A fibra de aramida tem as características de alta resistência específica e alto alongamento na ruptura, e pode substituir completamente materiais compostos de fibra de vidro/resina em muitos campos.
Atualmente, países em todo o mundo estão constantemente desenvolvendo e otimizando diversos novos materiais balísticos para aprimorar o desempenho da proteção balística de veículos e soldados. Materiais compósitos de fibra de alto desempenho apresentam as características de leveza, alta resistência e excelente resistência balística. São os materiais balísticos mais pesquisados, de crescimento mais rápido e mais promissores. Os países com desenvolvimento militar, representados pelos Estados Unidos, dedicam especial atenção ao desenvolvimento de fibras antibalísticas de alto desempenho e seus materiais compósitos. Instituições de pesquisa científica de defesa nacional, como o Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e universidades financiadas pelo Ministério da Defesa, realizaram inúmeras pesquisas nos últimos anos. Este artigo apresenta principalmente a pesquisa e o desenvolvimento, o status de aplicação e o nível de desempenho das fibras de aramida, fibra de carbono e fibra PBO no exterior.
1. Fibra de aramida
As fibras de aramida apresentam características de alta resistência específica e alto alongamento na ruptura. Sob a mesma densidade superficial, a resistência balística dos compósitos de aramida/resina é de 2 a 3 vezes maior que a dos compósitos de fibra de vidro/resina. Podem ser utilizadas em diversas áreas. Substituição abrangente de compósitos de fibra de vidro/resina.
Instituições como o Laboratório Conjunto de Pesquisa do Exército da Universidade Clemson, nos Estados Unidos, utilizam o método tradicional dos elementos finitos para conduzir análises numéricas de mantas de fibras antibalísticas, a fim de determinar a resistência à penetração do material e a resposta geral à deflexão, deformação e danos ao impacto. Os pesquisadores da equipe otimizaram e aprimoraram ainda mais o modelo de cálculo e análise de proteção contra impacto/explosão balísticos de compósitos de matriz polimérica reforçada com fibras de trama plana. Em 2014, estudou-se a relação entre a microestrutura e o desempenho de materiais à base de PPTA (poli-p-fenileno tereftalamida), e desenvolveu-se um método de cálculo em escala de múltiplos comprimentos para determinar o impacto de diversas características microestruturais em diferentes escalas no feltro à base de PPTA. Efeito de compósitos de matriz polimérica reforçada com tecido ou fibra de PPTA na resistência macroscópica à penetração balística.
Cassino, na Itália, e a Universidade do Sul do Lácio combinaram feltro de trama simples com resina termoendurecível para produzir laminados e realizaram testes de previsão numérica de Walker e de desempenho balístico na blindagem composta preparada. O Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA et al. utilizaram monofilamento de náilon transparente em forma de tira plana como reforço e prepararam um material compósito com transmitância de luz de cerca de 40%, utilizando como matriz uma resina epóxi transparente com índice de refração correspondente. O teste balístico do material mostrou que o valor de V50 do material obtido é superior a 305 m/s, muito superior ao da resina epóxi e do policarbonato.
O Laboratório Nacional Sandia dos Estados Unidos estudou a influência da torção nas propriedades de impacto transversal de fios de fibras elásticas e mediu a velocidade da onda de cisalhamento de Euler induzida pelo impacto com uma câmera de alta velocidade. Os resultados mostram que a velocidade da onda de cisalhamento de Euler aumenta com o número de torções no fio de fibra, implicando em maior desempenho balístico. Portanto, o uso de fios de fibra torcidos em mantas de fibra balística pode melhorar as propriedades balísticas do material. O efeito do campo magnético nas propriedades balísticas da fibra de aramida e da fibra de polietileno de ultra-alto peso molecular foi estudado. Os pesquisadores intercalaram fibras de aramida e fibras de polietileno de ultra-alto peso molecular entre dois conjuntos opostos de ímãs de terras raras para testar o efeito da repulsão do campo magnético nas propriedades balísticas dos materiais. Os resultados mostram que a repulsão magnética pode inibir que as balas entrem no painel frontal das fibras de aramida.
