 3.19 (a) Ensaio de velocidade residual da placa do compósito epóxi-juta;
(b) Radar Doppler, modelo SL-520P, fabricante WEIBEL.................. 73
FIG. 3.20 Sistema de blindagem multicamada fixado na plastilina. (a)
Camada intermediária do compósito epóxi-tecido de juta; e (b)
Camada intermediária do compósito epóxi-manta de juta.................. 74
FIG. 3.21 Microscópio eletrônico de varredura, modelo Quanta FEG 250, da
FEI...................................................................................................... 76
FIG. 3.22 Sistema de deposição de filme de alto vácuo da marca LEICA,
modelo EM ACE600........................................................................... 76
FIG. 4.1
Blindagem multicamada com tecido de aramida, como camada
intermediária, antes e após ensaio balístico....................................... 79
FIG. 4.2
Blindagem multicamada com compósito de epóxi reforçado com
tecido de juta, como camada intermediária, antes e após ensaio
balístico............................................................................................... 79
10
FIG. 4.3
Blindagem multicamada com compósito de epóxi reforçado com
manta de juta, como camada intermediária, antes e após ensaio
balístico............................................................................................... 80
FIG. 4.4
Medição da indentação causada na plastilina pelo impacto do
projétil................................................................................................. 81
FIG. 4.5
Gráfico de distribuição de Weibull das indentações para as placas
compósitas de epóxi reforçado com manta de juta............................ 84
FIG. 4.6
Gráfico de distribuição de Weibull do Grupo 1 das placas
compósitas de epóxi reforçado com manta de juta............................ 85
FIG. 4.7
Gráfico de distribuição de Weibull do Grupo 2 das placas
compósitas de epóxi reforçado com manta de juta............................ 86
FIG. 4.8
Gráfico de Weibull das indentações para as placas compósitas com
tecido de juta....................................................................................... 89
FIG. 4.9
Gráfico de Weibull das indentações das blindagens com tecido de
aramida............................................................................................... 89
FIG. 4.10 Gráfico de pontos experimentais do ensaio de velocidade residual
do alumínio......................................................................................... 92
FIG. 4.11 Gráfico de Weibull da velocidade limite (VL) para o compósito de
tecido de juta....................................................................................... 93
FIG. 4.12 Gráfico de Weibull da velocidade limite (VL) para o compósito de
manta de juta...................................................................................... 93
FIG. 4.13 Gráfico de Weibull da velocidade limite (VL) para a chapa de
alumínio.............................................................................................. 94
11
FIG. 4.14 Esquema gráfico do casamento de impedâncias na blindagem com
compósito epóxi-juta como camada intermediária.............................. 97
FIG. 4.15 Micrografia por MEV da fibra da manta de juta utilizada na
fabricação do compósito. Aumento de 100x....................................... 100
FIG. 4.16 Micrografia por MEV da trama do tecido de juta com trançado
grosseiro utilizado na fabricação do compósito. Aumento de 60x...... 100
FIG. 4.17 Micrografia por MEV: (a) Trama do tecido de aramida (100x); (b)
Detalhe da fibra (1000x)..................................................................... 101
FIG. 4.18 Micrografia por MEV: (a) Fratura do compósito do tecido de juta
(100x); (b) Partículas cerâmicas na superfície do compósito
(1000x)................................................................................................ 102
FIG. 4.19 Micrografia por MEV do detalhe do fio da trama do tecido envolvido
por epóxi (100x).................................................................................. 102
FIG. 4.20 Seção transversal da região danificada pelo impacto do projétil na
placa compósita “porosa” de manta de juta........................................ 103
FIG. 4.21 Micrografia por MEV da região fraturada do compósito de manta de
juta (100x)........................................................................................... 104
FIG. 4.22 Micrografia por MEV das partículas cerâmicas na superfície do
compósito de manta de juta (1000x)................................................... 104
FIG. 4.23 Micrografia por MEV das partículas cerâmicas presas nas fibras de
aramida (500x).................................................................................... 105
FIG. 4.24 Região de impacto do projétil na placa cerâmica............................... 105
12
FIG. 4.25 Fratura radial na região de impacto da camada cerâmica.................. 106
FIG. 4.26 Micrografia por MEV da cerâmica fraturada (5000x).......................... 107
13
LISTA DE TABELAS
TAB. 2.1
Níveis de proteção............................................................................ 27
TAB. 2.2
Composição química e parâmetros estruturais de fibras naturais
extraídas de caules........................................................................... 31
TAB. 2.3
Densidades e propriedades mecânicas de algumas fibras naturais
e da aramida..................................................................................... 32
TAB. 2.4
Produção mundial das principais fibras comerciais.......................... 36
TAB. 2.5
Avaliação de peso e custo das camadas de uma multiblindagem... 39
TAB. 2.6
Propriedades mecânicas do compósito epóxi-juta e vidro-E............ 45
TAB. 3.1
Análise química da alumina.............................................................. 60
TAB. 3.2
Análise química da nióbia................................................................. 61
TAB. 3.3
Especificações do alumínio.............................................................. 69
TAB. 4.1
Valores de espessura do sinterizado, densidade, densificação e
retração linear................................................................................... 77
TAB. 4.2
Profundidade da indentação na plastilina para as diferentes
blindagens multicamada e condições de ensaio.............................. 81
TAB. 4.3
Valores médios obtidos no ensaio balístico...................................... 84
TAB. 4.4
Parâmetros de Weibull obtidos dos resultados balísticos das
blindagens multicamadas com placa compósita reforçada com
manta de juta.................................................................................... 87
14
TAB. 4.5
Volume estimado de vazios nas placas compósitas de epóxi- juta.. 87
TAB. 4.6
Relação de custo dos componentes utilizados na blindagem.......... 90
TAB. 4.7
Comparativo de custo e peso total das blindagens multicamada..... 90
TAB. 4.8
Valores das velocidades médias de impacto e residual, energia
absorvida e velocidade limite para cada componente do sistema
de blindagem multicamada............................................................... 95
TAB. 4.9
Valores da velocidade da onda de choque e dos parâmetros
característicos de cada material....................................................... 96
TAB. 4.10
Valores do módulo de elasticidade e da onda elástica do
compósito epóxi-juta......................................................................... 96
TAB. 4.11
Valores da velocidade de partícula, velocidade de onda de choque
e pressão nas interfaces de cada componente da blindagem
multicamada e a natureza da onda de choque................................. 98
TAB. 4.12
Natureza das ondas refletidas e impedância de choque nas
interfaces da blindagem multicamada.............................................. 98
15
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ABREVIATURAS
ABRABLIN
Associação Brasileira de Blindagens
CAEx
Centro de Avaliações do Exército
IME
Instituto Militar de Engenharia
MEV
Microscópio Eletrônico de Varredura
NIJ
National Institute of Justice
FNL
Fibra Natural Lignocelulósica
SÍMBOLOS
S
Constante do material
ρ
Densidade do material
ρsint
Densidade do material sinterizado
Eabs
Energia absorvida
Vm
Fração em volume da matriz
Vf
Fração em volume de fibra
dσ/dε
Inclinação da curva tensão versus deformação
γ
Índice adiabático
Ef
Módulo de elasticidade da fibra
Ejuta
Módulo de elasticidade da juta
Em
Módulo de elasticidade da matriz
16
Ecp
Módulo de elasticidade do compósito
Eepóxi
Módulo de elasticidade do epóxi
β
Módulo de Weibull
P
Pressão
θ
Unidade característica
Us
Velocidade da onda de choque
Co
Velocidade da onda elástica
Vp
Velocidade da onda plástica
Vi
Velocidade de impacto
Up
Velocidade de partícula
C
Velocidade do som no material
VL
Velocidade limite
Vr
Velocidade residual
V
Volume específico
17
RESUMO
Em sistemas de blindagem balística de alto desempenho, normalmente, são
empregados diferentes tipos de materiais dispostos em várias camadas formando
um sistema multicamada. Atualmente, sistemas de blindagem multicamadas contra
munição de alta velocidade são compostos por um revestimento cerâmico seguido
por um tecido de aramida. Neste sistema, a cerâmica tem como função destruir a
frente do projétil e dissipar grande parte da energia através da sua fragmentação e o
tecido de aramida tem o papel de dissipar a energia cinética dos fragmentos
produzidos. No presente trabalho, o tecido de aramida foi comparado por
substituição com uma camada de compósito, de igual espessura, de epóxi reforçado
com fibra de juta em duas diferentes configurações, tecido e manta cardada.
Ensaios de impacto balístico com munição de calibre 7,62 mm, com alta velocidade
de impacto (>800 m/s), mostraram que os compósitos reforçados com fibras de juta,
tanto na configuração de tecido quanto na forma de manta, atenderam a norma
internacional NIJ para proteção individual. O mecanismo de proteção do compósito
de fibra de juta foi analisado por microscopia eletrônica de varredura. Os resultados
apontam que tanto a ruptura frágil da matriz de epóxi quanto a interação das fibras
de juta com os fragmentos da camada cerâmica contribuem para dissipar a energia
de impacto de entrada. A profundidade de deformação da plastilina foi usada como
critério de absorção de energia e eficiência balística. Os resultados dos testes
balísticos mostraram que a profundidade média de deformação da plastilina foi de
22,67 milímetros, 20,67 milímetros e 17,51 milímetros para o tecido de aramida e os
compósitos reforçados com fibra de juta, na configuração de tecido e manta,
respectivamente. Os resultados indicaram que o compósito reforçado com manta de
juta é o componente potencialmente mais eficaz em uma blindagem multicamada
para proteção balística de munição de 7,62 mm em comparação com o tecido de
aramida usado como segunda camada. Ensaios balísticos individuais, utilizando a
mesma munição 7,62 mm, nos diferentes componentes da blindagem multicamada
confirmaram o melhor desempenho dos compósitos de tecido e manta de juta
comparativamente com o tecido de aramida.
Palavras-chave: teste de balístico, blindagens multicamadas, compósito de fibra de
juta, análise de penetração da munição.
18
ABSTRACT
High performance ballistic armor systems may typically employed several types
of materials arranged in multiple layers forming a multilayer system. Nowadays,
multilayered armors against high speed ammunition are usually composed of a front
ceramic layer followed by aramid fabric. In these armors, the ceramic layer aims to
erode the bullet and dissipate energy through fragmentation while the aramid fabric
has the role to dissipate the kinetic energy of the fragments. In the present work, the
aramid fabric layer was compared to and replaced by an equal thickness layer of jute
reinforced epoxy composite in two different configurations, fabric and carded sliver
mat. Ballistic impact tests with high speed (>800 m/s) 7.62 mm caliber ammunition
showed that the jute fabric composite, in both configurations, attended the NIJ
standard for body protection. The mechanism of both aramid fabric and jute fabric
composite protection was analyzed by scanning electron microscopy. The results
indicate that both the rupture of the brittle epoxy matrix and the interaction of the jute
fibers with the fragments from the front layer contribute to dissipate the incoming
impact energy. Clay witness deformation depth was used as criterion of energy
absorption and ballistic performance. The ballistic tests results showed clay witness
average deformation depths of 22,67, 20,67 and 17,51 mm for aramid fabric and jute
fiber composite, fabric and carded sliver mat of jute, respectively. The results
indicated the composite reinforced with carded sliver mat of jute is potentially a more
effective component in a multilayered armor for 7.62 mm for ballistic protection, in
comparison with the aramid fabric used as second layer. Individual ballistic tests,
using the same 7.62 mm ammunition, for the different multilayered armor
components confirmed the superior performance of the fabric and mat jute reinforced
epoxy composites as compared with the aramid fabric.
Keywords: Ballistic test, multilayered armor, jute fiber composite, bullet penetration
analysis.
19
1 INTRODUÇÃO
Segundo a Associação Brasileira de Blindagem (ABRABLIN, 2014), a blindagem
balística pode ser definida como uma proteção existente contra projéteis balísticos,
concebida ou incorporada a pessoas, automóveis, veículos de transportes de
valores, veículos militares, fachadas e edificações.
O surgimento e o crescimento de conflitos armados e guerras pelo mundo
provocaram grandes alterações nas características do tipo de armamento utilizado,
com artefatos e munições mais evoluídos. Isso têm impulsionado a busca, através
da pesquisa e do desenvolvimento de novos materiais para emprego em blindagens
balísticas, de modo a otimizar sua eficiência. Esta busca estende-se em vários
países do mundo, inclusive no Brasil.
A grande demanda por este tipo de blindagem decorre principalmente das
necessidades do Exército Brasileiro, bem como das demais Forças Armadas e
Auxiliares do Brasil, em função da necessidade de coletes contra munições de
diversos calibres desde 0,38 mm de baixa velocidade de impacto (<300 m/s) até o
calibre 7,62x51 mm de alta velocidade de impacto (>800 m/s) bem como de
blindagem para viaturas leves contra munições ainda mais pesadas. Na presente
dissertação será utilizada somente a munição de 7,62x51 mm, aqui referido como
calibre 7,62 mm.
Em aplicações militares, as blindagens estão compromissadas com os seguintes
fatores de igual importância, que são a mobilidade, a resistência à penetração e a
alta absorção de impacto. O aumento do poder de penetração das munições implica
no aumento do peso da blindagem, que diminui a mobilidade. Uma camada única de
aço (BORVIK et al, 1999), por exemplo, apenas fornecerá a proteção necessária se
sua espessura for relativamente grande, o que acaba comprometendo o peso da
blindagem e consequentemente, sua mobilidade. Portanto, torna-se necessário
buscar novas soluções de engenharia para melhorar a proteção dos alvos. Neste
contexto, as blindagens com componentes cerâmicos aliados a outros materiais,
como compósitos poliméricos, são empregadas quando se deseja uma boa relação
peso/proteção balística. Por isso, sistemas de blindagens multicamadas, os quais
20
combinam materiais mais leves estão sendo amplamente investigados (ABRATE,
1998; MEDVEDOVSKI, 2006; TASDEMIRCI, TUNUSOGLU e GUDEN, 2012) e
aplicados como proteção balística individual (coletes). Esse sistema tem como
função, não apenas absorver o impacto, mas também evitar a penetração de
fragmentos (BROWN, 2003). Embora o desejo de melhorar a proteção balística
continue a impulsionar o desenvolvimento de novos materiais, o custo de produção é
um fator limitador neste mercado. Assim, um colete balístico deve ter como
características a leveza, o baixo custo e resistência ao impacto (LEE, WETZEL e
WAGNER, 2003). De acordo com a norma internacional de Resistência Balística de
Blindagem Corporal (NIJ 0101.04, 2000), a blindagem balística é considerada
eficiente quando a maior profundidade do trauma (indentação) no material apoiado
atrás da blindagem, plastilina, for igual ou inferior a 44 mm. Uma penetração de
profundidade superior a este valor pode causar trauma grave e até letal para o
usuário da blindagem (BAZHENOV, 1997).
De modo geral, os sistemas de blindagem multicamada são constituídos por
uma camada frontal de cerâmica por se tratar de um material frágil e duro, com
elevada resistência à compressão, que tem a capacidade de deformar e destruir a
frente do projétil (ANDERSON e MORRIS, 1992; SHOKRIEH e JAVADPOUR, 2008;
MEDVEDOVSKI, 2010). Uma grande parte da energia é dissipada através da
fragmentação dinâmica tanto do projétil quanto da frágil camada cerâmica. Esta
fragmentação envolve fenômenos como nucleação, crescimento e coalescência de
micro trincas (LOURO e MEYERS, 1989).
Quando um projétil de alta energia atinge o revestimento frontal de cerâmica é
gerada uma onda de compressão que se propaga e atinge a parte posterior da
camada (ABRATE, 2003). Em seguida, uma parcela dessa onda é refletida como um
pulso de tração que rompe a cerâmica sem sofrer qualquer influência do material da
camada subsequente (TASDEMIRCI, TUNUSOGLU e GUDEN, 2012). O material da
camada seguinte à cerâmica pode ser selecionado como um material mais leve que
tem como finalidade reduzir outra parcela de energia de impacto através da
absorção da energia cinética dos fragmentos gerados tanto pelo projétil quanto pela
cerâmica. Para esta camada subsequente, inicialmente, compósitos de fibras de
vidro foram selecionados (CHOU et al, 1998; D’ALMEIDA, NUNES e PACIORNIK,
21
2004) e compósitos de fibras de carbono foram investigados (VAIDYA, ULVEN e
HOSUR, 2003; HOSUR et al, 2004).
Atualmente, outros materiais conquistaram seu espaço em aplicações para
blindagens de proteção individual, tais como os tecidos de aramida Kevlar® e
Twaron® (JACOBS e DINGENEN, 2001; LEE, WETZEL e WAGNER, 2003) e as
fibras de polietileno de ultra alto peso molecular, como Spectra® e Dyneema® (LEE,
SONG e WARD, 1994; MORYE et al, 2000). Esses compósitos têm como objetivo
absorver a energia proveniente dos fragmentos gerados pela cerâmica e pelo
projétil, através de mecanismos como, descolamento do tecido da matriz,
estiramento da fibra, deformação por flexão e ruptura da fibra. Nesse sistema
multicamada pode-se também adicionar uma terceira camada de um metal dúctil,
que tem como função restringir a penetração do projétil e dos fragmentos gerados
através da sua deformação plástica. Nos sistemas multicamadas a propagação de
pulsos de energia nas interfaces entre diferentes materiais se dará na forma de uma
onda de compressão que será refletida como uma onda trativa ou compressiva, isso
dependerá das impedâncias das camadas. A impedância de choque de um material
está diretamente relacionada com a sua densidade (MEYERS, 1994). Se o material
da segunda camada possui impedância de choque menor do que o material da
primeira camada, a energia transmitida pelo pulso de compressão atuante será
menor. Portanto, para uma redução maior na energia de impacto, a segunda
camada pode ser composta de materiais mais leves, pois estes apresentam menor
impedância de choque. Por isso, um sistema de blindagem multicamadas é
comumente constituído por um revestimento frontal de cerâmica, geralmente Al2O3
que possui densidade em torno de 3,7 g/cm³, uma camada intermediária de
compósito de fibra de aramida com 1,4 g/cm³ de densidade, seguida por uma chapa
de metal dúctil, alumínio, com densidade de 2,7 g/cm³ (CALLISTER e RETHWISH,
2010). Logo, a substituição do compósito da camada intermediária por um compósito
reforçado com outro tipo de fibra de densidade ainda menor deve, em princípio,
aumentar a absorção da energia de impacto. Fibras naturais poderiam cumprir esse
papel.
