Debajo de la superficie: exploración de materiales de placas de armadura duras

Jun 07, 2023

En nuestra publicación anterior, examinamos las clasificaciones de las placas de armadura dura, explorando los "niveles" de protección que ofrecen las placas de armadura corporal según lo define el NIJ y otras organizaciones que establecen estándares. Nuestro objetivo era proporcionar una comprensión más clara de las placas de blindaje en este contexto. Sin embargo, como reveló esa publicación anterior, estos "niveles" son arbitrarios, con muchas placas cayendo por debajo, entre o por encima de ellos (es decir, cada placa con un "más" en su descripción. III+, IIIA+, IV+...).

Para comprender verdaderamente las características de rendimiento de una placa de blindaje, simplemente conocer su nivel asignado es insuficiente. Incluso una comprensión superficial requiere cierto conocimiento de los materiales utilizados en la construcción de esa placa.

Con eso en mente, proporcionemos una descripción general de los materiales de las placas de blindaje y sus características de rendimiento.

Normalmente se emplean tres materiales cerámicos en las placas de armadura dura: alúmina, carburo de silicio y carburo de boro.

La siguiente tabla presenta las propiedades promedio de los grados comerciales para cada material, incluidos AD85 y RBB4C como variantes comunes:

En la tabla anterior, el "rendimiento" se evalúa en función del peso. Por ejemplo, el carburo de silicio (SiC) prensado en caliente y el carburo de boro unido por reacción (RBB4C) demuestran una eficacia comparable contra las amenazas AP del núcleo de acero cuando se consideran pesos iguales. Esto significa que estamos comparando una loseta de SiC de 8 mm de espesor con una loseta RBB4C de ~9,3 mm de espesor.

La cuestión de cómo las propiedades mecánicas, como la dureza y la resistencia a la compresión, se traducen en rendimiento balístico aún no está resuelta. Lo dejaremos de lado por el momento.

Alúmina Generalmente presenta la relación rendimiento-peso más baja debido a su alta densidad. Sin embargo, la alúmina es, con diferencia, el material cerámico de armadura más frecuente en las placas destinadas a los mercados civil y policial. Esto se debe a que es un material eficiente y confiable que está ampliamente disponible, fácil de moldear en formas complejas y, lo más importante, muy asequible. En promedio, el costo de un fabricante por una cara de alúmina de 10×12″ en una placa de Nivel IV es de aproximadamente $20. La alúmina también exhibe un excelente rendimiento de impactos múltiples en comparación con los materiales basados ​​en SiC y B4C, lo que ayuda significativamente a cumplir con especificaciones como NIJ 0101.06 Nivel III, donde se requieren seis disparos por placa.

La alúmina es un material cerámico rentable y ampliamente utilizado que da como resultado placas confiables, aunque más pesadas. Estas placas suelen presentar buenas características de impacto múltiple.

Carburo de silicio (SiC) ofrece el equilibrio más favorable entre precio y rendimiento en la más amplia gama de amenazas. Es considerablemente más ligero que la alúmina y demuestra un rendimiento superior contra todas las amenazas. Aunque es ligeramente más pesado que el carburo de boro y tiene un rendimiento ligeramente inferior frente a las amenazas de núcleos de acero y bolas, lo compensa con un mejor rendimiento en múltiples impactos y una eficacia enormemente mejorada frente a las amenazas de núcleos de carburo de tungsteno.

Las variantes de SiC amplían su gama de aplicaciones. Por ejemplo: (1) El SiC unido por reacción supera a la alúmina contra todas las amenazas y es sólo un poco más caro que la alúmina con una pureza superior al 99 %. (2) Los nuevos compuestos de SiC-TiB2, tal como se utilizan en la placa Adept Armor Colossus, compiten con B4C en términos de rendimiento-peso contra las amenazas del núcleo de acero y superan fácilmente al B4C contra las amenazas del núcleo de carburo de tungsteno. (3) En los últimos años, ha habido un considerable interés en la investigación sobre los compuestos de SiC y diamante, que pueden ofrecer un rendimiento aún mayor.

Como producto de alto rendimiento en todos los aspectos, el SiC se ha convertido en el material preferido para las placas con clasificación AP de grado militar en la actualidad, y debería mantener esta posición en el futuro previsible, especialmente con la reciente aparición de compuestos cerámicos de alto rendimiento a base de SiC.

