DEGRADAÇÃO DO DESEMPENHO BALÍSTICO DE UM COMPÓSITO ELASTÔMERO/ARAMIDA DEVIDO À UMIDADE
J.E.L. da Silva Junior(1), J.R.M.d'Almeida(2)
(1) Departamento de Engenharia Mecânica, DEM, Pontifícia Universidade Católica do
Rio de Janeiro, Av. Marquês de São Vicente, 225, Gávea, Rio de Janeiro RJ, CEP 22453-900.
(2) Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Av. Marquês de São Vicente, 225, Gávea, Rio de Janeiro RJ, CEP 22453-900.
Palavras-chave: Compósito, blindagem, comportamento mecânico, absorção de umidade
RESUMO
As blindagens modernas para carros de combate são compósitos laminados constituídos de camadas superpostas de diversos materiais. As configurações mais avançadas são formadas pela combinação de placas externas de cerâmica, suportadas por uma chapa de aço, atrás da qual é colocada uma camada de base elastomérica reforçada por fibras aramidas, que tem por finalidade reter estilhaços. Esta camada pode deixar de atuar como uma proteção balística devido ao efeito nocivo que a umidade, entre outros agentes, causa sobre as fibras aramidas. Neste trabalho são analisados o comportamento balístico e as propriedades mecânicas à tração da camada de base elastomérica reforçada por fibras aramidas, em função do teor de umidade. A cinética de absorção de água foi determinada empregando-se o modelo de difusão de Fick.
O material estudado foi uma placa, com 9 mm de espessura, formada por 18 camadas de tecido de fibra aramida unidas a uma base elastomérica (Figura 1). Na blindagem esta camada tem como função reter estilhaços de uma possível fragmentação das camadas mais externas. Porém, quando usada isoladamente deve resistir a impactos de armas de calibre 9 mm.
O envelhecimento do material foi feito com a sua imersão em água destilada por um período pré-determinado de tempo, que é função dos dados obtidos da curva de absorção d'água, determinada experimentalmente de acordo com a norma ASTM D 570.
Os ensaios balísticos foram realizados em uma linha de tiro que é composta por um provete, onde é fixado o armamento, uma barreira óptica, que permite a medida do tempo que o projetil leva para percorrer um certo espaço, e o alvo onde é posicionado o corpo de prova (15 x 15 cm). Nos ensaios realizados os disparos foram feitos a uma distância de 10 m, conforme recomendado pela norma NIJ STD - 0108.01. Usou-se munição 9 mm, com velocidade de projetil nas faixas de 332 a 347 m/s (subsônica) e 426 a 441 m/s (supersônica).
Na Figura 2 está mostrada uma típica curva de absorção . Pode-se observar que o processo de absorção de água neste material é muito rápido. Este fato pode ser atribuído ao tecido de aramida estar exposto em um dos lados do material. Assim, além da absorção de água pelas fibras, existe o encharcamento do tecido, o que contribui para o rápido ganho de peso observado inicialmente. Pode-se ver pela figura que após apenas 10 min. de imersão existe um ganho percentual de massa de cerca de 18%. Após este encharque inicial o processo de absorção é mais lento, apresentando um perfil mais comum aos processos governados pela lei de Fick. Uma curva teórica ajustada aos pontos experimentais também está mostrada na figura 2. Estes dados experimentais foram modelados usando-se a equação (I), onde M% (%) é a massa absorvida em um tempo t (s), 
(%) é o valor de saturação, h (mm) é a espessura da amostra e D (mm2.s-1) é o coeficiente de difusão. Os valores médios obtidos estão listados na tabela 1, onde r é o coeficiente de correlação.
Onde: Ai (i = 1, 2, 3, ..., 18) indicam as camadas de tecido de fibra aramida e Ei (i = 1, 2, 3, ..., 18) indicam as camadas de base elastomérica.
O coeficiente de difusão obtido deve ser encarado como um valor da taxa de encharcamento do tecido e não como a absorção de água pelas fibras. Com a penetração de água por toda a estrutura, não existiu um fluxo unidirecional, logo as condições de contorno para a obtenção do valor real do coeficiente de difusão não foram obedecidas.
Os ensaios de tração ( corpos de prova retangulares: 25 x 3 cm) mostraram uma queda da resistência à tração devido à absorção de água da ordem de 34% (Tabela 2). Isto é devido ao efeito plastificante da água nas fibras aramidas, que altera as propriedades balísticas de tecidos aramida e as propriedades mecânicas de compósitos elastômero/aramida.
Para todos os ensaios de impacto balístico realizados não houve perfuração da placa, mesmo para as placas envelhecidas. Este resultado, que é diferente do obtido para tecidos de aramida não emborrachados, é importante pois indica que o emborrachamento diminui o efeito da umidade sobre o comportamento balístico do material embora a quantidade de água absorvida seja elevada. As camadas de elastômero atuaram no sentido de evitar que as mechas de fibras aramidas fossem abertas, devido ao efeito lubrificante da água. Do ponto de vista prático este resultado foi considerado fundamental para o emprego deste material em uma blindagem compósita, pois nas blindagens o efeito da água será menor do que nestes ensaios, já que não se espera contato direto do material com água, mas apenas com umidade ambiente.
Os resultados obtidos mostraram que:
Agradecimentos: os autores agradecem ao Exército Brasileiro.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
J.Lankford, W.Gray, Composite Armour, em Concise Encyclopedia of Composite Materials, A.Kelly, editor, Pergamon Press, Oxford, pp.55-62, 1994.
A Guide to Designing and Preparing Ballistic Protection of Kevlar Aramid, Technical Bulletin 440, E.I.Dupont de Nemours, Wilmington, Delaware, 1983.
J.E.L. da Silva Junior, J.R.M.d'Almeida, Estudo dos Efeitos da Umidade e da Radiação Ultra Violeta em um Compósito Elastômero/Aramida, Relatório Final de Pesquisa, PUC, 2001.