Atualmente, é crescente a busca para se substituir materiais sintéticos por
materiais ambientalmente corretos, que tragam benefícios não só técnicos e
ambientais, mas também econômicos e sociais. E é nesse cenário que entra a fibra
22
natural obtida a partir de plantas, também conhecida como Fibra Natural
Lignocelulósica (FNL), que tem sua aplicação motivada por diversas vantagens, tais
como, menor densidade, menor custo, menor desgaste de equipamento para seu
processamento e maior flexibilidade (MONTEIRO et al, 2011), o que a torna uma
potencial candidata para a utilização como reforço de compósitos poliméricos mais
leves. Recentemente, compósitos poliméricos reforçados com FNL têm sido
intensamente estudados (JOHN e THOMAS, 2008; MONTEIRO et al, 2009;
SATYANARAYANA, ARIZAGA e WYPYCH, 2009; FARUK et al, 2012; MISHRA e
BISWAS, 2013; RAGHAVENDRA, 2014) e aplicados em vários setores de
engenharia, principalmente na indústria automotiva (HOLBERY e HOUSTON, 2006;
ZAH et al, 2007; NJUGUNA et al, 2011).
O Brasil é um dos maiores produtores de FNLs do mundo, o que o torna um
potencial destaque internacional na pesquisa, produção industrial e aplicação destas
fibras. Segundo o Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE, 2010), desde
2005, houve um crescimento em volume de 5,5% ao ano no mercado interno
nacional de fibras naturais, tanto em materiais avançados, quanto substituindo fibras
sintéticas em aplicações convencionais.
Sendo assim, o estudo dos benefícios e do desempenho balístico de materiais a
base de FNLs, em conjunto, na forma de um sistema de blindagem multicamada, se
torna interessante e pode contribuir com os avanços da tecnologia de defesa militar.
Um dos primeiros estudos realizados sobre as propriedades balísticas de
compósitos poliméricos reforçados com FNLs foi a pesquisa de Wambua et al (2007)
que consistia na avaliação do limite balístico V50 em função da densidade e
espessura do compósito. Os compósitos analisados possuíam matriz de
polipropileno reforçado com 46% em volume de diferentes fibras naturais, linho,
cânhamo ou tecido de juta. Wambua et al (2007) apesar de relatarem informações
significativas referentes à velocidade de impacto balístico e energia relacionada com
compósitos de fibra natural, não tinham como objetivo a análise do desempenho do
seu sistema como uma blindagem de proteção individual.
No presente trabalho, foi realizada a avaliação do desempenho balístico de
blindagens multicamadas através da penetração na plastilina, material que simula a
consistência do corpo humano. Esse sistema de blindagem é constituído de uma
camada frontal de cerâmica (Al2O3), seguida de um compósito de epóxi reforçado
23
com fibras de juta em duas configurações (tecido e manta) e uma placa de alumínio.
O desempenho balístico destas blindagens foi comparado com as de uma blindagem
convencional com tecido de aramida. Foi avaliada também a contribuição de cada
material através de testes balísticos individuais e analisado os aspectos de fratura
por microscopia eletrônica de varredura.
1.1 JUSTIFICATIVA DO TRABALHO
Atualmente, a busca de materiais alternativos para melhorar as proteções
balísticas está cada vez mais crescente. Quando se pretende obter uma relação
peso/proteção balística, blindagens multicamada que combinam componentes
cerâmicos com materiais mais leves, como compósitos poliméricos, estão sendo
muito utilizados e amplamente investigados. É nesse contexto que entram os
compósitos poliméricos reforçados com FNLs, que apresentam menores densidades
aliado ao baixo custo e apelo ambiental, por se tratar de um material biodegradável
e um recurso renovável. Sendo assim, o estudo do desempenho balístico desses
novos materiais se torna interessante e pode contribuir com os avanços da
tecnologia de defesa militar. Justifica-se também este estudo pelo fato das
blindagens convencionais a base de tecido de aramida envolverem um material
importado e com prazo limitado de vida operacional. Estes fatores de vulnerabilidade
tecnológica poderiam ser resolvidos pelo Exército Brasileiro com materiais
abundantes em nosso território.
1.2 OBJETIVO DO ESTUDO
1.2.1 Objetivo Geral
24
O objetivo do presente trabalho é avaliar e comparar o comportamento balístico
de sistemas de blindagem multicamada voltado à proteção balística individual,
fabricados com três diferentes tipos de materiais como camada intermediária: tecido
de aramida, comumente usado nesse tipo de proteção; compósito de epóxi
reforçado com tecido de juta; e compósito de epóxi e manta de juta. O presente
trabalho tem como finalidade traçar um comparativo entre o desempenho balístico
apresentado por esses três materiais e propor a utilização desse tipo de compósito
como um material alternativo para substituir o tecido de aramida, de uso
convencional em blindagens multicamadas.
1.2.2 Objetivos específicos
Os objetivos específicos do presente trabalho estão relacionados abaixo:
1) Verificar se a eficiência balística para cada material testado como camada
intermediária da blindagem multicamada, tecido de aramida e os compósitos de
epóxi-juta, atendem a norma internacional NIJ 0101.04 (2000).
2) Comparar o desempenho balístico dos três materiais utilizados como camada
intermediária, assim como, o peso e o custo dos sistemas de blindagem
multicamada utilizando esses materiais.
3) Comparar o desempenho individual através da velocidade limite de cada
material utilizado como camada intermediária.
4) Comparar as energias cinéticas absorvidas individualmente e associar com o
desempenho balístico das placas de compósito epóxi-juta e os resultados obtidos
por Silva (2014) para o compósito de epóxi reforçado com 30% de curauá.
5) Associar o desempenho balístico com a impedância dos materiais testados
como camada intermediária.
6) Analisar as superfícies fraturadas nos ensaios balísticos através de
observações em microscópio eletrônico de varredura com o intuito de verificar os
mecanismos de absorção de energia.
25
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 SISTEMAS DE BLINDAGENS BALÍSTICAS
Durante a última década, diversos estudos foram focados no desenvolvimento
de sistemas de blindagens leves e seu desempenho balístico para uso individual, em
veículos e aplicações estruturais (ABRATE, 1998; MEDVEDOVSKI, 2006;
TASDEMIRCI, TUNUSOGLU e GUDEN, 2012). A cerâmica avançada é um dos
componentes principais desses sistemas de blindagem, e tem como função destruir
a frente do projétil e absorver grande parte da energia proveniente do impacto. Os
mecanismos de proteção balística desempenhado pela cerâmica e pelo metal são
muito diferentes, pois a blindagem metálica absorve a energia do projétil através da
deformação plástica, já a cerâmica, dissipa a energia cinética do projétil através da
fratura e fragmentação. Os sistemas de blindagem mais eficientes são compostos,
de forma geral, por camadas de diferentes materiais. A blindagem contra munições
de alto impacto, normalmente, é constituída por uma placa frontal de cerâmica ou
por um compósito cerâmica-metal que podem ser cobertos por uma camada de fibra
de elevada resistência à tração, tais como, Kevlar®, Twaron®, Spectra®,
Dyneema®, e também colocado na parte posterior dessas placas. Além disso, pode
ser utilizado como um material de suporte, metais leves (por exemplo, chapas finas
de alumínio). Materiais, de menor rigidez, presentes na blindagem tem como função
proteger
o
sistema
contra
possíveis
danos
associados
com
vibrações
(MEDVEDOVSKI, 2010).
Diferentes materiais cerâmicos são comumente usados para proteção balística,
dentre eles, estão o óxido de alumínio (alumina - Al2O3), o carbeto de silício, o
carbeto de boro, assim como, nitretos e boretos. Embora a alumina possua uma
densidade relativamente alta (>3,95 g/cm³) quando comparada com as demais
cerâmicas, estas são comumente utilizadas em blindagens balísticas devido à boa
relação custo/benefício, pois apresenta menor custo e propriedades físicas
relativamente elevadas, além de possuir uma produção bem consolidada.
26
(MEDVEDOVSKI, 2010).
A avaliação do desempenho de uma proteção balística de uso do Exército e
Forças Auxiliares segue padrões internacionais, como os estabelecidos pelo Instituto
Nacional de Justiça dos Estados Unidos (NIJ – National Institute of Justice) que
classifica a blindagem em diferentes níveis de acordo com o tipo de calibre que essa
fornece proteção. A TAB. 2.1 mostra os diferentes níveis de proteção ao impacto em
função do calibre, da massa e da velocidade do projétil.
TAB. 2.1 - Níveis de proteção.
Nível
Calibre
Massa (g)
Velocidade mínima do projétil (m/s)
I
.22 LR
.38 SPL
2,6
10,2
310
239
II-A
9 mm
357 Mag
8
10,2
320
369
II
9 mm
357 Mag
8
10,2
343
410
III-A
9 mm
.44 Mag
8
15,6
411
411
III
7,62 x 51
9,7
823
IV
.30-06
10,8
853
Fonte: Adaptado da NIJ 0101.04 (2000).
A FIG. 2.1 apresenta o sistema de blindagem multicamada utilizado no presente
trabalho, que consiste na seguinte configuração: camada frontal de cerâmica, que
tem como função deformar/destruir a frente do projétil e absorver grande parte da
energia; camada intermediária de compósito de epóxi reforçado com fibra de juta,
para dissipar a energia cinética dos fragmentos gerados tanto pelo projétil quanto
pelo material cerâmico e capturá-los; e uma camada final de alumínio, para absorver
a energia residual através da sua deformação plástica. O sistema de blindagem
multicamada produzido no presente trabalho objetiva a proteção contra munições de
alta velocidade (calibre 7,62mm), ou seja, essa blindagem classifica-se como nível III
de acordo com a TAB. 2.1.
27
(a)
(b)
FIG. 2.1 - Sistema de blindagem multicamada (estrutura final do compósito): (a) esquemático; (b)
utilizado no presente estudo.
A propagação de trincas pode ser influenciada pela natureza e pela espessura
da blindagem balística, sendo importante para seu desempenho.
Quanto a natureza, características como a elevada resistência à compressão
dinâmica e baixa densidade fazem com que os materiais cerâmicos sejam muito
aplicados em sistemas de proteção balística (LOURO, LINDFORS e MEYERS,
1988). Com o impacto do projétil na camada cerâmica uma onda de choque
compressiva é gerada e propaga-se nessa camada. Quando esta onda de choque
atinge a superfície livre ocorre a reflexão na forma de uma onda trativa que pode
fraturar o material cerâmico se sua magnitude for maior que a resistência à tração
dinâmica da cerâmica. Após o impacto inicial, são formadas trincas radiais em toda a
cerâmica. A presença de aditivos pode alterar os mecanismos de fratura do material
cerâmico. Por exemplo, a nióbia (Nb2O5), utilizada como aditivo da alumina no
presente trabalho, faz com que o mecanismo de fratura da alumina passe de
transgranular para intergranular devido à formação de precipitados nos contornos de
grãos da alumina. Isso aumenta a absorção de energia durante o impacto (MADHU
et al, 2005). Em um sistema de blindagem multicamada, a quantidade de ondas de
tensão que será transmitida é determinada pela impedância das camadas
28
subsequentes (KRISHNAN et al, 2010). No caso da utilização de materiais dúcteis
em um sistema de blindagem multicamada, esses absorverão a energia cinética dos
fragmentos do projétil e do material cerâmico através de sua deformação plástica.
Quanto a espessura, uma configuração com placa cerâmica, de espessura entre
7mm e 10mm, seguida por camadas de tecidos, como a aramida, podem ser
eficientes contra uma série de munições. Isso irá depender do nível balístico, do tipo
de tecido e do desempenho do componente cerâmico. De forma geral, quanto menor
a espessura da camada cerâmica maior será a espessura necessária da camada
subsequente para fornecer a proteção adequada. Em projeto mais complexos ou
que exijam maior desempenho balístico são utilizada camadas adicionais de
diferentes materiais que podem ser colocadas tanto na frente da placa cerâmica
quanto, como no caso do tecido de aramida, em camadas posteriores
(MEDVEDOVSKI, 2006). Em recente trabalho científico (MONTEIRO et al, 2014) foi
comunicado que o tecido de aramida seguindo a cerâmica frontal em blindagem
multicamada é capaz de dissipar cerca de 36% da energia de impacto do projétil da
munição calibre 7,62 mm. Individualmente, com esta mesma munição, o tecido de
aramida dissipa menos de 2% da energia de impacto. Este comportamento é devido
ao mecanismo de absorção de energia cinética da nuvem de fragmentos após
impacto do projétil com a cerâmica. Diferente do mecanismo de ruptura das fibras de
aramida no ensaio individual, o da captura dos fragmentos por incrustação mecânica
associada à forças de Van der Waals e atração eletrostática, aparenta ser muito
mais eficiente contra munição 7,62 mm de alta velocidade caso seja colocado após
a cerâmica em uma blindagem multicamada.
Com o objetivo de reduzir peso e custo do sistema de blindagem multicamada
comumente utilizado, no presente trabalho, o tecido de aramida foi substituído por
uma camada de compósito, de igual espessura, de epóxi reforçado com a FNL. Na
fabricação desse compósito, a fibra utilizada foi a fibra de juta em duas diferentes
configurações, tecido e manta cardada, com a finalidade de traçar um comparativo
com o desempenho balístico da blindagem constituída de aramida e a influência
dessas diferentes configurações no desempenho balístico.
29
2.2 FIBRAS NATURAIS LIGNOCELULÓSICAS
As fibras podem ser classificadas em diversos grupos, sendo os dois principais
grupos: fibras naturais e sintéticas. Ainda, as fibras naturais podem ser agrupadas
de acordo com sua origem; seja vegetal (lignocelulósica), animal ou mineral. As
fibras naturais lignocelulósicas (FNLs) recebem esse nome devido a predominância
de lignina e celulose na sua estrutura (EICHHORN et al, 2001; JOHN e THOMAS,
2008).
Uma única fibra de uma planta é um composto natural complexo constituído por
várias células (BLEDSKI e GASSAN, 1999; MONTEIRO et al, 2011). Essas fibras
consistem basicamente em fibrilas de celulose semicristalina incorporadas em uma
matriz de hemicelulose e lignina (JOHN e THOMAS, 2008). A lignina é um ligante
amorfo, hidrofóbico, de alto grau de polimerização, que compreende compostos
aromáticos e alifáticos, e pode ser diluída em soluções alcalinas. Esta é responsável
por conferir rigidez às plantas. Enquanto que a hemicelulose é hidrofílica e consiste
em polissacáridos que são facilmente hidrolisados em ácidos, porém, permanecem
associados com a celulose, mesmo depois da remoção da lignina (BLEDSKI e
GASSAN, 1999; MONTEIRO et al, 2011).
Uma rede tridimensional é formada pelas ligações de pontes de hidrogênio entre
a matriz de hemicelulose e as fibrilas. Entre essa rede de hemicelulose e fibrila, a
lignina se intercala formando uma nova rede. A FIG. 2.2 ilustra o esquema de uma
fibrila.
FIG. 2.2 - Representação esquemática de uma fibrila (JOHN e THOMAS, 2008) (adaptado).
30
Conforme a FIG. 2.2 tem-se que a fibrila possui uma estrutura complexa,
constituída de parede primária, secundária e terciária, sendo a parede secundária é
subdividida em três camadas, nas quais as microfibrilas estão arranjadas de forma
helicoidal. O ângulo formado entre o eixo da fibra e as microfibrilas é chamado o
ângulo microfibrilar e varia de uma fibra para outra, assim como, a razão entre
celulose e lignina/hemicelulose. Por isso, cada FNL apresenta propriedades
distintas, pois suas propriedades mecânicas são determinadas por estes parâmetros
estruturais (JOHN e THOMAS, 2008; SATYANARAYANA et al, 1990). A TAB. 2.2
apresenta a composição química e os parâmetros estruturais de algumas fibras
naturais extraídas de caules.
Trabalhos anteriores mostram a influência da variação desses parâmetros nos
mecanismos de fratura de fibras de coco, palmyra, abacaxi e banana
(SATYANARAYANA et al, 1990). Satyanarayana et al (1990) constataram que as
fibras, como as fibras de coco e de palmyra, que exibem um baixo teor de celulose e
um alto ângulo microfibrilar apresentaram uma fratura de modo intracelular (pull-out
de microfibrilas), enquanto as fibras como banana e abacaxi, com alto teor de
celulose e baixo ângulo microfibrilar, apresentaram fratura do tipo intercelular e o
pull-out de microfibrilas não é observado.
TAB. 2.2 - Composição química e parâmetros estruturais de fibras naturais extraídas de caules.
Fibra
Celulose
(%p)
Lignina
(%p)
Hemicelulose
(%p)
Ângulo
microfibrilar
Umidade
(%p)
Referências
Juta
61 - 71,5
12 - 13
13,6 - 20,4
8
12,6
BLEDZKI e
GASSAN, 1999;
HON, 1992
Linho
71
2,2
18,6 - 20,6
10
10
BLEDZKI e
GASSAN, 1999;
HON, 1992
Cânhamo
70,2 - 74,4
3,7 - 5,7
17,9 - 22,4
6,2
10,8
BLEDZKI e
GASSAN, 1999;
HON, 1992
Rami
68,6 - 76,2
0,6 - 0,7
13,1 - 16,7
7,5
8
BLEDZKI e
GASSAN, 1999;
HON, 1992;
WUPPERTAL, 1981
Kenaf
31 – 39
15 - 19
21,5
-
-
HON, 1992;
ROWELL, 1992
31
A TAB. 2.3 mostra algumas propriedades mecânicas e a densidades para
algumas FNLs e também para a aramida, fibra sintética essa convencionalmente
utilizada em diversas aplicações. Através da TAB. 2.3 pode-se observar a diferença
entre as fibras naturais e a aramida, principalmente em sua resistência à tração. O
intervalo de valores para cada fibra corresponde aos limites máximos e mínimos
obtidos nas referências. As propriedades dessas fibras se diferem entre os trabalhos
citados, pois estas fibras provavelmente foram submetidas a diferentes condições de
umidade, processamento e diferentes métodos de ensaio.