Prensado en caliente o sinterizadoCarburo de boro (B4C) es un material de nicho de alta gama. Cuando se trata de detener amenazas al núcleo de acero, supera a todas las demás opciones por un margen significativo. Sin embargo, existen varios inconvenientes que limitan su uso: (1) Las materias primas de carburo de boro son costosas y difíciles de procesar. (2) El carburo de boro tiene un rendimiento inferior al de las balas AP con núcleos de carburo de tungsteno en comparación con densidades iguales de SiC o alúmina de alta gama debido al problema de amorfización del carburo de boro. (3) El carburo de boro exhibe un comportamiento similar al del vidrio y excepcionalmente frágil tras el impacto, lo que resulta en el peor rendimiento en múltiples golpes de su clase. Por estas razones, es el material de cara de elección para placas militares y de nivel IV de gama ultra alta diseñadas para detener .30-06 APM2 o ​​7.62x54 mmR B32 API, pero no se usa con frecuencia para otros fines.

El carburo de boro es el material principal para el rendimiento de un solo disparo contra las amenazas AP al núcleo de acero, pero su costo y sus limitaciones intrínsecas lo hacen menos adecuado para otras funciones.

Carburo de boro unido por reacción , una variante desarrollada para facilitar el procesamiento y la densificación del polvo de carburo de boro a un menor costo, se produce infiltrando preformas de polvo de carburo de boro y carbono con silicio metálico fundido. El resultado es una pieza compuesta densa de cerámica y metal (“cermet”) que consta de carburo de boro, carburo de silicio producido in situ y silicio metálico residual. Las propiedades mecánicas y la respuesta al impacto de este cermet están fuertemente influenciadas por esta última: la débil fase de silicio metálico.

El rendimiento balístico del RBB4C contra amenazas de bolas es comparable, sólo ligeramente inferior, al rendimiento del carburo de boro prensado en caliente. Contra las amenazas AP con núcleo de acero, generalmente está a la par con el carburo de silicio. Contra las amenazas con núcleos de carburo de tungsteno, está en el último lugar del grupo. Dado el costo bastante alto de RBB4C (significativamente más alto que el costo de un grado mediocre de SiC con un rendimiento comparable contra la mayoría de las amenazas AP), ahora se está volviendo poco común en las placas de armadura corporal, aunque recientemente disfrutó de un breve período de interés y popularidad.

La cerámica nunca se utiliza como material independiente en los sistemas de armadura. Siempre están respaldados por un material resistente, generalmente un compuesto derivado de fibras de aramida, vidrio o polietileno de peso molecular ultraalto. Para simplificar un poco las cosas, la capa cerámica fractura o desgasta el proyectil entrante y reduce su velocidad; la capa de respaldo atrapa los restos de cerámica y proyectiles y absorbe la energía cinética residual.

Las propiedades de los materiales de soporte de armadura cerámico comunes son las siguientes:

A finales de los años 1960 y principios de los años 1970, los compuestos de fibra de aramida y UHMWPE no existían, por lo que todos los soportes cerámicos de armadura se fabricaban con cualquiera de los dosfibra de vidrio (vidrio e/vidrio s) o aleación de aluminio. En aquel entonces, estos soportes de fibra de vidrio estaban unidos y reforzados con una resina fenólica, éster vinílico o epoxi. No ha cambiado mucho en ese sentido, ya que esas resinas siguen siendo las más populares en el uso actual y la tecnología de fibra de vidrio no ha avanzado mucho.

De la tabla anterior, debería resultar evidente que la armadura de fibra de vidrio tiene propiedades mecánicas bastante buenas. Combina una alta resistencia a la tracción con buena ductilidad y, en aplicaciones balísticas, se sabe que exhibe una excelente resistencia a la deformación a altas tasas de deformación. Pero su densidad es ~250% mayor que la del UHMWPE y >70% mayor que la del Kevlar y, en comparación con esos otros materiales en igualdad de peso, las soluciones de fibra de vidrio resultan bastante pobres. Los mejores grados de UHMWPE tienen una resistencia específica (resistencia por unidad de peso) >3 veces mayor que los mejores grados de fibra de vidrio y, de hecho, funcionan aproximadamente mucho mejor en términos de peso.

Con una inferioridad tan evidente, uno pensaría que la fibra de vidrio quedaría obsoleta. Pero la aramida y el UHMWPE son materiales especializados de nicho, mientras que la fibra de vidrio es omnipresente en la vida moderna y se produce en grandes cantidades a precios muy bajos. La fibra de vidrio es tan económica que ha permitido toda una clase de placas de blindaje de Nivel IV “económicas” que dependen de alúmina y fibra de vidrio en su construcción. De lo contrario, no sería posible obtener matrículas de nivel IV por menos de 150 dólares.