Ao contrário das fibras sintéticas, as fibras naturais não possuem propriedades
uniformes, são microestruturalmente heterogêneas e têm limitação dimensional.
Uma
mesma
espécie
de
fibra
pode
ter
suas
propriedades
afetadas
consideravelmente dependendo da sua origem e qualidade na planta, da idade da
planta e seu pré-condicionamento (MOHANTY, MISRA e HINRICHSEN, 2000;
FARUK et al, 2012).
TAB. 2.3 – Densidades e propriedades mecânicas de algumas fibras naturais e da aramida.
Fibra
Densidade
ρ (g/cm³)
Resistência à
tração σ (Mpa)
Módulo de
Young (Gpa)
Referências
Bagaço
0,34 a 0,49
135 a 222
15 a 17
SATYANARAYANA et al, 2007
Bambu
1,03 a 1,21
106 a 204
-
MONTEIRO et al, 2011
Curauá
0,57 a 0,92
117 a 3000
27 a 80
SATYANARAYANA et al, 2007;
MONTEIRO et al, 2011
Cânhamo
1,07
389 a 690
35
NABI SAHED e JOG, 1999;
EICHHORN, 2001
Juta
1,30 a 1,45
393 a 800
13 a 27
BLEDZKI e GASSAN, 1999; NABI
SAHED e JOG, 1999;
SATYANARAYANA et al, 2007;
MONTEIRO et al, 2011
Linho
1,30 a 1,50
344 a 1035
26 a 28
BLEDZKI e GASSAN, 1999;
EICHHORN, 2001
61 a 128
BLEDZKI e GASSAN, 1999;
MOHANTY et al, 2000;
EICHHORN, 2001;
SATYANARAYANA et al, 2007;
MONTEIRO, 2011
Rami
1,5
400 a 1620
32
Fibra
Densidade
ρ (g/cm³)
Resistência à
tração σ (Mpa)
Módulo de
Young (Gpa)
Referências
Sisal
1,26 a 1,50
287 a 913
9 a 28
BLEDZKI e GASSAN, 1999; NABI
SAHED e JOG, 1999; MOHANTY
et al, 2000; EICHHORN, 2001;
SATYANARAYANA et al, 2007;
MONTEIRO et al, 2011
Aramida
1,44
3000 a 4100
63 a 131
KLASON et al, 1984; BLEDZKI e
GASSAN, 1999
Alguns artigos de revisão (MONTEIRO et al, 2011; FARUK et al, 2012) apontam
que a cristalinidade da fibra tende a diminuir à medida que a planta amadurece e
que a resistência mecânica e a rigidez da FNL estão correlacionadas com o ângulo
microfibrilar, de modo que para pequenos ângulos, propriedades mecânicas
superiores são obtidas e podem ser melhoradas com a modificação de superfície da
fibra.
Outro aspecto das FNLs é a variação considerável do diâmetro ao longo do
comprimento dos filamentos individuais e a excentricidade, o que também impacta
na não uniformidade das propriedades (MONTEIRO et al, 2011). A FIG. 2.3
apresenta as seções transversais típicas de algumas FNLs.
Heterogeneidades e defeitos existem nas direções longitudinal e transversal da
fibra. Isto é a principal razão para as fibras mais finas serem mais resistentes, pois
em seções retas menores a densidade de defeitos e irregularidades é bem menor
tanto na superfície quanto no volume da fibra (MONTEIRO, 2011).
33
FIG. 2.3 - Seções transversais típicas de FNLs: (a) sisal, (b) rami, (c) curauá, (d) juta, (e) bambu, (f)
coco, (g) piaçava e (h) buriti (MONTEIRO et al, 2011).
Outra diferença entre a FNL e a sintética é a interação com a água. Devido à
presença dos grupos hidroxila as FNLs são hidrofílicas apresentando, assim, grande
afinidade com a umidade ambiente (BLEDSKI e GASSAN, 1999). Esse teor de
umidade pode variar entre 5% e 10% (NABI SAHED e JOG, 1999).
A água sobre a superfície da fibra age como um agente de separação na
interface de uma matriz polimérica hidrofóbica, que é caso da maioria das resinas
empregadas nos compósitos. Ainda, devido à evaporação da água, podem aparecer
34
vazios na matriz, gerando perda de propriedades mecânicas. Uma solução para
reduzir o teor de umidade e melhorar a adesão interfacial é a secagem da FNL e
pré-tratamento das fibras, através de modificação química da superfície (BLEDSKI e
GASSAN, 1999; MOHANTY, MISRA e HINRICHSEN, 2000; MONTEIRO et al,
2011).
O pré-tratamento pode aumentar a rugosidade da superfície, o que contribui
para uma adesão na matriz polimérica. Porém, algumas FNLs já apresentam uma
rugosidade considerável sem tratamento e, neste caso, o pré-tratamento químicos
pode degradar a fibra e prejudicar o reforço da matriz (MONTEIRO et al, 2011).
Nestas últimas décadas um número crescente de artigos científicos, já
ultrapassando o milhar, têm sido dedicados ao estudo das FNLs e seus compostos
poliméricos. Vai além do escopo desta dissertação analisá-los individualmente o que
vem sendo feito em diversos artigos de revisão (SATYANARAYANA et al, 1990;
BLEDZKI, REIHMANE e GASSAN, 1996; BLEDZKI e GASSAN, 1999; NABI SAHED
e JOG, 1999; MOHANTY, MISRA e HINRICHSEN, 2000; EICHHORN et al, 2001;
MOHANTY, MISRA e DRZAL, 2002; NETRAVALI e CHABBA, 2003; CROCKER,
2008; JOHN e THOMAS, 2008; SATYANARAYANA, ARIZAGA e WYPYCH, 2009;
MONTEIRO et al, 2009; MONTEIRO et al, 2011; KALIA et al, 2011; FARUK et al,
2012; THAKUR et al, 2014).
Dentre as fibras citadas anteriormente, a fibra de juta tem sido bastante
investigada atualmente como reforço de compósitos poliméricos (MOHANTY, KHAN
e HINRICHSEN, 2000; RAY et al, 2002; SOYKEABKAEW, SUPAPHOL e
RUJIRAVAMIT, 2004; KUMAR, SINGH e SARWADE, 2005; DOAN, GAO e MÄDER,
2006; MOHANTY, VERMA e NAYAK, 2006; MONTEIRO et al, 2006; ALVES et al,
2010; DOAN et al, 2012; PINTO et al, 2013; MISHRA e BISWAS, 2013;
HACHEMANE et al, 2013; HOSSAIN et al, 2013; RAGHAVENDRA et al, 2014)
devido sua boa relação em resistência mecânica e peso e por ser uma das fibras de
menor custo. Esta fibra foi selecionada para a utilização como reforço na fabricação
de compósito de matriz polimérica proposto no presente trabalho.
35
2.2.1 FIBRA DE JUTA
Em diversos setores da indústria é crescente a tendência de substituição de
fibras sintéticas por fibras naturais lignocelulósicas (FNLs), isto se deve ao fato
destas apresentarem um custo relativamente baixo, baixa densidade, serem
provenientes de fontes renováveis e serem biodegradáveis (EICHHORN et al, 2001).
Um exemplo de aplicação é na indústria automotiva, a qual vem utilizando diferentes
tipos de FNLs na fabricação de alguns componentes internos dos carros; como a
Mercedes-Benz que utiliza fibras de banana no modelo Classe A (JOHN e THOMAS,
2008).
De acordo com Bledzki e Gassan (1999) e Faruk et al (2012), podem-se
classificar as FNLs nos seguintes tipos básicos, conforme sua localização na planta,
sendo: fibras de caule, fibras de folhas, fibras de sementes, fibras do núcleo
(floema), fibras de grama e cana (trigo, milho e arroz) e os outros tipos (madeira e
raízes).
A juta (Corchorus Capsularis), pertence à família Tilioideae, é originária da Índia
e uma das fibras naturais mais baratas. Atualmente, é considerada a fibra de caule
com o maior volume de produção (TAB. 2.4), tida como a fibra de ouro da Índia e
Bangladesh.
TAB. 2.4 - Produção mundial das principais fibras comerciais.
Fibra
Produção mundial (10³ ton)
Bambu
30.000
Juta
2.300
Kenaf
970
Linho
830
Sisal
378
Cânhamo
214
Coco
100
Rami
100
Banana
70
Bagaço de cana-de-açúcar
75.000
Grama
700
Fonte: FARUK et al, 2012.
36
A planta de juta (FIG. 2.4) é predominante em climas tropicais e pode alcançar
até 4 metros de altura e 20mm de espessura. Seu ciclo do plantio dura, em média,
seis meses e é geralmente cultivada entre agosto e janeiro, mas depende da
natureza e do clima.
FIG. 2.4 – Planta de juta (Disponível em: <http://panocru.com/pt/materias_primas.html>. Acesso
em 16 de agosto de 2014).
Para a produção da fibra de juta, a planta passa por um processo que leva
aproximadamente cinco dias. Este processo consiste, basicamente, no corte dos
talos, limpeza das hastes, maceração em água corrente ou parada, desprendimento
das fibras da casca, lavagem, secagem em varais e produção de bobinas ou tecidos.
A FIG. 2.5 apresenta algumas das etapas deste processo.
A primeira tentativa de produção de juta no Brasil foi por colonos japoneses na
década de 1930, mas apenas cinco anos depois Riyota Oyama conseguiu produzir
uma variedade de juta adaptada às condições da Amazônia, que se tornou uma das
principais atividades econômicas das populações ribeirinhas da região (LEÃO et al
2000). A planta de juta é bastante semelhante à planta de malva que também é
plantada na mesma região, alternando suas produções, pois o que difere essas
plantas é que a juta é característica de várzea baixa e a malva de várzea alta
(MARGEM, 2013).
37
(a)
(b)
(c)
(d)
FIG. 2.5 - Ciclo de produção da juta: (a) Colheita; (b) Secagem; (c) Processamento; (d) Produto final
(PIRES, 2009).
A fibra de juta, por apresentar elevado teor de umidade de 12,6%, conforme
apresentado na TAB. 2.2, é muito utilizada para a fabricação de sacaria, pois evita o
ressecamento e a fermentação do produto acondicionado. Outras aplicações
comuns dessa fibra são para a produção de cordas, telas e tapetes.
A TAB. 2.4 apresenta o custo da juta e de outros materiais utilizados na
produção de blindagens multicamadas, que é abordada no presente trabalho. De
acordo com a TAB. 2.5 observa-se que, para um mesmo volume, a fibra de aramida
custa mais de duzentas vezes o valor da juta. Isso torna a fibra de juta um material
promissor para a substituição de fibras sintéticas e utilização como reforço de
materiais compósitos, pois é uma fibra abundante de baixo custo e de grande
disponibilidade comercial, além de possuir uma resistência à tração relativamente
elevada (SHAH e LAKKAD, 1981).
38
TAB. 2.5 - Avaliação de peso e custo das camadas de uma multiblindagem.
Material
Volume
3
Densidade
3
Peso
Custo
Custo do material
(cm )
(g/cm )
(kgf)
(US$/kg)
(US$)
Al2O3
337,5
3,72
1,256
2,12
2,66
Aramida
225,0
1,44
0,324
63,60
20,61
Referências
SILVA, 2014
MOHANTY,
Juta
225,0
1,3
0,292
0,30
0,09
MISRA e
HINRICHSEN
2000
Al (liga
6061)
112,5
2,70
0,304
30,15
9,17
2.2.2 ARRANJOS DAS FNLs E APLICAÇÃO EM PROTEÇÃO BALÍSTICA
Uma das limitações das FNLs é o seu comprimento. Para solucionar esta
limitação uma das alternativas é a produção de fios contínuos que podem ser
enrolados em bobinas. Assim, essas FNLs poderão ser distribuídas de forma
uniforme em compósitos de matriz polimérica e fabricadas automaticamente por
processos de pultrusão, prepreg ou enrolamento filamentar. Entretanto, a aplicação
desse processo de fiação não é viável para fibras duras, pois gera um custo
adicional, diminuindo a vantagem econômica da fibra (MONTEIRO et al, 2009).
A produção de tramas (tecidos) é uma das primeiras etapas para a fabricação de
um produto semi-acabado. O desenvolvimento de tecnologias têxteis, tais como
fiação e tecelagem, resultou na formação de compósitos que possuem propriedades
mecânicas superiores. Na maioria das técnicas de processamento descritas acima,
pode-se utilizar diferentes tipos de arranjos das fibras, de forma a otimizar seu
desempenho.
Alguns tipos de arranjos comumente encontrados para FNLs são: simples, em
que os fios são entremeados de forma ortogonal e alternados por baixo e por cima
de cada fio de fibra da trama, possui propriedades mecânicas relativamente baixas
em comparação com os demais arranjos; sarja, onde um ou mais fios são tecidos
39
alternadamente sobre e sob dois ou mais fios de fibras da trama de uma maneira
regular e repetida, conferindo menor ondulação na trama resultando em
propriedades
mecânicas
ligeiramente
mais
elevadas;
cetim,
que
consiste
basicamente na trama de sarja modificada para produzir menos interseções na
trama, resultando em um tecido plano, com boa molhabilidade e alto grau de
maleabilidade; cesta, similar ao arranjo simples exceto que dois ou mais fios são
entrelaçados alternadamente com dois ou mais fios da trama, utilizados em tecidos
pesados, com fibras grossas, para evitar a ondulação excessiva da trama; e leno,
semelhante ao arranjo simples, em que os fios adjacentes são torcidos em torno de
fios consecutivos da trama para formar um par espiral (JOHN e THOMAS, 2008)
FIG. 2.6 mostra os diferentes tipos de arranjos citados.
FIG. 2.6 - Diferentes tipos de arranjos de fibras: (a) simples; (b) sarja; (c) cetim; (d) cesta; e (e) leno
(JOHN e THOMAS, 2008).
A utilização de compósitos reforçados com tecido de FNLs vêm sendo cada vez
mais investigada e aplicada em engenharia. Em particular, tecidos de fibras de juta
tanto novos como usados que foram incorporados em compósitos de polietileno
40
mostram um aumento significativo na resistência ao impacto, tanto no ensaio
destrutivo Charpy quanto Izod (LIMA et al, 2012a, 2012b).
Compósitos que usam tecidos estão sendo extensivamente aplicados em
blindagens de uso militar e forças auxiliares. A blindagem de proteção individual
(colete) tem como finalidade impedir que o projétil o atravesse totalmente e,
também, evitar que o impacto cause um abaulamento significativo na sua face distal,
pois, apesar do projétil poder não perfurar totalmente o colete, essa deformação
pode provocar graves lesões ao usuário. A magnitude desse trauma gerado na
blindagem pode ser reduzida através da incorporação de material fibroso, como os
tecidos, dentro de sua estrutura (GOPINATH, ZHENG e BATRA, 2012).
Os tecidos e seus compósitos podem ter suas propriedades de resistência ao
impacto e à perfuração influenciadas por uma série de fatores (AFSHARI, CHEN e
KOTEK, 2012), tais como:
- Propriedades do fio do tecido: resistência à tração, adesão com a matriz,
estabilidade térmica e densidade;
- Estrutura do tecido: tipo de trama e o número de filamentos por fio;
- Parâmetros do projétil: massa, geometria e velocidade de impacto;
- Atrito entre os fios e o projétil;
- Tipo da resina usado como matriz.
Os compósitos reforçados com tecidos apresentam cerca de 4 a 5 vezes maior
resistência à fratura quando comparados com os compósitos reforçados com fibras
contínuas e unidirecionais, os quais apresentam danos por delaminação no sentido
das fibras. Isso porque os tecidos apresentam como características específicas: a
presença de regiões ricas em resina (entre fios e tecidos); grande área de superfície
de fratura devido ao padrão ondulante dos fios; aspereza inerente ao tecido; e a
distribuição das tensões em várias frentes de trincas de delaminação (HOSUR et al,
2004).
O desempenho balístico de um material pode ser dado por sua capacidade de
absorção de energia de impacto e dissipação dessa energia de forma rápida e
eficiente. Portanto, a tenacidade, a deformação de ruptura da fibra e a velocidade
sônica são considerados fatores de grande importância (JACOBS e DINGENEN,
2001).
41
No presente trabalho, foi selecionado o tecido de trama simples, FIG. 2.6(a),
pois este é facilmente encontrado comercialmente.
2.2.3 COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FNLs
Na década de 1980, as fibras naturais começaram a despertar interesse como
um material sustentável, em adição ao uso têxtil, como uma solução alternativa para
problemas ambientais. A Índia foi a precursora na produção e a aplicação de
diferentes materiais constituídos por fibra de juta, como mostrado em muitos
periódicos (SHAH e LAKKAD, 1981; MUKHERJEA et al, 1983; PAL, 1984; SANADI
et al, 1985; PRASHANT, 1986) e artigos de revisão (CHAND et al, 1988; MOHANTY
e MISRA, 1995). Nesse período, os principais alvos de pesquisa foram compósitos
de fibras de juta usando resinas termofixas.
Trabalhos recentes estudam a aplicação de fibras naturais lignocelulósicas
(FNLs) em compósitos com matriz polimérica (MOHANTY, KHAN e HINRICHSEN,
2000; RAY et al, 2002; SOYKEABKAEW, SUPAPHOL e RUJIRAVAMIT, 2004;
KUMAR, SINGH e SARWADE, 2005; DOAN, GAO e MÄDER, 2006; MOHANTY,
VERMA e NAYAK, 2006; MONTEIRO et al, 2006; JOHN e THOMAS, 2008;
MONTEIRO et al, 2009; ALVES et al, 2010; SATYANARAYANA, ARIZAGA e
WYPYCH, 2009; FARUK et al, 2012; DOAN et al, 2012; MISHRA e BISWAS, 2013;
RAGHAVENDRA, 2014). A fase matriz tem papel fundamental no desempenho do
compósito e pode ser tanto de polímero termofixo quanto termoplástico. Essas duas
categorias de polímeros são interessantes para essa aplicação, porém, elas
apresentam algumas limitações. Os polímeros termofixos são mais complexos, pois
exigem a adição de diversos componentes em sua preparação, tais como, agentes
de cura, endurecedores, catalisadores e agentes de fluxo. Essa complexidade
encarece o seu processamento. Algumas técnicas de processamento como,
moldagem a frio, laminação contínua e enrolamento filamentar, tem sido usadas,
porém, têm-se poucos relatos. Já os polímeros termoplásticos são facilmente
processados utilizando técnicas simples como, a compressão, a extrusão, a
transferência de resina, e apresentam assim, baixo custo de processamento
42
(FARUK et al, 2012). Outra vantagem dos polímeros termoplásticos é a facilidade de
moldagem de peças complexas. Porém, a temperatura de processamento é um dos
fatores limitantes desse tipo de polímero, pois este fica restrito a uma temperatura
em torno de 200°C, já que a partir dessa temperatura as fibras podem apresentar
degradação térmica (NABI SAHED e JOG, 1999).