En última instancia, la fibra de vidrio no está obsoleta porque es el único material compuesto económico adecuado para su uso en placas de blindaje cerámicas, y la construcción del soporte de fibra de vidrio ha permitido el desarrollo de una clase completa de placas de blindaje de bajo costo.

aramida, por otro lado, está casi obsoleto como material de soporte en placas de armadura duras. Ocupa una posición incómoda; es considerablemente más cara que la fibra de vidrio, lo que la hace poco atractiva para las placas de armadura más baratas que ahora dependen de la construcción de fibra de vidrio; por el contrario, su rendimiento está muy por detrás del UHMWPE, por lo que todas las placas de blindaje de alto rendimiento ahora se construyen con soportes hechos exclusiva o principalmente de UHMWPE. A partir de 2023, las placas nuevas que utilizan aramida como material de soporte son raras. Serían completamente inexistentes, de no ser por unos pocos “modelos heredados” que aún están en producción.

UHMWPE Las fibras permiten compuestos con extraordinarias resistencias específicas, y la resistencia específica se traduce directamente en el rendimiento de las capas de soporte de armadura cerámica. Se ha escrito mucho en otros lugares sobre la naturaleza de este material, pero bastaría con decir que los soportes de UHMWPE en los sistemas de armadura cerámica permiten obtener placas más livianas en cualquier nivel de rendimiento determinado, aunque a un costo mayor, ya que los mejores grados de UHMWPE son bastante más livianos. caro. Además, el UHMWPE generalmente se combina con sistemas de resina relativamente "blandos" en piezas compuestas, por lo que, entre otras razones, los soportes hechos de compuestos de UHMWPE pueden deformarse y deslaminarse más que los soportes hechos de fibra de vidrio o aramida. (Otras razones tienen que ver con el diámetro fino de las fibras de UHMWPE y el bajo espesor de las capas unidireccionales de UHMWPE).

Conclusión Hay mucho más en una placa de armadura de cerámica. Pegamentos, resinas, capas de espuma y más: todos estos elementos pueden afectar el rendimiento de varias maneras. (Y se escribirá más sobre ellos, y sobre las placas de mosaico en particular, en una fecha posterior.) Pero los dos componentes principales de una placa de armadura de cerámica son la cerámica y su soporte y, si asumimos que todo lo demás es promedio o nominal , es posible, basándose únicamente en la información anterior, ver cómo se comparan las diferentes combinaciones de cerámicas y materiales de soporte.

Un modo peculiar de falla de los ingenieros es cuando se enamoran de un material y ya no pueden evaluarlo objetivamente. En la construcción de placas de blindaje cerámico, la elección del material se reduce únicamente a los requisitos. Si desea la placa más liviana posible, buscará una construcción B4C+UHMWPE, a menos que necesite que su placa supere la amenaza del núcleo de carburo de tungsteno, en cuyo caso buscará SiC en lugar de B4C, o a menos que necesite su placa. para superar el requisito de seis disparos múltiples, en cuyo caso incluso podría valer la pena considerar la alúmina 99%+. De manera similar, la fibra de vidrio no está completamente obsoleta si permite placas a un precio que de otro modo sería imposible, o si necesita construir una placa con clasificación AP que cumpla con requisitos de deformación de la cara posterior extremadamente bajos (menos de 25 mm). Incluso con una comprensión simplificada de cómo funcionan los materiales, puede construir un modelo de cómo sus propias placas de armadura podrían servirle en acción, o puede tomar la decisión de compra más inteligente posible.

Sobre el autor: Jake Ganor es director ejecutivo de Adept (www.ade.pt), una empresa que desarrolla soluciones de armaduras corporales de vanguardia y otras tecnologías para mejorar el rendimiento y la capacidad de supervivencia de los soldados. Su libro, Body Armor and Light Ballistic Armor Materials and Systems, está disponible en Amazon, donde ha sido el trabajo más vendido en su nicho en los últimos dos años. Está prevista la publicación de una segunda edición ampliada a finales de 2023.

¿Qué significa la fila de costos en la tabla? ¿La alúmina sinterizada es el doble del costo de la alúmina y el carburo de boro prensado en caliente es 13 veces el costo de la alúmina? ¡Gracias!

¡Si, eso es correcto!

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