O processamento de compósitos termoplásticos envolve a extrusão dos
componentes à temperatura de fusão, seguido de operações, tais como a moldagem
por injeção e termoformagem. No caso de compósitos termofixos, as fibras são
combinadas com epóxi ou resinas de poliéster que contêm grupos reativos, que
auxiliam o desenvolvimento da interface (NABI SAHED e JOG, 1999).
Outro aspecto importante dos compósitos poliméricos reforçados com FNLs são
os fatores que impactam em suas propriedades finais. Dentre esses parâmetros,
pode-se citar: a adesão na interface fibra-matriz, a dispersão das fibras, o prétratamento, a estabilidade térmica e os parâmetros de processamento, no caso dos
termoplásticos.
Como as FNLs são de caráter hidrofílico e a matriz polimérica é hidrofóbica, a
adesão interfacial desse compósito fica comprometida. A adesão entre a matriz e o
reforço tem um papel importante na transmissão de tensão, se esta adesão for
baixa, consequentemente o compósito apresentará propriedades finais não
satisfatórias. Contudo, existem diversas técnicas para promover melhor adesão
entre esses dois materiais, tais como branqueamento, enxerto de monômeros,
acetilação, e assim por diante (NABI SAHED e JOG, 1999). Além do tratamento de
superfície das fibras é possível utilizar agentes de compatibilização ou de
acoplamento. Os agentes de compatibilização podem ser polímeros com grupos
funcionais enxertados na cadeia do polímero. Já os agentes de acoplamento são
compostos organometálicos tetrafuncionais como o silano e o zirconato (NABI
SAHED e JOG, 1999).
A dispersão das fibras no interior da matriz também é um fator importante, pois
irá impactar diretamente na propriedade final do compósito.
Para compósitos
termoplásticos utilizam-se fibras orientadas aleatoriamente dentro da matriz o que
confere, por exemplo, uma resistência mecânica menor do que a apresentada pelos
compósitos termofixos, no qual as fibras são dispostas de forma unidirecional e
então impregnadas com resina termofixa e submetidas à cura. Outro inconveniente
43
das FNLs é que estas também tendem a agregar entre si e não se dispersar bem em
uma matriz de polímero hidrofóbico, promovendo uma distribuição não uniforme das
fibras na matriz (NABI SAHED e JOG, 1999). Por isso, o pré-tratamento da fibra é
recomendado. Com a incorporação dos aditivos adequados, o pré-tratamento
confere boa dispersão e melhora significativamente as propriedades mecânicas do
compósito.
Outro fator que se deve ressaltar é a estabilidade térmica destas fibras, visto que
para a maior parte dos materiais termoplásticos a temperatura de processamento é
elevada.
Além disso, para os compósitos termoplásticos, as propriedades também são
influenciadas por parâmetros de processamento. Alguns trabalhos relatam o efeito
de parâmetros como o tempo de mistura, temperatura e composição de compósitos
(NABI SAHED e JOG, 1999). Estudos, como o de Tobias e Ibarra (1997), mostraram
que resistência à flexão de compósitos à base de poliéster aumenta com o aumento
da temperatura de cura. Ainda, para facilitar o processamento, podem ser utilizados
vários agentes auxiliares, tais como o ácido esteárico e óleo mineral têm sido
relatados. Tem-se também que ácido esteárico, além de ajudar no processamento, é
altamente eficaz na dispersão, reduzindo a interação fibra-fibra. Já o óleo mineral é
absorvido pelas fibras e age como um lubrificante, pois facilita o desemaranhamento
destas fibras (NABI SAHED e JOG, 1999).
Devido às propriedades de resistência relativamente elevadas da fibra de juta e
sua compatibilidade com polímeros, diversos estudos têm sido realizados para
fabricação de compósitos de epóxi-juta, poliéster-juta e fenol-formaldeído-juta para
aplicações convencionais de baixo custo, tais como componentes estruturais de
habitação,
silos
para
armazenagem
e
pequenos
barcos
de
pesca
(SATYANARAYANA et al,1990).
No presente trabalho é utilizada a resina termofixa de epóxi como matriz a fim de
traçar um comparativo com os demais trabalhos realizados com compósitos de
matriz polimérica utilizando o mesmo tipo de resina, mas diferentes FNLs.
Shah e Lakkad (1981) realizaram um estudo detalhado sobre a avaliação das
propriedades do compósito de epóxi reforçado com fibras unidirecionais de juta e
com reforço híbrido de juta e vidro-E. A TAB. 2.6 lista as propriedades mecânicas
obtidas para esses materiais compósitos. O aumento nas propriedades mecânicas
44
apresentado na TAB. 2.6 indicou boa compatibilidade do reforço de juta com a
matriz de epóxi. Comparando o compósito 100%p epóxi com o compósito apenas de
epóxi-juta, nota-se que a resistência à tração praticamente dobrou com o reforço.
TAB. 2.6 - Propriedades mecânicas do compósito epóxi-juta e vidro-E.
Epóxi
(%p)
Juta
(%p)
Vidro-E
(%p)
Resistência à
tração (MPa)
Módulo de
Young (GPa)
Resistência à
Resistência à
compressão (MPa) flexão (MPa)
67,1
32,9
0,0
104,0
15,0
95,0
150,0
42,0
18,0
40,0
157,0
25,4
158,0
445,0
50,0
20,0
30,0
143,0
22,7
137,0
418,0
45,6
14,4
40,0
238,0
30,6
204,0
624,0
31,8
0,0
68,2
429,0
41,3
320,0
938,0
100,0
0,0
0,0
59,0
3,6
115,0
127,0
Fonte: Adaptado de Satyanarayana et al (1990).
A influência da configuração bidirecional (tecido) de juta, em diferentes
composições, nas propriedades mecânicas dos compósitos epóxi-juta foi analisada
por Mishra e Biswas (2013). A FIG. 2.7 apresenta o gráfico de resistência à tração e
módulo de tensão em função da carga, em peso, de tecido de juta no compósito.
Neste estudo, Mishra e Biswas (2013) verificaram que algumas propriedades
mecânicas são fortemente influenciadas pelo teor de vazios dentro do compósito e
que esse teor diminui com o aumento da carga de fibras no compósito. Concluíram
também que as propriedades como, dureza, resistência ao impacto e resistência à
tração aumentaram com o aumento da carga de fibra no compósito epóxi-juta.
45
FIG. 2.7 - Gráfico de resistência à tração e módulo de resistência em função da carga em peso de
tecido de juta no compósito. (MISHRA e BISWAS, 2013) (adaptado).
Raghavendra et al (2014) também estudaram o compósito de epóxi reforçado
com tecido de juta. Em seus estudos, fizeram a comparação entre o compósito de
epóxi-juta com o compósito de epóxi reforçado com fibra de vidro e epóxi puro. Para
a fabricação desses compósitos foram utilizadas quatro camadas de tecido de fibras
correspondendo as porcentagens, em volume, de 16,6% e 18,5% de fibra de vidro e
tecido de juta, respectivamente. O gráfico da FIG. 2.8 apresenta os resultados
obtidos para a resistência a tração desses compósitos.
FIG. 2.8 - Gráfico de resistência à tração para os compósitos de epóxi. (RAGHAVENDRA et al, 2014)
(adaptado).
46
Os resultados obtidos mostraram que a resistência à tração, para o compósito
reforçado com juta, foi de 130% e para o reforço de fibra de vidro de 410% maior do
que a resistência à tração obtida pela resina de epóxi puro, de 21,03MPa.
2.2.4 MECANISMOS DE FRATURA DO COMPÓSITO REFORÇADO COM FIBRA
Nos compósitos poliméricos reforçados com fibra, a sua tenacidade é
influenciada pelo arranjo geométrico e pela tenacidade das fibras. Esse tipo de
compósito destaca-se pela capacidade de interromper, nas interfaces existentes, a
propagação de trincas internas através da alteração do estado de tensão atuante na
fratura. O processo de clivagem é favorecido pelo estado triaxial de tensões
presentes na ponta de uma trinca que se propaga. Na propagação dessa trinca em
um compósito reforçado com camadas de fibras ocorre a inibição ou divisão dessa
trinca em fraturas secundárias, que são desviadas em direções menos críticas,
favorecendo a delaminação, ou seja, a divisão de duas camadas na interface
(ALMOND, EMBURY e WRIGHT, 1969).
No presente trabalho, o compósito polimérico é produzido com camadas de
manta ou tecido de fibras de juta de forma que essas camadas são perpendiculares
à direção do impacto. Para esse tipo de configuração, ocorre o alívio do estado
triaxial de tensão através da delaminação na interface frente à trinca, pois a
resistência na interface é menor do que a componente de tensão na ponta da trinca.
Para que a propagação da trinca prossiga é preciso que uma nova trinca aguda
apareça e isso demanda de uma energia maior do que a propagação continuada de
uma fibra pré-existente, aumentando assim a resistência à fratura do material.
Além disso, a absorção da energia de impacto é bastante influenciada pelo
entrelaçamento das fibras do tecido, pois as regiões de encontro dos fios da trama
atuam como pontos de reflexão e divergência das ondas de deformação que
dispersam a energia de impacto. Dessa forma, características tais como,
propriedades da fibra, diâmetro da fibra, tipo de trama do tecido, tipo de matriz
utilizada, propriedades dessa matriz, adesão fibra-matriz e quantidade de fibra no
compósito, irão influenciar o grau de absorção da energia de impacto.
47
No impacto balístico de compósitos poliméricos, diversos mecanismos são
responsáveis pela absorção da energia de impacto, tais como, a delaminação entre
as camadas, a deformação elástica do compósito, o cisalhamento das camadas e a
tensão à fratura das fibras (MORYE et al, 2000).
A energia de impacto à alta velocidade é dissipada em uma pequena região em
compósitos poliméricos reforçados por camadas de tecido. Um esforço de
cisalhamento corta a superfície do material (shear plug) na região de impacto que se
desloca durante a penetração projétil. O diâmetro do plug aumenta à medida que o
projétil penetra nas camadas subsequentes do compósito até o projétil se deformar e
perder velocidade (ELLIS et al., 1998; PRAT et al., 2012). A FIG. 2.9 ilustra o
mecanismo de shear plug.
FIG. 2.9 - Representação do mecanismo de dano por cisalhamento ou “Shear Plug” (ELLIS et al,
1998).
Conforme a velocidade do projétil reduz, a resistência ao cisalhamento das
fibras aumenta, promovendo uma deformação por compressão do compósito e
tração nas fibras até sua ruptura (BHATNAGAR, 2006). Os danos produzidos no
compósito no momento do impacto e após a penetração do projétil estão
apresentados esquematicamente na FIG. 2.10, onde, em um primeiro estágio o
material compósito é comprimido pelo projétil, aumentando a sua resistência ao
cisalhamento sem a ruptura da camada frontal; no segundo estágio, essa camada
frontal é rompida pelo projétil e ocorre a delaminação de algumas camadas do
material compósito. A delaminação, separação das camadas dos compósitos, é um
mecanismo de absorção de energia de impacto que ocorre quando a adesão entre
as camadas é menor que os esforços do impacto. Na delaminação, a formação de
novas superfícies, devido à separação das camadas, é responsável por absorver a
energia de impacto.
48
(a)
(b)
FIG. 2.10 - Danos em um compósito polimérico laminado no impacto balístico: (a) no momento do
impacto; (b) na penetração (BHATNAGAR, 2006).
Além disso, o compósito polimérico pode apresentar falha devido à baixa
adesão interfacial, promovendo o descolamento da fibra da matriz, esse mecanismo
é conhecido por pull out. A FIG. 2.11 mostra um exemplo de falha por pull out no
compósito de fibra de banana e amido de milho (SATYANARAYANA et al, 2009).
FIG. 2.11 – Micrografias em MEV do compósito de fibra de banana e amido de milho mostrando a
fratura fibra e o pull out (SATYANARAYANA et al, 2009).
Esses mecanismos citados podem interagir e ocorrer em conjunto, ou
separadamente, quando submetidos a um impacto balístico.
49
2.3 COMPORTAMENTO DINÂMICO DOS MATERIAIS
Os processos que ocorrem em situações estáticas ou quase estáticas podem
ser significativamente diferentes daqueles que acontecem quando corpos estão
sujeitos a cargas que variam rapidamente (MEYERS, 1994).
O que define se um processo é estático ou dinâmico é a taxa da aplicação de
uma força externa em um corpo. Para taxas de deformação elevadas, tem-se um
comportamento dinâmico, onde o carregamento torna-se um fenômeno localizado
que se propaga no sólido como uma onda de tensão, enquanto que taxas de
deformação lentas caracterizam um comportamento estático em que o fenômeno de
carregamento é experimentado por todo o corpo (MEYERS, 1994 e ZUKAS, 1982).
Assim, a deformação quase estática, compreende uma sequência de estados de
equilíbrio, isto é, o corpo responde como um todo, pois o tempo é suficiente para a
relaxação de toda a estrutura, já a deformação dinâmica geralmente envolve a
propagação de ondas, que varia de seção para seção do corpo. Neste caso, as
tensões internas não são transmitidas instantaneamente, as tensões e deformações
são transferidas átomo a átomo a uma velocidade específica, que pode ser
calculada com uma boa aproximação (MEYERS, 1994, ZUKAS, 1982).
O impacto de um projétil em um material resulta em altas taxas de deformação e
essa resposta dinâmica pode ser considerada como comportamento balístico do
material. Ainda, dependendo da resposta do material à solicitação externa, as ondas
geradas podem ser dadas na forma de ondas elástica, plástica e de choque
(MEYERS, 1994).
A onda elástica transmite tensões abaixo da tensão de escoamento do material,
ou seja, dentro do regime elástico e sua velocidade () em um meio contínuo
depende da densidade do material () e do módulo de elasticidade (E), sendo obtida
através da EQ. 2.1.
= EQ. 2.1
No caso de materiais dúcteis, quando se ultrapassa a tensão de escoamento, o
material se deforma plasticamente, seja na deformação dinâmica ou na deformação
quase estática. Então, quando uma onda de tensão está se propagando no material
50
e sua amplitude excede o limite elástico, ocorre a decomposição dessa onda em
uma componente elástica e outra plástica. A velocidade da onda plástica é dada
pela EQ. 2.2.
= EQ. 2.2
Onde /é a inclinação da curva tensão (σ) versus deformação (ε)
apresentada na FIG. 2.12.
A FIG. 2.12 mostra que, no regime elástico, a relação dσ/dε é constante e igual a
módulo de elasticidade enquanto que no regime plástico tem-se uma redução dessa
relação, já que a inclinação diminui, ou seja, as ondas elásticas propagam-se a uma
velocidade maior do que as ondas plásticas.
FIG. 2.12 - Curva tensão (σ) versus deformação (ε) (MEYERS, 1994) (adaptado).
Quando o limite de escoamento dinâmico do material é excedido pelas ondas de
tensão, as tensões cisalhantes podem ser desprezadas, já que o material passa a
comportar-se como um fluido e pode ser modelado a partir da equação de um gás
perfeito (EQ. 2.3).
= − ∙
EQ. 2.3
Onde P é a pressão, V o volume específico e γ é o índice adiabático(MEYERS,
1994).
Essas
ondas
são
chamadas
de
ondas
de
choque,
as
quais
são
matematicamente expressas pelas equações de Rankine-Hugoniot. Para facilitar o
51
entendimento do conceito de propagação de ondas de choque e as equações de
conservação envolvidas, a FIG. 2.13 apresenta um esquema de propagação da
região impactada por um pistão de gás.
FIG. 2.13 - Esquema de propagação da região impactada em um pistão de gás: (a) Antes do choque;
(b) Após um tempo t1; (c) Após um tempo t2 > t1 (MEYERS, 1994).
Na primeira etapa, FIG. 2.13(a), o pistão está parado e o gás no seu interior está
com pressão P0, densidade ρ0 e velocidade U0 =0. Uma região de gás comprimido
ocorre na frente do pistão quando o pistão é acelerado até a velocidade ,
formando a frente de choque, ou seja, um plano que separa o fluido que se move do
fluido ainda estacionário.
Para um tempo , Fig. 2.13(b), tem-se um deslocamento da região comprimida
de ! ∙ e um deslocamento do pistão de ∙ , onde a região comprimida passa a
assumir uma densidade > # e uma pressão $ > $# . Na Fig. 2.13(c) é apresentada
a situação de um tempo % , que de forma conceitual não apresenta diferença de ,
52
mas observa-se que há uma tendência de aumentar a região compactada em
decorrência do tempo, visto que ! > (MEYERS, 1994, CARDOSO, 2005).
Nas ondas plásticas quanto maior a tensão provocada pela solicitação externa
menor será a sua velocidade de propagação, já para uma onda de choque o
fenômeno é contrário apresentando maior velocidade para uma maior amplitude de
onda. Como uma região com maior amplitude de onda desloca-se mais rápido do
que a região de menor amplitude, isto conduz a uma onda de choque ser definida
simplesmente como sendo uma descontinuidade de pressão, temperatura (ou
energia interna) e densidade.
O conceito de propagação de onda de choque requer utilizar as relações de
conservação de Rankine-Hugoniot expressas pelas EQs. 2.4, 2.5 e 2.6:
a) Conservação de massa: ∙ ! = ∙ (! − )
b) Conservação de momento: ($ − $ ) = ∙ ! ∙ c) Conservação de energia: & − & = ½ ∙ ($ + $ ) ∙ ( − )
EQ. 2.4
EQ. 2.5
EQ.2.6
As EQs. 2.4, 2.5 e 2.6 são aplicadas quando ocorre a propagação de uma
pressão descontínua no material e apresentam cinco variáveis: velocidade da
partícula (Up), velocidade de choque (Us), volume específico (V) ou densidade (ρ),
pressão (P) e energia (E). Para a resolução dessas três equações com cinco
variáveis torna-se necessária a adição de uma quarta equação para que seja
possível calcular todos os parâmetros de interesse. Esta quarta equação (EQ. 2.7)
expressa uma relação entre Us e Up obtida experimentalmente e é conhecida como
equação de estado do material.
! = + ) ∙ + )% ∙ % + ⋯
EQ. 2.7
onde S1 e S2 são parâmetros empíricos e C0, a velocidade do som no material à
pressão zero. Para a maioria dos materiais S2 e demais termos são iguais a zero e
tem-se uma equação reduzida, EQ. 2.8.
! = + ) ∙ EQ. 2.8
Esta relação linear entre Us e Up descreve razoavelmente bem a resposta ao
choque de materiais não sujeitos à transformação de fases. Os valores de C0 e S1
são frequentemente tabelados na literatura. De posse dessas quatro equações
pode-se calcular as relações duas a duas. Porém, essas relações só podem ser
aplicadas partindo de algumas considerações:
53
a) o choque é uma superfície descontínua sem espessura aparente;
b) o módulo de cisalhamento é zero quando o material comporta-se como um
fluido;
c) carregamento quase estático e processo adiabático, portanto, as forças de
corpo, como força gravitacional e a condução de calor na frente de choque são
desprezíveis;
d) não há comportamento elastoplástico; e
e) o material não sofre transformações de fase.
A avaliação do comportamento balístico dos materiais pode ser realizada por
métodos determinísticos ou probabilísticos (ZUKAS, 1982). O método determinístico
utiliza as leis de conservação de massa, de momento e de energia, além da
equação de estado dos materiais para determinar a velocidade crítica de impacto.
As relações descritas acima são os fundamentos desse método, onde a
determinação de algumas constantes pode ser realizada empiricamente por meio de
ensaios dinâmicos.
O método probabilístico é um método estatístico que se baseia na probabilidade
de ocorrência ou não da perfuração do alvo, adotando como critério a velocidade em
que ocorre a perfuração a uma probabilidade pré-fixada. Para isso, é utilizado um
grande número de série de impactos.
O limite balístico V50 é o critério mais adotado, que consiste na determinação do
valor que corresponde a uma probabilidade igual, 50%, do alvo ser perfurado ou
não. A curva típica da probabilidade de perfuração em função da velocidade de
impacto é ilustrada na FIG. 2.14.
FIG. 2.14 - Curva da probabilidade de perfuração (ZUKAS, 1982).
54
Em algumas situações não se pode garantir, experimentalmente, a perfuração e
a não perfuração do alvo, sendo necessário aplicar princípios físicos para
determinação do valor do limite balístico. Por exemplo, para a determinação do valor
desta velocidade para munições de alta velocidade como a 7,62, padrão OTAN, não
é possível realizar disparos com baixas velocidades de forma a não perfurar o alvo.
O disparo destas munições, mesmo após ajuste da massa propelente, é efetuado a
uma velocidade relativamente alta para o cálculo do V50 e em outras situações o
projétil não abandona o equipamento de disparo (provete).
Porém, como a energia cinética dissipada pelo projétil durante a penetração no
alvo é igual à energia total absorvida pelo alvo, é possível calcular a velocidade
limite do projétil (VL). Essa velocidade limite pode ser definida como sendo a
velocidade em que o alvo absorveria toda a energia cinética do projétil, não
ocorrendo assim a perfuração do alvo (MORYE et al, 2000).
A energia absorvida é dada pela diferença entre a energia cinética de impacto
(Ei) e a energia cinética residual (Er) expressa a partir das respectivas velocidades
pela EQ. 2.9.
&+,! = -./% − 0% 1
%
EQ. 2.9
onde m é a massa do projétil, Vi a velocidade de impacto e Vr a velocidade residual
do projétil.
A relação entre a velocidade limite (VL) e a energia absorvida está
apresentada na EQ. 2.10.
2 = %345
6
EQ. 2.10
2.3.1 INTERAÇÃO E REFLEXÃO DE ONDAS DE CHOQUE
A análise da interação de uma onda de choque em diferentes meios é
realizada através do método de casamento de impedâncias. Para aplicar este
método leva-se em consideração uma situação mais simples, onde o impacto ocorre
entre duas superfícies planas (planar), paralelas e a direção do movimento do
projétil é perpendicular à sua superfície (normal).
55
Antes do impacto o projétil viaja a velocidade V e o alvo encontra-se em
repouso. Após o impacto, duas ondas de choque compressivas são geradas, uma
delas viaja para dentro do projétil, com velocidade Us1, e a outra para dentro do alvo,
com velocidade Us2. A porção não comprimida do projétil, ainda move-se na
velocidade V, enquanto que a porção não comprimida do alvo está em repouso. Já
no momento do impacto, a velocidade das partículas, na região comprimida do
projétil, é reduzida de V para Up1. Há duas condições que serão usadas para
estabelecer as equações que irão prever a pressão gerada tanto no alvo quanto no
projétil.
i)
O material tem que ser contínuo através da interface de impacto, o que
impõe a mesma velocidade de partícula na região comprimida, ou seja,
= %. Se as velocidades de partícula fossem diferentes haveria
vazios ou regiões de super alta densidade, o que não acontece.
ii)
A pressão tem que ser a mesma ($ = $% ), pois caso contrário ocorreria à
formação de outro pulso.
A aplicação deste método pode ser exemplificada para duas diferentes
situações: transferência de onda de choque de um meio de baixa impedância (A)
para outro de alta impedância (B); e transferência de onda de choque de um meio de
alta impedância (A) para outro de baixa impedância (B).
Como já mencionado, a impedância depende da densidade do material e é dada
pelo produto da sua densidade pela velocidade da onda sônica (elástica) (MEYERS,
1994; BRENNAN, 2007). Portanto, para este primeiro caso, o material A possui
menor densidade que o material B. A FIG. 2.15 ilustra esta primeira situação e
mostra a variação da pressão P em função da velocidade de partícula para os
materiais A e B. A reta pontilhada da curva do material A é a linha de Rayleigh, a
qual explica a descontinuidade na pressão (ou densidade) durante o choque. A
inclinação da linha de Rayleigh é dada pelo produto da densidade do material e a
velocidade da onda de choque Us. Na interface entre os materiais A e B, ocorrerá a
mudança da pressão P1 para que o equilíbrio seja atingido. Essa mudança pode ser
calculada
através
do
casamento
de
impedâncias,
como
apresentado
esquematicamente na FIG. 2.15(a). Conforme a FIG. 2.15(a) nota-se que para o
material A, de menor impedância, a inclinação da curva é menor comparando com o
material B. Neste caso, o material A faz o papel do projétil e o material B o alvo, pois
56
o material A que irá impactar no material B. Sendo assim, para determinar a pressão
na interface, P2, é necessário calcular a velocidade de partícula na interação entre o
material A e B. Então, considera-se o momento de impacto, onde ocorre a queda de
velocidade do projétil de V para Up2. Esta velocidade de interação (Up2) é dada pela
interseção da curva Hugoniot do material B com a curva invertida do material A
(projétil), como mostra a FIG. 2.15(a). Aplicando-se as equações de conservação e
de estado do material é possível definir os valores de Up2 e P2. Para esta situação, o
perfil de pressão é apresentado na FIG. 2.15(b). A pressão passa de P1 para P2
quando a frente de choque atinge a interface. Neste momento, ocorre a
decomposição da onda e uma frente de pressão é propagada em A e outra em B.
Então, esta frente de pressão retorna na forma de uma onda compressiva e sua
pressão cai para $% − $ . O pulso continua sua propagação para a esquerda e a
velocidade de partícula Up2 se mantém a mesma na região de alta pressão, em A e
B. Deste modo, é assegurada a continuidade de pressão e de velocidade de
partícula (MEYERS, 1994).
(a)
(b)
FIG. 2.15 - Transferência da onda de choque de um meio com baixa impedância para um meio de
alta impedância: (a) Gráfico de Pressão versus Velocidade de partícula; (b) Perfil de pressão
(MEYERS, 1994).
57
No segundo caso, a transferência da onda de choque ocorre de um meio com
alta impedância (A) para um meio com baixa impedância (B). A FIG. 2.16(a)
apresenta a solução gráfica para esta situação. Para determinar a velocidade de
partícula e pressão na interface dos materiais A e B é necessário, primeiramente,
inverter a curva do material A na pressão P1 (AR). A interseção dessa curva na
curva do material B ocorrerá em P2. Neste caso, a pressão P2 é menor que P1. Esta
pressão libera um pulso que se propagará no material A. Admitindo que os materiais
A e B são semi-infinitos e que o pulso liberado viaja livremente até encontrar a frente
de onda do pulso primário. Este encontro ocorre no instante t4 que gera um pulso de
tensão trativa que se propaga tanto para dentro do material B quanto para o material
A. Caso a onda trativa possua uma amplitude suficientemente alta ocorre o
estilhaçamento do material.
(a)
(b)
FIG. 2.16 - Transferência da onda de choque de um meio com alta impedância para um meio com
baixa impedância: (a) Gráfico pressão versus velocidade de partícula; (b) Perfil de pressão
(MEYERS, 1994).
58
3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 ASPECTOS GERAIS
A fabricação da blindagem multicamada foi dividida em três etapas. A primeira
etapa consistiu na preparação do corpo de prova cerâmico, o qual passou pelos
processos de preparação do pó, prensagem uniaxial e sinterização, que serão
descritos na sequência. A preparação do compósito foi a segunda etapa, divida em
preparação das fibras, preparação da resina, confecção e prensagem. A última
etapa foi a montagem da blindagem multicamada de acordo com a configuração
apresentada no esquema da FIG. 3.1.
FIG. 3.1 - Esquema da blindagem multicamada fixada na parede de plastilina para o teste balístico.
3.2 PREPARAÇÃO DOS CORPOS CERÂMICOS
Para a fabricação dos corpos cerâmicos foi preparada uma mistura do pó de
alumina, do aditivo de sinterização (nióbia) e do ligante (polietileno glicol – PEG) em
59
um moinho de bolas de alumina, modelo MA 500 (FIG. 3.2), por 8 horas. Os
materiais utilizados no preparo do pó foram: a alumina, da empresa nacional
Treibacher Scheifmittel; a nióbia, da Companhia Brasileira de Metalurgia e
Mineração (CBMM); e o ligante orgânico PEG, da VETEC. Essa mistura foi
preparada seguindo a composição em peso de 94,53% de alumina, 3,94% de nióbia
e 1,53% de PEG. Após a evaporação do ligante orgânico, a adição de nióbia passou
a ser de 4% em peso, a qual apresentou melhores resultados em testes balísticos de
trabalhos anteriores (GOMES, 2004).
FIG. 3.2 - Moinho de bolas Marconi, modelo MA 500.
As análises químicas do pó de alumina e nióbia, de acordo com os
fornecedores, constam nas TAB.s 3.1 e 3.2, respectivamente.
TAB. 3.1 - Análise química da alumina.
Elemento
Análise
Especificação
Al2O3 (%)
99,4
Min. 99,1
SiO2 (%)
0,04
Máx. 0,06
Fe2O3 (%)
0,04
Máx. 0,06
Na2O (%)
0,11
Máx. 0,15
umidade a 300º C (%)
0,2
Máx. 0,5
Fonte: Adaptado de TRINDADE, 2012; SILVA, 2014.
60
TAB. 3.2 - Análise química da nióbia.
Elemento
Análise
Nb2O5 (%)
99,5
Perda ao fogo (%)
0,1
Ta (ppm)
745
Ti (ppm)
240
Fe (ppm)
136
Si (ppm)
66
Sn (ppm)
95
Fonte: Adaptado de TRINDADE, 2012; SILVA, 2014.
Após a moagem, essa mistura foi colocada em estufa, da marca ELKA (FIG.
3.3), para a secagem à temperatura de 100°C, por 48 horas. Em seguida, o pó foi
desaglomerado em um almofariz e peneirado em uma peneira de abertura 0,355mm
(FIG. 3.4).
FIG. 3.3 - Estufa da marca ELKA.
61
(a)
(b)
FIG. 3.4 - (a) almofariz e pistilo (b) Peneira com abertura de 0,355mm (#42).
Posteriormente, foi pesado 100g desse
d
pó em uma balança digital, GEHAKA
modelo AG 200,, com precisão de 0,0001g
0,0
(FIG. 3.5(a)) e colocado em uma matriz
hexagonal (FIG. 3.5(b)) para a compactação em uma prensa hidráulica motorizada
de 30 ton., NOWAK (FIG. 3.6),
3.6 , aplicando uma carga de 12 toneladas,
toneladas que equivale a
60MPa de pressão. A pressão selecionada para o presente trabalho foi a que
apresentou melhores resultados em trabalhos anteriores (TRINDADE, 2012) e a
quantidade de pó foi determinada considerando
considerando a retração da peça depois de
sinterizada, a qual deve apresentar 10mm de espessura.
espessura
(a)
(b)
FIG. 3.5 – (a) Balança analítica GEHAKA,
G
modelo AG 200 (Disponível em: <http://www.gehaka.com.
<http://www.
br/produtos/balancas>.
produtos/balancas>. Acesso em 16 de agosto de 2014); (b) Matriz de compactação.
compactação
62
FIG. 3.6 - Prensa hidráulica motorizada, NOWAK (Disponível em: <http://www.nowak.com.br/
loja/prensas>. Acesso em 16 de agosto de 2014).
Após a prensagem obteve-se os corpos verdes, nos quais foram medidas as
espessuras, que foram utilizadas no cálculo de retração do corpo cerâmico
sinterizado.
Os corpos verdes foram, então, sinterizados no forno INTI, modelo FE 1700
(FIG. 3.7), de acordo com a seguinte rota de sinterização (TRINDADE, GOMES e
LOURO, 2013):
i)
Aquecimento de 25oC até 158oC, utilizando uma taxa de 1oC/min;
ii)
Patamar de aquecimento de 158°C por 1h;
iii)
Aquecimento de 158°C até 375°C a uma taxa de 1°C/min;
iv)
Aquecimento de 375°C até 1000°C a uma taxa de 8°C/min;
v)
Aquecimento de 1000°C até 1400°C a uma taxa de 5°C/min;
vi)
Patamar de sinterização a 1400°C por 3h.
As três primeiras etapas dessa rota foram responsáveis pela eliminação do
ligante orgânico de forma a obter um menor diâmetro médio de poros promovendo
melhor densificação na sinterização (TRINDADE, GOMES e LOURO, 2013).
63
FIG. 3.7 - Forno INTI, modelo FE 1700.
3.2.1 MEDIÇÕES DOS CORPOS CERÂMICOS
A determinação da densidade do sinterizado foi feita através do cálculo da razão
massa/volume (EQ. 3.1), conhecida também por densificação (EQ. 3.2) quando
apresentada em termos percentuais da densidade teórica da mistura (alumina +
nióbia). Essa densidade teórica foi calculada pela regra das misturas a qual
considera a quantidade de cada componente presente na mistura resultando em
4,0049 g/cm3.
6
!/7890/:+# = ;<=>?@?ABçã = E
5FGHIJFK3LM
N × 100%
EQ. 3.1
EQ. 3.2
onde:
ρ: densidade teórica;
ρsinterizado: densidade do corpo cerâmico sinterizado;
m: massa da amostra (g);
V: volume da amostra (cm3).
Como a dimensão de maior relevância é a espessura do corpo cerâmico, o
cálculo de retração linear (RL) foi feito apenas nessa dimensão, conforme a EQ. 3.3.
64
R2 =
9SIJLI T95FGHIJFK3LM
9SIJLI
× 100
EQ. 3.3
Onde everde é a espessura do corpo verde e esinterizado é a espessura da amostra
sinterizada.
3.3 FABRICAÇÃO DO COMPÓSITO EPÓXI-JUTA
Para a fabricação da placa compósita foi utilizado como matriz o polímero,
termofixo, epóxi. A grande parte dos epóxis comerciais é baseada no composto de
bisfenol-A. O epóxi constitui um sistema de dois componentes que passa pelo
processo de cura apenas quando é misturado com um endurecedor (ASKELAND e
PHULÉ, 2008). Esse tipo de resina é inerentemente frágil e após sua cura torna-se
altamente reticulada e com baixa resistência ao crescimento de trincas (MAY, 1988).
Para a confecção das placas de compósito epóxi-juta foi utilizada a resina epóxi
comercial do tipo éter diglicidílico do bisfenol A (DGEBA), endurecida com trietileno
tetramina (TETA), fabricadas pela Dow Chemical do Brasil e fornecida pela
distribuidora RESINPOXY, utilizando-se a proporção estequiométrica de 13 partes
de endurecedor para 100 partes de resina. A mistura do epóxi com o endurecedor foi
feita ainda com a resina fria, de forma a retardar a sua cura durante o preparo da
placa.
A fabricação das placas do compósito epóxi-juta consiste na prensagem, em
uma matriz metálica, da resina epóxi com a fibra de juta, na composição de 70% em
volume de epóxi e 30% em volume de juta.
As placas do compósito utilizaram as fibras de juta em duas configurações
encontradas comercialmente, na forma de manta cardada (FIG. 3.8(a)) e em tecido
com trama simples (FIG. 3.8(b)), fornecida pela revendedora de tecidos LEALTEX. A
trama do tecido também foi apresentada anteriormente na FIG. 2.5.
65
(a)
(b)
FIG. 3.8 - Fibras de juta: (a) manta cardada; (b) tecido com trama simples (entremeado ortogonal e
alternado).
A matriz utilizada para a prensagem das placas do compósito está apresentada
na FIG. 3.9. As dimensões internas dessa matriz são de 12cm
x
15cm, como as
placas devem apresentar 1cm de espessura, o volume final para a placa
confeccionada é de 180cm³. Como o volume de fibras em cada placa é de 30% em
volume, então, o volume ocupado pelas fibras é de 54cm³. De acordo com a
literatura (BLEDZKI e GASSAN, 1999; MONTEIRO,2011), a densidade utilizada para
a fibra de juta foi de 1,3g/cm³, logo, a quantidade de massa de fibra utilizada foi em
torno de 70,2g. Para a resina epóxi a densidade utilizada foi de 1,11g/cm³ (SILVA,
2014) e, portanto, a quantidade em massa foi de 139,86g.
FIG. 3.9 - Matriz metálica utilizada na confecção das placas de compósito epóxi-fibra.
66
Para a preparação das placas foi necessário, primeiramente, cortar as fibras nas
dimensões da matriz, gerando várias camadas de fibras (FIG. 3.10).
(a)
(b)
FIG. 3.10 - Camada de fibra de juta: (a) manta; (b) tecido.
A FIG. 3.11 mostra as etapas do preparo da placa do compósito. É importante
ressaltar que a matriz metálica foi envolvida com filme PVC e foi aplicada uma
camada de graxa de silicone em toda a sua superfície de forma a evitar que a placa
grudasse na matriz e facilitasse sua retirada.
Após o acondicionamento dos componentes no interior da matriz, o conjunto foi
prensado, utilizando a prensa SKAY de 15 ton., o qual foi deixado sob pressão para
curar à temperatura ambiente por um período de 24 horas.
Em seguida, foi feita a extração da placa da matriz e obtiveram-se as placas
conforme apresentada nas FIG. 3.11(g) e FIG. 3.11(h).
67
Graxa
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
Juta
Epóxi
FIG. 3.11 - Preparação da placa de compósito epóxi-juta: (a) aplicação da camada de graxa de
silicone; (b) matriz envolvida com filme PVC; (c) disposição juta e epóxi dentro da matriz; (d) arranjo
das fibras dentro da matriz (ex: manta); (e) matriz preenchida com metade das fibras; (f) prensagem
da matriz na prensa SKAY de 15ton; (g) placa final do compósito epóxi reforçado com tecido de juta;
e (h) placa final do compósito epóxi reforçado com manta de juta.
68
Esse procedimento foi repetido até que fossem obtidas um total 22 (vinte) placas
compósitas com espessura próxima a 10mm, sendo 11 (onze) preparadas com
manta de juta (FIG. 3.11(h)) e 11 (onze) com tecido de juta (FIG. 3.11 (g)).
3.4 MONTAGEM DA BLINDAGEM MULTICAMADA
Na montagem da blindagem multicamada, além do corpo cerâmico e da placa
compósita foi utilizada uma placa quadrada da liga de alumínio 6061, fornecida pela
empresa METINOX, com espessura de 5mm (FIG. 3.12). As especificações estão
apresentadas na TAB. 3.3, conforme os resultados encontrados por Chagas (2014).
FIG. 3.12 – Placa de Alumínio
TAB. 3.3 - Especificações do alumínio.
Material
Alumínio
T 6061
Densidade
2,7 g/cm
3
Módulo de
Módulo de
Dureza
Elasticidade
Cisalhamento
Vickers
68 GPa
25 GPa
15
Fonte: CHAGAS, 2014.
A preparação da blindagem foi feita com a união do corpo cerâmico, da placa
compósita e da placa de alumínio, nesta sequência, por uma fina camada de cola,
cura rápida, da marca ULTRAFLEX (FIG. 3.13), que não interfere nos testes. A FIG.
3.14 ilustra a blindagem final obtida.
69
FIG. 3.13 – Cola Cura Rápida, Marca ULTRAFLEX.
FIG. 3.14 - Blindagem multicamada.
3.5 ENSAIOS BALÍSTICOS
Os ensaios balísticos verificam a capacidade de absorção de energia cinética de
um corpo em movimento. No presente trabalho foi feita a avaliação do
comportamento balístico tanto da blindagem multicamada quanto da placa
compósita isolada (sem apoiar na plastilina), a fim de avaliar a energia cinética
absorvida apenas pelo compósito epóxi-juta, através da sua velocidade residual; e
também avaliar o nível da proteção balística alcançada, através da análise da
profundidade da deformação provocada na plastilina pelo disparo.
A plastilina é o material comumente utilizado para simular a consistência média
similar à do corpo humano possibilitando avaliar a proteção individual em ensaios
balísticos. Esse material atende a norma NIJ 0101.04 e é utilizado pelo CAEx em
ensaios.
70
A massa para modelar CORFIX® (plastilina), disponível comercialmente, possui
densidade aproximada de 1,7g/cm³, e está apresentada na FIG. 3.15.
FIG. 3.15 - Armação do suporte de tiro totalmente preenchido com a plastilina, pronto para o ensaio.
Para garantir que a densidade da plastilina esteja de acordo com a especificada
pela norma NIJ 0101.04, a plastilina foi deixada em uma câmara quente, WEISS
(FIG. 3.16(a)), por 2h aproximadamente. Após esse tempo, a plastilina foi retirada e
sua densidade foi verificada seguindo o procedimento especificado na seção 5.7.5
da norma NIJ 0101.04, medindo-se a profundidade da indentação provocada por
uma esfera de aço. A FIG. 3.16(b) mostra o aparato utilizado para essa etapa de
verificação.
Para a realização dos testes balísticos foram utilizadas as seguintes condições:
i)
Munição:
calibre
7,62mm
M1
(FIG.
3.17),
conforme
é
fornecida
comercialmente ao Exército; com projétil de massa de 9,7 gramas;
ii) Dispositivo: provete calibre 7,62 (FIG. 3.18) e um dispositivo de fixação do
alvo.
iii) Distância do alvo: 15 metros, conforme previsto na norma ABNT NBR 15000
para as munições 7,62 mm;
iv) Ângulo de incidência no alvo: 90°;
v) Quantidade de tiros para cada situação específica: 10 (dez) disparos;
vi) Local: Centro de Avaliações do Exército (CAEx).
71
Esfera de aço
Plastilina
(a)
(b)
FIG. 3.16 - Equipamentos para ajuste e verificação da densidade da plastilina: (a) Câmara quente,
WEISS; e (b) Aparato utilizado para verificação da densidade.
FIG. 3.17 - Munição 7,62mm.
(a)
(b)
FIG. 3.18 - (a) Provete calibre 7,62 mm com mira laser; e (b) Esquema do sistema utilizado com
barreira óptica modelo B471 da HPI (SILVA, 2014).
72
Os ensaios balísticos foram divididos em cinco grupos, sendo o primeiro grupo
composto pela placa do compósito de epóxi reforçado com manta de juta, sem a
plastilina como material de apoio. O segundo grupo, também foi composto apenas
pela placa do compósito epóxi-juta, porém, com a juta na configuração de tecido.
Esse mesmo ensaio foi realizado também para o terceiro grupo, nas placas de
alumínio. Esses três primeiros grupos tiveram por finalidade avaliar a energia
cinética de absorção das placas isoladas em relação ao projétil 7,62mm através de
sua velocidade residual (FIG. 3.19 (a)). Para o teste desses três grupos foi montado
um aparato experimental que empregou o sistema de radar Doppler, modelo SL520P, do fabricante Weibel (Fixed-Head Doppler Radar Systems), como mostrado
na FIG. 3.19(b) e os disparos foram efetuados por um provete de velocidade
produzido pela HPI (High Pressure Instrumentation). O quarto grupo foi formado pela
blindagem multicamada com o compósito epóxi reforçado com manta de juta. E o
quinto grupo constituído pela blindagem multicamada com o compósito epóxi
reforçado com tecido de juta. Esses dois últimos grupos tiveram o conjunto da
blindagem fixado na plastilina (Fig. 3.20).
Para a avaliação do desempenho balística dos dois últimos grupos de ensaio foi
adotado o critério segundo a norma NIJ 0101.04 que considera uma proteção
balística eficiente se a medida da maior profundidade da deformação na massa de
plastilina, após o impacto, for igual ou inferior a 44 mm. Para a medição da
indentação na plastilina foi utilizado o paquímetro de profundidade Absolute, série
571, da MITUTOYO.
(a)
(b)
FIG. 3.19 - (a) Ensaio de velocidade residual da placa do compósito epóxi-juta; (b) Radar Doppler,
modelo SL-520P, fabricante WEIBEL.
73
(a)
(b)
FIG. 3.20 – Sistema de blindagem multicamada fixado na plastilina. (a) Camada intermediária do
compósito epóxi-tecido de juta; e (b) Camada intermediária do compósito epóxi-manta de juta.
Através do ensaio de velocidade residual, também foi possível estimar o limite
balístico, ou seja, a velocidade crítica (VL) que o material suporta. Como não é
possível determinar a V50 para projéteis de alta velocidade, como o de calibre
7,62mm, utilizado no presente trabalho, a estimativa dessa velocidade crítica foi feita
através da aplicação da energia absorvida pelo material na EQ. 2.10, conforme
descrito anteriormente.
Para todos os dados coletados, com o propósito de realizar uma investigação
prévia sobre a probabilidade estatística, foi utilizada a análise de distribuição de
Weibull para correlacionar o desempenho balístico, através da profundidade da
indentação na plastilina, e também a energia absorvida, com o tipo de compósito
usado como camada intermediária no sistema de blindagem multicamada.
Essa análise estatística se baseia na função de distribuição cumulativa de
Weibull, dada pela EQ. 3.4:
Y [
U (V) = 1 − <VW X− E N \
Z
EQ. 3.4
onde θ e β são parâmetros estatísticos, conhecidos por unidade característica e
módulo de Weibull, respectivamente.
Rearranjando a EQ. 3.4 obtém-se a EQ. 3.5.
ln ln E
T_(Y)
N = ` ∙ ln V − (` ∙ ln a )
74
EQ.3.5
Comparando a EQ. 3.5 com a equação da reta b = B ∙ V + c tem-se que “y” é
dado por ln ln E
N, “x” é igual a ln V, “B” é equivalente a β (módulo de Weibull),
T_(Y)
ou seja, é igual ao coeficiente angular da reta e “b” dado por −` ln a . Para se
apresentar graficamente estes valores, deve-se ordená-los em ordem crescente
(LIPSON e SHETH, 1973).
Além dessas análises, com o objetivo de comparar com resultados obtidos em
trabalhos similares realizados anteriormente, foram avaliadas as interações das
ondas de choque nas interfaces dos componentes das blindagens multicamadas
através do método de casamento de impedâncias, levando em consideração as
premissas e as equações de conservação já descritas.
3.6 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
Como as cerâmicas e as placas compósitas foram danificadas após os tiros, as
superfícies faturadas foram analisadas utilizando-se o MEV, modelo Quanta FEG
250, da FEI (FIG. 3.21), com diferentes aumentos. Através das imagens obtidas
buscou-se associar o comportamento balístico com a microestrutura e a influência
das diferentes configurações das fibras nas placas compósitas. Para isso, foram
capturadas imagens da região danificada após o impacto tanto do corpo cerâmico,
quanto da placa compósita. Além disso, foram feitas imagens da aramida após o
impacto e da fibra de juta na forma de manta cardada e tecido, como recebido. Para
análise em MEV foi necessário fazer deposição de platina. Essa deposição foi
realizada pelo equipamento de deposição de filme de alto vácuo da marca LEICA,
modelo EM ACE600, como mostra a FIG 3.22.
75
FIG. 3.21 – Microscópio eletrônico de varredura, modelo Quanta FEG 250, da FEI.
FIG. 3.22 – Sistema de deposição de filme de alto vácuo da marca LEICA, modelo EM ACE600.
76
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 DENSIFICAÇÃO E RETRAÇÃO LINEAR DOS CORPOS CERÂMICOS
A fim de verificar se o processamento realizado para produção dos corpos
cerâmicos foi adequado foram avaliadas a densificação e a retração linear e
comparadas com os valores obtidos em trabalhos anteriores (GOMES, 2004;
TRINDADE, 2012; SILVA, 2014; CHAGAS, 2014).
A TAB. 4.1 apresenta os valores obtidos, de densificação e retração linear, para
os corpos cerâmicos utilizados nos sistemas produzidos de blindagem multicamada,
assim como as respectivas espessuras e densidades dos corpos cerâmicos
sinterizados.
TAB. 4.1 – Valores de espessura do sinterizado, densidade, densificação e retração linear.
Blindagem
Multicamada
Espessura
(mm)
Densidade do
3
sinterizado (g/cm )
Retração
(%)
Densificação
(%)
1
10,65
3,467
11,25
86,567
2
10,45
3,523
12,92
87,972
3
10,50
3,514
12,50
87,750
4
10,50
3,535
12,50
88,257
5
10,50
3,504
12,50
87,482
6
10,70
3,448
10,83
86,095
7
10,30
3,557
14,17
88,816
8
10,40
3,547
13,33
88,566
9
10,30
3,558
14,17
88,834
10
10,35
3,560
13,75
88,895
11
10,60
3,503
11,67
87,468
12
10,60
3,503
11,67
87,459
13
10,65
3,461
11,25
86,430
77
Blindagem
Multicamada
Espessura
(mm)
Densidade do
3
sinterizado (g/cm )
Retração
(%)
Densificação
(%)
14
10,40
3,549
13,33
88,621
15
10,70
3,451
10,83
86,181
16
10,40
3,544
13,33
88,485
17
10,35
3,553
13,75
88,713
18
10,75
3,431
10,42
85,665
19
10,45
3,533
12,92
88,215
20
10,40
3,536
13,33
88,296
21
10,00
3,702
16,67
92,447
22
10,40
3,437
13,33
85,814
23
10,45
3,464
12,92
86,490
24
10,65
3,463
11,25
86,470
25
10,60
3,478
11,67
86,833
26
10,60
3,481
11,67
86,913
27
10,55
3,482
12,08
86,934
Média
10,49 ± 0,16
3,51 ± 0,06
12,59 ± 1,35
87,65 ± 1,40
De acordo com os dados que constam na TAB. 4.1 pode-se afirmar que o
processamento realizado foi adequado, apresentando uma densificação média de
87,65% e densidade média do sinterizado de 3,51 g/cm3, valores esses bastante
próximos dos valores de 88,1% e 3,53 g/cm3, obtidos em trabalhos anteriores
(GOMES, 2004; TRINDADE, 2012; SILVA, 2014; CHAGAS, 2014), e a retração
linear média foi de 12,59%. Além disso, a espessura média obtida foi de 10,49mm,
conforme o esperado.
78
4.2 DESEMPENHO BALÍSTICO DA BLINDAGEM MULTICAMADA
As imagens das FIG. 4.1, FIG. 4.2 e FIG 4.3 mostram as blindagens balísticas
multicamada antes e após o ensaio balístico para os três diferentes tipos de camada
intermediária utilizados: tecido de aramida (FIG. 4.1), compósito de epóxi reforçado
com tecido de juta (FIG. 4.2) e compósito de epóxi reforçado com manta de juta
(FIG. 4.3).
FIG. 4.1 - Blindagem multicamada com tecido de aramida, como camada intermediária, antes e após
ensaio balístico.
Delaminação
FIG. 4.2 - Blindagem multicamada com compósito de epóxi reforçado com tecido de juta, como
camada intermediária, antes e após ensaio balístico.
79
Delaminação
FIG. 4.3 - Blindagem multicamada com compósito de epóxi reforçado com manta de juta, como
camada intermediária, antes e após ensaio balístico.
Fazendo uma análise visual das imagens apresentadas pode-se
se presumir que o
sistema de blindagem com camada
c
intermediária de compósito de epóxi reforçado
com manta de juta (FIG. 4.3) apresenta maior dissipação de energia, pois esse
sistema apresentou maior número de regiões de delaminação além de maior
quantidade de fragmentos cerâmicos capturados. Porém, como existem outros
mecanismos de dissipação de energia, tais como, a deformação elástica do
compósito,, o cisalhamento das camadas e a tensão à fratura das fibras (MORYE et
al, 2000),, que agem em conjunto e podem influenciar no resultado do desempenho
balístico, não se pode afirmar apenas com uma análise visual que esse tipo de
sistema de blindagem é mais eficiente. Para isso, foi avaliado
avaliado o desempenho
balístico através da
a profundidade do trauma provocado após o impacto para cada
tipo de sistema de blindagem.
blindage
Em todos
odos os testes balísticos realizados na plastilina não houve a perfuração do
alvo, consequentemente, o projétil foi parado e a sua energia cinética dissipada no
interior da blindagem multicamada em associação com a indentação causada na
plastilina. Os três materiais testados como camada intermediária no
n sistema de
blindagem multicamada exibiram uma profundidade de indentação abaixo do limite
de 44mm estabelecido pela norma NIJ 0101.04 (2000). A TAB. 4.2 apresenta os
valores médios obtidos para a profundidade
profundidade da indentação, medida na plastilina
(FIG. 4.4), para os diferentes tipos de sistema de blindagem multicamada
80
investigados, assim como, as condições de teste como, a velocidade de cada
projétil, a energia de impacto, o tipo de camada intermediária e a espessura dessa
camada.
FIG. 4.4 - Medição da indentação causada na plastilina pelo impacto do projétil.
TAB. 4.2 - Profundidade da indentação na plastilina para as diferentes blindagens multicamada e
condições de ensaio.
Camada
Espessura
Indentação
Blindagem
(mm)
Multicamada Intermediária compósito (mm)
Velocidade de
impacto (m/s)
Energia de
impacto (kJ)
1
TECIDO
14,00
16,26
824,64
3,298
2
TECIDO
10,00
17,69
836,48
3,393
3
TECIDO
14,00
18,02
831,14
3,350
4
TECIDO
10,59
18,78
809,07
3,175
5
TECIDO
11,00
19,55
826,58
3,314
6
TECIDO
10,08
20,35
825,76
3,307
7
TECIDO
11,25
23,15
850,47
3,508
8
TECIDO
10,00
23,55
834,00
3,373
9
TECIDO
12,25
24,19
854,76
3,544
10
TECIDO
11,00
25,13
845,21
3,465
81
Blindagem
Camada
Espessura
Indentação
Multicamada Intermediária compósito (mm)
(mm)
Velocidade de
impacto (m/s)
Energia de
impacto (kJ)
11
MANTA
17,00
12,69
815,22
3,223
12
MANTA
20,00
13,76
843,02
3,447
13
MANTA
25,00
14,07
831,06
3,350
14
MANTA
12,00
15,07
832,54
3,362
15
MANTA
20,00
17,25
829,91
3,340
16
MANTA
11,00
17,63
829,53
3,337
17
MANTA
9,50
18,02
825,98
3,309
18
MANTA
13,00
18,43
815,74
3,227
19
MANTA
11,50
20,41
829,77
3,339
20
MANTA
11,00
27,81
814,90
3,221
21
ARAMIDA
10,00
17,56
840,45
3,426
22
ARAMIDA
10,00
21,07
814,01
3,214
23
ARAMIDA
10,00
21,79
842,78
3,445
24
ARAMIDA
10,00
23,16
849,90
3,503
25
ARAMIDA
10,00
24,98
831,69
3,355
26
ARAMIDA
10,00
25,04
842,07
3,439
27
ARAMIDA
10,00
25,11
829,15
3,334
Com base na TAB. 4.2 nota-se que apesar da variação da espessura da camada
compósita não houve uma tendência definida de aumento ou redução na
profundidade da indentação com a variação da espessura, como evidenciado
comparando as blindagens 13, 14, 15, 16 e 20, em que se têm profundidades de
indentações bastante próximas quando comparamos espessuras bem diferentes,
como por exemplo, a blindagem com 25 mm de espessura que apresentou uma
profundidade média de indentação de 14,07 mm e a blindagem de 12 mm espessura
que apresentou uma diferença de apenas 1 mm na indentação em relação a essa
outra blindagem com maior espessura. Portanto, as variações apresentadas na
espessura das placas compósitas não foram significativas no desempenho balístico.
É importante ressaltar que, apesar da ocorrência dessa variação na espessura das
82
placas compósitas, a porcentagem em volume de fibra, em relação à resina epóxi no
compósito, manteve-se na média de 30%v. Essa variação de espessura ocorreu
devido ao aprisionamento de ar na placa compósita durante a sua confecção e foi
mais acentuado na preparação do compósito reforçado com manta de juta, isso
devido à capacidade de absorção das fibras de juta, que sugam a resina no
momento da aplicação, assim como, do emaranhado da manta cardada, que dificulta
a impregnação das camadas posteriores da manta durante a prensagem, resultando
em placas compósitas “porosas”.
A TAB. 4.3 apresenta a média aritmética dos valores obtidos no ensaio balístico.
Como pode ser observado nessa tabela, as placas compósitas com manta de juta
apresentaram uma espessura média maior que as demais placas, devido a sua
dificuldade de preparo, e também menor indentação média (17,51mm), ou seja,
melhor desempenho balístico que as demais placas compósitas, o que pode ser
confirmado através do gráfico de Weibull da FIG. 4.5, no qual nota-se a presença de
dois grupos distintos, de inclinação diferente da reta de ajuste, dentre as blindagens
multicamada com camada intermediária de compósito de epóxi reforçado com manta
de juta. Ainda, de acordo com a TAB. 4.3, nota-se que dentre os três tipos testados
de camada intermediária, a aramida foi a que apresentou menor desempenho
balístico, com uma maior profundidade de indentação média de 22,67mm, isto é,
uma profundidade 29,5% maior que a indentação média da blindagem com
compósito de manta de juta e 9,7% maior que a blindagem com compósito de tecido
de juta. Uma possível justificativa para esse comportamento pode ser atribuída a
menor densidade do compósito comparado ao tecido de aramida (TAB. 4.3), que em
princípio, quanto menor a densidade maior deve ser a redução da energia de
impacto, pois uma menor impedância de choque da camada intermediária
transmitirá uma menor energia do pulso de compressão. Além disso, a matriz frágil
de epóxi participa na dissipação da energia através da nucleação e propagação de
trincas.
83
TAB. 4.3 – Valores médios obtidos no ensaio balístico.
Camada
Espessura
intermediária média (mm)
ρ média
3
(g/cm )
Indentação
Velocidade de
média (mm) impacto média (m/s)
Energia de impacto
média (kJ)
TECIDO
11,42
1,165
20,67
833,81
3,373
MANTA
15,00
1,164
17,51
826,77
3,316
ARAMIDA
10,00
1,400
22,67
835,72
3,388
FIG. 4.5 – Gráfico de distribuição de Weibull das indentações para as placas compósitas de epóxi
reforçado com manta de juta.
Para melhor visualização foi aplicado método estatístico de Weibull nos dois
grupos de pontos apresentados na FIG. 4.5, separadamente. A FIG. 4.6 e a FIG. 4.7
apresentam os gráficos obtidos para o Grupo 1 e Grupo 2, respectivamente.
Os parâmetros de Weibull obtidos dos gráficos da FIG. 4.5, FIG. 4.6 e FIG.
4.7 estão apresentados na TAB. 4.4. Nesta tabela, especificamente para o presente
trabalho, o parâmetro θ representa a profundidade da indentação mais
84
característica, que é diferente da simples média aritmética. O parâmetro de ajuste R2
indica o grau de precisão da análise estatística. É importante destacar que o método
estatístico de Weibull impõe limitações sobre os valores paramétricos, por exemplo,
o valor do módulo de Weibull, β, deve variar entre 0,5 e 15. Quanto maior o valor de
β, maior confiabilidade dos resultados.
FIG. 4.6 – Gráfico de distribuição de Weibull do Grupo 1 das placas compósitas de epóxi reforçado
com manta de juta.
85
FIG. 4.7 – Gráfico de distribuição de Weibull do Grupo 2 das placas compósitas de epóxi reforçado
com manta de juta.
Referente a isso, os valores de módulo de Weibull na TAB. 4.4 indicam uma
confiabilidade relativamente alta para todos os grupos de pontos, porém, como foi
possível visualizar um comportamento bimodal apresentado na FIG. 4.5, foram
separados esses dois grupos de pontos que apresentaram, individualmente, um
módulo de Weibull mais elevado e, consequentemente, maior confiabilidade dos
resultados.
Além disso, todos os grupos exibiram excelentes ajustes, com R2
próximos de 1. Dentre esses grupos, o Grupo 1 apresentou maior valor de β, de
14,05, melhor ajuste, com R2 igual à 0,9756, e menor desvio estatístico, de 1,204,
isto é, um desvio de 8,7% do valor médio. Uma possível explicação para essa
mudança de desempenho balístico é que o Grupo 1, de forma geral, engloba as
placas compósitas mais porosas e o ar aprisionado dentro dessas placas agem
como uma barreira adicional ou atenuador de tensão, o que auxilia na absorção da
energia de impacto gerada pelo projétil. A TAB. 4.5 mostra o volume estimado
desses vazios associado à profundidade da indentação.
86
TAB. 4.4 - Parâmetros de Weibull obtidos dos resultados balísticos das blindagens multicamadas com
placa compósita reforçada com manta de juta.
Camada
intermediária
MANTA
Pontos
Módulo de
Weibull (β)
Unidade
característica (θ)
Coeficiente de
correlação (R²)
Média
(mm)
Desvio
Padrão
Todos
6,730
17,49
0,9454
16,33
2,845
Grupo 1
14,050
14,35
0,9756
13,83
1,204
Grupo 2
10,380
18,61
0,9357
17,73
2,060
A partir da TAB. 4.5 observa-se que, de forma geral, as placas compósitas de
manta de juta com maior volume de vazios exibiram menores valores de
profundidade do trauma, isto é, melhor desempenho balístico. Porém, não se pode
afirmar, no presente trabalho, a presença de uma tendência bem definida,
proporcionalmente direta ou indireta, da profundidade da indentação associada com
o volume de vazios. Para isso, seria necessário um estudo mais detalhado da
influência do volume de vazios no desempenho balístico. Ainda, na TAB. 4.5 podese observar que o volume de vazios das placas de tecido de juta foi bem menor em
relação às placas de manta de juta, apresentando também maiores profundidades
de indentação, no geral.
TAB. 4.5 - Volume estimado de vazios nas placas compósitas de epóxi- juta.
Blindagem
multicamada
Camada
Intermediária
Indentação
(mm)
Vazios
(%v)
1
TECIDO
16,26
0,1
2
TECIDO
17,69
0,2
3
TECIDO
18,02
2,7
4
TECIDO
18,78
1,8
5
TECIDO
19,55
5,6
Pontos
Todos
6
TECIDO
20,35
0,1
7
TECIDO
23,15
4,9
8
TECIDO
23,55
3,0
9
TECIDO
24,19
13,5
10
TECIDO
25,13
2,7
87
Blindagem
multicamada
Camada
Intermediária
11
MANTA
12
MANTA
Pontos
Indentação
(mm)
Vazios
(%v)
12,69
34,7
13,76
48,2
Grupo 1
13
MANTA
14,07
55,6
14
MANTA
15,07
20,8
15
MANTA
17,25
36,5
16
MANTA
17,63
4,3
17
MANTA
18,02
0,8
18
MANTA
18,43
7,4
19
MANTA
20,41
11,3
20
MANTA
27,81
0,3
Grupo 2
Os gráficos da FIG. 4.8 e FIG. 4.9 apontam um comportamento unimodal, ou
seja, com apenas uma linha reta para todos os pontos de indentação, o que indica
que tanto as blindagens com tecido de juta quanto blindagens com tecido de
aramida pertencem a um grupo com o mesmo desempenho balístico.
88
FIG. 4.8 – Gráfico de Weibull das indentações para as placas compósitas com tecido de juta.
FIG. 4.9 – Gráfico de Weibull das indentações das blindagens com tecido de aramida.
89
Portanto, os resultados obtidos no presente trabalho indicam que os compósitos
de epóxi reforçado com juta, como camada intermediária no sistema de blindagem,
tiveram melhor desempenho balístico em relação à blindagem com tecido de
aramida. Além disso, como vantagens adicionais, os compósitos de epóxi-juta são
mais leves e mais baratos que o tecido de aramida. A TAB. 4.6 apresenta o custo de
cada componente das blindagens, assim como, os parâmetros utilizados para esse
cálculo. Os valores utilizados para o cálculo de custo da TAB. 4.6 foram obtidos
através dos fornecedores ou da literatura (SATYANARAYANA et al, 2007;
CALLISTER e RETHWISH, 2010, SILVA, 2014). Outra observação que deve ser
feita é que apesar da cerâmica utilizada ser hexagonal de dimensões menores que
as demais placas, para fins de cálculo foi considerado o mesmo volume de 225cm3,
que corresponde a situação real.
A TAB.4.7 apresenta o comparativo dos custos totais e do peso entre a
blindagem multicamada utilizando tecido de aramida e a blindagem com compósito
epóxi-juta. Nota-se que a blindagem com compósito epóxi-juta representa mais de
3% de redução no peso total da blindagem, além de apresentar quase 39% de
redução no custo total.
TAB. 4.6 – Relação de custo dos componentes utilizados na blindagem.
Componente da
Volume
3
Densidade
3
Peso
Preço por kg
Custo do
blindagem
(cm )
(g/cm )
(kgf)
(US$)
componente (US$)
Cerâmica (Al2O3)
225
3,70
0,833
33,00
27,49
Tecido de aramida
225
1,40
0,315
63,60
20,03
1,11
0,175
2,80
1,30
0,088
0,30
2,70
0,304
8,50
Compósito
Epóxi
225
Juta
Alumínio 6061
112,5
0,52
2,58
TAB. 4.7 – Comparativo de custo e peso total das blindagens multicamada.
Camada
Peso total
Redução de
intermediária
(kgf)
peso (%)
Aramida
1,452
Custo total (US$)
custo (%)
50,10
3,58
Compósito epóxi-juta
Redução de
1,400
38,94
30,59
90
4.3 DESEMPENHO INDIVIDUAL DAS CAMADAS DO SISTEMA DE BLINDAGEM
Para avaliar o comportamento balístico individual de cada camada intermediária
utilizada nos sistemas de blindagem, foram realizados testes separadamente das
camadas de tecido de aramida, das placas compósitas de epóxi com tecido de juta e
epóxi com manta de juta e da placa de alumínio. Para fins comparativos, nessa
avaliação também utilizou os resultados da cerâmica, da aramida e do compósito de
curauá obtidos por Silva (2014). Nesses testes, ao contrário dos testes realizados na
plastilina, todas as amostras ensaiadas foram perfuradas. Dessa forma, além da
velocidade de impacto, a velocidade residual do projétil após a perfuração pôde
também ser medida pelo sistema de radar Doppler, e através dessas velocidades
pôde-se calcular a energia absorvida individualmente para cada tipo de camada
intermediária aplicando a EQ. 2.9 e, assim, obter a velocidade limite a partir da EQ.
2.10.
A Figura 4.10 ilustra os pontos experimentais obtidos a partir do espectro de
radar de um alvo de alumínio e a curva polinomial contínua ajustada. Nessa figura,
deve-se notar que em aproximadamente 840m/s ocorre uma queda abrupta de
velocidade que indica o momento de impacto. Essa velocidade é definida como
velocidade de impacto (Vi) e a velocidade mínima atingida nessa queda é a
velocidade residual (Vr). Gráficos semelhantes foram obtidos para o compósito com
tecido de juta e o compósito com manta de juta. Com base nos dados extraídos
desses gráficos pôde-se determinar a velocidade limite (VL) para cada componente
da blindagem multicamada.
91
FIG. 4.10 – Gráfico de pontos experimentais do ensaio de velocidade residual do alumínio.
A análise de Weibull também foi aplicada nos resultados do teste de velocidade
residual e os gráficos estão apresentados nas FIG. 4.11, FIG. 4.12 e FIG. 4.13, para
o compósito de tecido de juta, compósito com manta de juta e para a chapa de
alumínio, respectivamente. Para essa situação a unidade característica resultante da
estatística de Weibull representa a velocidade limite (VL) para cada componente
testado. Os valores mais característicos obtidos de VL foram de 178,3m/s para o
compósito com tecido de juta, 208,9m/s para a manta e 230,1m/s para o alumínio.
Com exceção do compósito de tecido que apresentou um valor razoável de R2, igual
a 0,86, os demais componentes testados, compósito de manta e chapa de alumínio,
exibiram um ajuste de 0,92 e 0,97, respectivamente. Esse resultado indica que os
resultados obtidos para o compósito de manta de juta são mais homogêneos se
comparado com o compósito de tecido de juta. Ainda, nota-se que o alumínio
apresentou maior velocidade limite, o que indica uma maior absorção de energia,
que pode ser explicada pela capacidade de deformação plástica desse material até
a ruptura. Já nas placas compósitas, o mecanismo de absorção pode ser atribuído à
92
fragmentação frágil da matriz em conjunto com o os mecanismos atuantes da fibra e
a presença de vazios.
FIG. 4.11 – Gráfico de Weibull da velocidade limite (VL) para o compósito de tecido de juta.
FIG. 4.12 – Gráfico de Weibull da velocidade limite (VL) para o compósito de manta de juta.
93
FIG. 4.13 – Gráfico de Weibull da velocidade limite (VL) para a chapa de alumínio.
ih ) e
A TAB. 4.8 apresenta os valores das velocidades médias de impacto (
i0 ) obtidos no teste de velocidade residual, assim como, a energia
residual (
absorvida (Eabs) e a velocidade limite (VL) para cada componente do sistema de
blindagem calculadas através da EQ. 2.10.
Com base na TAB. 4.8 nota-se que, dentre todos os componentes da blindagem
multicamada, a cerâmica apresentou maior absorção da energia de impacto, em
torno de 55%, e o tecido de aramida a menor absorção, 1,7% (SILVA, 2014), ou
seja, o tecido de aramida não é uma barreira tão eficaz para a munição 7,62mm em
comparação com os demais compósitos utilizados como camada intermediária no
sistema de blindagem, isso porque, esses compósitos possuem uma matriz frágil
capaz de dissipar mais energia através da fragmentação. Além disso, o compósito
de epóxi reforçado com fibras de juta apresentou maior absorção de energia que o
compósito de epóxi reforçado com fibras de curauá obtido por Silva (2014),
chegando até quase 6% de energia absorvida, sendo que dentre os compósitos de
juta, o reforçado com manta de juta apresentou uma porcentagem maior de
absorção. Embora a diferença entre essas porcentagens seja pequena, essa
diferença pode ser atribuída ao volume de vazios dentro da placa compósita, sendo
maior no compósito com manta de juta. Com base nesses resultados era esperado
94
que as profundidades de indentação para os compósitos de epóxi-juta, de 17,51mm
e 20,67mm fossem menores que a indentação obtida por Silva (2014) para o
compósito de curauá, de 16,42mm, já que os compósitos de epóxi-juta
apresentaram maiores valores de energia absorvida. Uma possível justificativa para
a menor indentação encontrada para o compósito de curauá pode ser atribuída às
propriedades mecânicas desse compósito, como maior resistência à tração e maior
módulo de elasticidade, encontradas na literatura (SATYANARAYANA et al, 2007;
MONTEIRO et al, 2011).
TAB. 4.8 – Valores das velocidades médias de impacto e residual, energia absorvida e velocidade
limite para cada componente do sistema de blindagem multicamada.
Componente da
blindagem
ih (m/s)
i0 (m/s)
Eabs (J)
% Eabs
VL
Referência
Tecido de juta
841,45 ± 6,50
822,81 ± 6,41
150,50
4,4
176,16
*PT
Manta de juta
843,80 ± 4,78
819,18 ± 7,19
198,54
5,7
202,33
*PT
Alumínio 6061
842,30 ± 5,75
811,36 ± 6,48
248,10
7,2
226,18
*PT
Cerâmica
847,52 ± 5,51
566,67 ± 4,32
1920,41
55,1
629,25
SILVA, 2014
Curauá 30%
848,30 ± 6,36
835,29 ± 6,17
106,16
3,0
147,95
SILVA, 2014
Tecido de aramida
848,13 ± 3,44
840,99 ± 6,99
58,48
1,7
109,81
SILVA, 2014
*PT: Presente Trabalho
4.4 INTERAÇÃO DAS ONDAS DE CHOQUE NAS BLINDAGENS MULTICAMADA
Com a finalidade de comparar com resultados já obtidos em trabalhos anteriores
foram realizados os cálculos de impedância de choque, assim como, das
velocidades de partícula e pressões de interface para os conjuntos de blindagem
multicamada utilizados no presente trabalho. Para esses cálculos aplicaram-se o
método de casamento de impedâncias e as equações de conservação descritas
anteriormente (EQ.2.4, EQ.2.5 e EQ.2.6).
95
A TAB. 4.9 apresenta os parâmetros característicos dos materiais utilizados
nesses cálculos. Para a alumina foi utilizada a velocidade da onda elástica como
velocidade onda de choque, anteriormente adotada por Silva (2014). Como não foi
possível obter na literatura os parâmetros específicos para o compósito epóxi-juta, a
velocidade da onda de choque (Us) foi substituída pela velocidade de onda elástica,
expressa pela EQ 2.1.
O módulo de elasticidade do compósito epóxi-juta foi estimado a partir da regra
das misturas, dada pela EQ. 4.1.
&j = &6 ∙ 6 + &k ∙ k
EQ. 4.1
Onde Ecp é módulo de elasticidade do compósito, Em e Ef são os módulos de
elasticidade da matriz e da fibra, respectivamente, e V representa as suas frações
de volume.
Para esse cálculo foram utilizados os limites mínimo e máximo do
módulo de elasticidade da fibra de juta retirados da literatura (TAB.2.3). Os valores
calculados, mínimo e máximo, do módulo de elasticidade do compósito assim como
da velocidade da onda elástica para o compósito epóxi-juta constam na TAB. 4.10.
TAB. 4.9 - Valores da velocidade da onda de choque e dos parâmetros característicos de cada
material.
3
Material
ρ (kg/m )
C (m/s)
S
Us (m/s)
Referência
Chumbo
11300
2066
1,517
2066 + 1,517UP
MEYERS, 1994
Aramida
1440
1180
2,420
1180 + 2,420UP
MEYERS, 1994
Alumínio
2700
5328
1,338
5328 + 1,338UP
MEYERS, 1994
Alumina
3530
-
-
10375,39
SILVA, 2014
TAB. 4.10 - Valores do módulo de elasticidade e da onda elástica do compósito epóxi-juta.
Ejuta (GPa)
Mín.
Eepóxi (GPa)
13
Ecp (GPa)
C0 (m/s)
5,587
2188,03
9,787
2895,94
2,41
Máx.
27
96
A FIG. 4.14 Ilustra um esquema gráfico do casamento de impedâncias aplicado
na análise da interação das ondas de choque em cada interface da blindagem
multicamada. A resolução dos cálculos nas interfaces pode ser resumida em três
etapas: interface projétil (chumbo) e alvo (alumina); interface alumina e compósito; e
interface compósito e alumínio. Também foram consideradas as interfaces
alumina/aramida e aramida/alumínio para fins comparativos.
A velocidade de projétil adotada foi a mesma utilizada por Silva (2014), de
863,63 ± 9,46 m/s, para estabelecer uma base comparativa.
P (GPa)
35,00
Pb
Al2O3
Al2O3 (R)
Epóxi-juta
Epóxi-juta (R)
Al
30,00
25,00
20,00
P1 15,00
10,00
P3
P2
5,00
0,00
0
162
324
Up3
Up1
486
648
810
Up2
972
1134
1296
1458
Up (m/s)
Vp
FIG. 4.14 - Esquema gráfico do casamento de impedâncias na blindagem com compósito epóxi-juta
como camada intermediária.
A TAB. 4.11 apresenta os valores obtidos nos cálculos das velocidades de onda
de choque (Us), de partícula (Up), e da pressão (P) nas interfaces de cada
componente da blindagem multicamada. As interfaces envolvendo o compósito de
epóxi-juta apresentam valores de mínimo e máximo devido à velocidade de onda
desse compósito, que foi calculada considerando os valores limites da fibra de juta
que constam na literatura, conforme já apresentado na TAB.4.10.
Como já mencionado, uma onda de choque ao atingir a interface de um material
de menor impedância de choque, é refletida, retornando pelo caminho original, como
uma onda trativa que propaga as trincas nucleadas pela passagem da onda
compressiva. Na TAB. 4.12 constam as impedâncias sônicas de cada componente
97
da blindagem multicamada. Analisando essa tabela, observou-se que a aramida
exibiu maior impedância dentre os materiais utilizados como camada intermediária.
Esse maior valor justifica a menor redução de energia de impacto, verificada pela
maior profundidade média de indentação (22,67mm) obtida no ensaio balístico, pois,
em princípio, para uma maior impedância de choque da camada intermediária, maior
a energia do pulso de compressão transmitida.
TAB. 4.11 – Valores da velocidade de partícula, velocidade de onda de choque e pressão nas
interfaces de cada componente da blindagem multicamada e a natureza da onda de choque.
Up (m/s)
P (GPa)
Us(m/s)
Natureza da onda
de choque
398,14
14,58
10.375,39
Compressiva
Mín.
744,38
1,90
2.188,03
Trativa
Máx.
729,01
2,46
2.895,94
Trativa
Mín.
210,35
3,18
5.609,45
Compressiva
Máx.
263,27
4,04
5.680,25
Compressiva
2 Al2O3-Aramida
743,63
3,19
2.979,58
Trativa
3 Aramida-Al
386,24
6,10
5.844,79
Compressiva
Interface
1 Pb-Al2O3
2
Al2O3-(Epóxi/juta)
3 (Epóxi/juta)-Al
TAB. 4.12 – Natureza das ondas refletidas e impedância de choque nas interfaces da blindagem
multicamada.
Material
Densidade (kg/m )
Velocidade de
onda (m/s)
Impedância
2
(kg/(m .s))
Aramida
1440
9.537,94
13,73 x 10
Epóxi/Juta (mín.)
1167
2.188,03
2,55 x 10
Epóxi/Juta (máx.)
1167
2.895,94
3,38 x 10
Curauá 30%
1150
2.132,56
2,45 x 10
Bagaço da cana-de-açúcar
860
2.793,26
2,40 x 10
Chumbo
11300
2.066,00
23,35 x 10
Alumina
3530
10.375,39
36,62 x 10
Alumínio
2700
5.045,92
13,62 x 10
3
98
6
6
6
6
6
6
6
6
Esse comportamento também foi observado nos demais componentes utilizados
como camada intermediária. O compósito de epóxi-juta exibiu maior impedância que
o compósito de curauá (30%), o que explica a maior profundidade média de
indentação para o compósito tanto de manta de juta, com 17,51mm, quanto para o
compósito com tecido de juta, com 20,67mm, contra a indentação média de
16,42mm obtida para o compósito de epóxi reforçado com 30% de curauá (SILVA,
2014). Embora o compósito reforçado com bagaço da cana-de-açúcar apresente
menor impedância que todas as camadas intermediárias testadas, a profundidade
média de indentação obtida por Silva (2014) foi de 39,24mm, isto é, a maior
indentação. Esse valor elevado de indentação para a blindagem com compósito de
bagaço de cana-de-açúcar é justificado por Silva (2014) como consequência dos
baixos valores de resistência a tração e resistência ao impacto (ensaio de Izod)
encontrado na literatura.
4.5 ANÁLISE FRATOGRÁFICA
A caracterização morfológica da fratura nos materiais é muito importante na
definição das causas de sua falha. Essa análise serve para confirmar ou remover
suspeitas sobre os modos de falhas e geralmente é feita com auxílio do
equipamento de MEV. As imagens de MEV podem ser formadas por diversos
mecanismos de contraste, como o contraste topográfico e o contraste de número
atômico. No presente trabalho foi utilizado o contraste topográfico.
Dada à baixa condutividade elétrica dos materiais ensaiados, foi necessária a
deposição de platina ou mesmo carbono sobre as superfícies de fratura para a
realização das imagens no MEV.
A FIG. 4.15 apresenta uma micrografia por MEV da fibra da manta de juta
utilizada na fabricação do compósito. Nessa figura pode-se observar a presença de
fibrilas já rompidas.
O detalhe da trama do tecido de juta, também usado na confecção das placas
compósitas, está ilustrado na FIG. 4.16 obtida por MEV, com aumento de 60x. Com
base nessa figura, notam-se espaços formados entre as fibras do trançado da trama
99
do tecido de juta que podem ter favorecido a impregnação do tecido pela resina
epóxi durante o processamento do compósito. É possível visualizar também a
existência de fibrilas já rompidas.
Para comparativo, a FIG. 4.17(a) exibe a trama do tecido de aramida utilizado na
fabricação das blindagens. Observa-se que a trama da aramida é bem fechada e a
uniformidade das fibras pode ser vista na FIG. 4.17(b). Ainda, é possível notar, na
superfície da trama, algumas fibrilas da aramida já rompidas, em decorrência
provável do armazenamento ou manuseio das mesmas.
Fibrila rompida
FIG. 4.15 - Micrografia por MEV da fibra da manta de juta utilizada na fabricação do compósito.
Aumento de 100x.
Fibrilas rompidas
FIG. 4.16 - Micrografia por MEV da trama do tecido de juta com trançado grosseiro utilizado na
fabricação do compósito. Aumento de 60x.
100
Fibrilas rompidas
(a)
(b)
FIG. 4.17 - Micrografia por MEV: (a) Trama do tecido de aramida (100x); (b) Detalhe da fibra (1000x).
O aspecto típico da superfície de fratura das amostras compósitas de tecido de
juta pode ser visualizado nas micrografias de MEV da FIG. 4.18. Na FIG. 4.18(b),
percebe-se a separação das fibras de juta, em fibrilas mais finas, o que é um
aspecto da ruptura mecânica desse tipo de fibra (MONTEIRO et al, 2011). Isto
contribui significativamente para absorver a energia de impacto. Ainda, a fratura
frágil da matriz de epóxi, FIG. 4.18(a), é outra fonte de dissipação de energia.
Adicionalmente, o entrelaçamento dos fios do tecido de juta também auxilia no
aprisionamento da matriz de epóxi. Nota-se também a presença de pequenas
partículas na superfície do compósito provenientes da fragmentação da cerâmica
(FIG. 4.18(b)).
Além disso, o tecido de juta apresentou uma adesão relativamente boa, como
mostrado na FIG. 4.19, onde é possível observar o fio da trama do tecido de juta
totalmente impregnado pela resina epóxi. Essa boa adesão entre a fibra e matriz foi
responsável pela boa resistência à propagação de trincas durante o ensaio balístico.
101
(a)
(b)
FIG. 4.18 - Micrografia por MEV: (a) Fratura do compósito do tecido de juta (100x); (b) Partículas
cerâmicas na superfície do compósito (1000x).
FIG. 4.19 - Micrografia por MEV do detalhe do fio da trama do tecido envolvido por epóxi (100x).
A FIG. 4.20 apresenta a imagem da seção transversal da região danificada pelo
impacto do projétil na placa compósita “porosa” de manta de juta. A partir dessa
figura pode-se observar que a manta de juta contribui de maneira efetiva para
aumentar a resistência da matriz de epóxi através dos mecanismos de delaminação,
descolamento e rompimento das fibras.
102
Delaminação
Rompimento
das fibras
FIG. 4.20 - Seção transversal da região danificada pelo impacto do projétil na placa compósita
“porosa” de manta de juta.
A FIG. 4.21 mostra a região de fratura do compósito de manta de juta após a
penetração por fragmentos gerados pela cerâmica e pelo projétil. Nessa figura é
possível observar a presença de vazios resultantes da etapa de preparo do
compósito. Como abordado anteriormente, os resultados indicam que esses vazios
têm forte influência no desempenho balístico das placas compósitas. Verifica-se
também que houve uma boa adesão entre as fibras da manta e a matriz, além da
presença de pequenas partículas cerâmicas na superfície do compósito, que são
destacadas na FIG. 4.22.
Essa impregnação de pequenas partículas cerâmicas também foi verificada no
tecido de aramida danificado, FIG. 4.23, que mostra pequenas partículas brancas
presas nas fibras de aramida.
103
Vazios
FIG. 4.21 - Micrografia por MEV da região fraturada do compósito de manta de juta (100x).
Partículas Cerâmicas
FIG. 4.22 - Micrografia por MEV das partículas cerâmicas na superfície do compósito de manta de
juta (1000x).
104
FIG. 4.23 - Micrografia por MEV das partículas cerâmicas presas nas fibras de aramida (500x).
A FIG. 4.24 ilustra a região de impacto do projétil na placa cerâmica. Verifica-se
Verifica
que na área próxima ao impacto ocorreu uma fragmentação intensa, porém
observam-se
se pedaços grandes do material, praticamente intactos, nas
n extremidades
da cerâmica. Essa concentração pronunciada da energia de impacto próxima
próxim ao
eixo de penetração do projétil
projét enfraquece essa região, gerando maior profundidade
de penetração, isto é, maior profundidade de indentação na plastilina.
FIG. 4.24 - Região de impacto do projétil na placa cerâmica.
cerâmica.
105
Na FIG. 4.24 também fica evidente a formação de trincas radiais a partir do
ponto de impacto, que são características de materiais frágeis. A micrografia da FIG.
4.25 destaca essa formação. Essas trincas radiais são geradas pelo deslocamento
do projétil ao atingir essa região e propiciam a propagação das trincas internas,
ramificando-as e promovendo a subdivisão do material em várias partes. Como já
mencionado, o estilhaçamento do material pode ocorrer quando a onda de choque
encontra uma superfície livre e reflete uma onda trativa capaz de romper o material.
Este mecanismo de falha é caracterizado pela projeção de vários fragmentos.
(BACKMAN e GOLDSMITH, 1978; MOSS et al., 1995). Ainda na FIG. 4.25 é
possível visualizar um fragmento do projétil no ponto de impacto.
Fragmento do projétil
FIG. 4.25 – Fratura radial na região de impacto da camada cerâmica.
A imagem da FIG. 4.26 indica que a fratura da cerâmica foi predominantemente
intergranular, devido à adição da nióbia que forma precipitados nos contornos de
grãos da alumina e modifica o mecanismo de fratura da alumina de transgranular
para intergranular, aumentando a absorção de energia de impacto (MADHU et al,
2005).
106
FIG. 4.26 – Micrografia por MEV da cerâmica fraturada (5000x).
107
5 CONCLUSÕES
1) Para os três tipos de materiais testados como camada intermediária na
blindagem multicamada, a eficiência balística atendeu a norma internacional NIJ
0101.04 (2000), ou seja, a profundidade de indentação foi abaixo do limite de 44 mm
especificado em norma.
2) Dentre os materiais testados, o compósito com manta de juta apresentou
melhor desempenho balístico, com uma profundidade média de indentação de 17,51
mm. Já a aramida exibiu o menor desempenho balístico, com uma profundidade
média de indentação de 22,67 mm, ou seja, profundidade 29,5% maior que a
indentação média da blindagem com compósito de manta de juta e 9,7% maior que
a blindagem com compósito de tecido de juta (20,67 mm). Além disso, como
vantagens adicionais, a blindagem multicamada com compósito de epóxi-juta é
quase 4% mais leve e quase 39% mais barata quando comparada com a blindagem
com tecido de aramida.
3) No desempenho individual de cada material utilizado como camada
intermediária, o compósito com manta de juta apresentou maior velocidade limite, de
208,9 m/s, o que indica uma maior absorção de energia. O valor mais característico
obtido para a velocidade limite do compósito com tecido de juta foi de 178,3 m/s. Já
a aramida exibiu o menor valor de velocidade limite, 109,81 m/s e o compósito
reforçado com 30% de curauá um valor intermediário de 147,95 m/s.
4) O compósito de epóxi-juta apresentou uma absorção de energia de quase
6%, e o compósito de epóxi-curauá, obtido por Silva (2014), uma absorção de
energia de 3%. Porém, a profundidade de indentação, de 16,42mm (SILVA,2014),
obtida para o compósito epóxi-curauá foi 6,2% menor que a apresentada pelo
compósito reforçado com manta de juta e 20,6% menor que a indentação exibida
pelo compósito com tecido de juta. Enquanto o tecido de aramida, individualmente,
exibiu a menor absorção de energia de 1,7%. As possíveis justificativas para a
menor indentação encontrada para o compósito de curauá pode ser atribuída às
propriedades mecânicas desse compósito, como maior resistência à tração e maior
módulo de elasticidade.
108
5) Dentre os materiais utilizados como camada intermediária o tecido de aramida
exibiu maior impedância (13,73x106 kg/m².s). Esse maior valor justifica a menor
redução de energia de impacto, verificada pela maior profundidade média de
indentação obtida no ensaio balístico de 22,67 mm.
6) Através da análise das superfícies fraturadas do compósito, verificou-se que a
fibra de juta contribuiu de maneira efetiva para aumentar a resistência da matriz de
epóxi através dos mecanismos de delaminação, descolamento e rompimento das
fibras. Observou-se, também, que para todos os materiais testados como camada
intermediária houve a impregnação de pequenas partículas cerâmicas nas fibras, o
que indica que todos esses materiais contribuem para a dissipação de energia
através da captura dos fragmentos gerados pelo impacto do projétil.
109
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
•
Avaliar a influência causada no comportamento balístico pela variação da fração
em volume de fibra de juta no compósito epóxi-juta, utilizando as configurações de
tecido e manta.
•
Estudar detalhadamente a influência da fração de vazios do compósito epóxi-
manta de juta no comportamento balístico e nas propriedades mecânicas desse
compósito.
•
Avaliar e comparar o desempenho balístico do compósito polimérico reforçado
com 30%v de juta utilizando outro tipo de matriz, como por exemplo, poliéster.
•
Analisar e comparar a eficiência balística de uma blindagem multicamada
utilizando um compósito de epóxi reforçado com 30%v de outro tipo de fibra, ainda
não investigada, como por exemplo, piaçava.
•
Avaliar o comportamento balístico de uma blindagem multicamada utilizando
apenas manta de juta prensada ou costurada.
110
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT NBR 15000. Blindagens para impactos balísticos - classificação e
critérios de avaliação, 2005.
ABRABLIN. Disponível em: <http://www.abrablin.com.br/>. Acesso em 16 de agosto
de 2014.
ABRATE, S. Ballistic Impact on composite structures. 1st ed. Cambridge
University Press, Cambridge, UK. pp. 215-20, 1998.
ABRATE, S. Wave propagation in lightweight composite armour. Journal of
Physics, IV, 110, pp. 657–662, 2003
AFSHARI, M.; CHEN, P.; KOTEK, R. Relationship Between Tensile Properties
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