A nanomodificação de fibras de aramida ou o nanoenchimento de seus compósitos também melhorarão as propriedades balísticas. Os pesquisadores aprimoraram a resistência interfacial por meio do crescimento de nanofios de ZnO verticais na superfície da fibra. A resistência da interface da fibra é 96,9% maior do que a da fibra nua, e a carga de pico do teste de arrancamento é aumentada em 6,5 vezes. Os nanofios de ZnO melhoram o desempenho de arrancamento das fibras, o que, por sua vez, também aumenta o nível de proteção contra impactos balísticos do material.
Os pesquisadores estudaram o efeito de enchimentos de nanopartículas em compósitos resistentes a impactos e conduziram testes balísticos V50 em compósitos de fibra preenchidos com fibras de carbono moídas e nanopartículas (nanotubos de carbono e partículas de borracha núcleo-casca). Os resultados mostram que o enchimento de partículas de borracha nano-núcleo-casca é eficaz para absorção de energia durante o impacto devido ao efeito de cavitação e também melhora significativamente o desempenho balístico. Os enchimentos de nanotubos de carbono podem melhorar o desempenho da interface matriz-fibra e também melhorar significativamente o desempenho balístico. Os dois podem aumentar o desempenho antibalístico V50 do material compósito. Adicionar 1% da fração de massa de fibras de carbono moídas e adicionar 1% de nanopartículas ao material compósito pode aumentar o V50 em 7,3% (nanotubos de carbono) e 8% (partículas de borracha núcleo-casca) em relação à amostra de referência, respectivamente.
2. Fibra de carbono
O módulo de Young da fibra de carbono é geralmente mais de três vezes maior que o da fibra de vidro tradicional e tem importante potencial de aplicação no alívio de peso de equipamentos militares e na melhoria da capacidade de sobrevivência. Em 2015, o Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, desenvolveu um novo processo para a preparação de fibras de carbono contínuas fiadas em gel com base na tecnologia de fiação de poliacrilonitrila (PAN). A resistência à tração média das fibras de carbono à base de PAN preparadas está entre 5,5 e 5,8 GPa, o módulo de tração está entre 354 e 375 GPa e o módulo de tração é 25% a 36% maior do que o da fibra de carbono à base de PAN do tipo IM7, amplamente utilizada na indústria aeroespacial. combinação de maior valor. No futuro, com a otimização de materiais e processos, a resistência e o módulo das fibras de carbono à base de PAN serão aprimorados simultaneamente.
3. Fibra PBO
A fibra PBO foi originalmente desenvolvida pela Força Aérea dos EUA e, posteriormente, seus produtos foram fabricados por empresas japonesas. A fibra PBO é conhecida como uma futura fibra de ultra-alto desempenho que pode substituir a fibra de aramida. Essa fibra tem densidade menor que a fibra de aramida, mas suas propriedades mecânicas e resistência ambiental são muito superiores às de outras fibras de aramida.
Em 2006, a Universidade da Califórnia assinou um contrato com o Exército dos EUA para realizar testes balísticos a fim de determinar o desempenho balístico das fibras de Zylon. Os resultados mostram que a fibra de Zylon apresenta desempenho superior ao de Kevlar 29 e, quando utilizada em blindagens, melhora efetivamente o desempenho de proteção e a mobilidade. Embora as fibras de PBO apresentem as vantagens de leveza, alta resistência e alto módulo, elas são limitadas pela degradação de suas propriedades mecânicas durante o uso em aplicações de proteção. Para solucionar esse problema, os pesquisadores desenvolveram um processo de pós-tratamento por difusão de reagente químico de CO2 supercrítico para tratar as fibras de PBO, a fim de reduzir a taxa de declínio de suas propriedades mecânicas e prolongar sua vida útil. Pesquisadores da Universidade de Massachusetts Amherst estudaram a estabilização de fibras de PBO após o pós-tratamento com CO2 supercrítico, usando CO2 supercrítico como extratante para extrair o ácido fosfórico residual e a água nas fibras de PBO e usando-o como meio para introduzir uma variedade de A substância neutraliza o ácido fosfórico e enfraquece o efeito de degradação da água e do ácido na fibra de PBO.
A laminação de fibras balísticas pode ser um fator de degradação do desempenho. Os pesquisadores investigaram o efeito do dobramento na degradação do desempenho das fibras balísticas de PBO e determinaram experimentalmente o impacto desse mecanismo de falha no desempenho da proteção da blindagem. Eles também investigaram o efeito do dobramento na estrutura interna das fibras elásticas. Pesquisadores japoneses realizaram inúmeras pesquisas sobre fibras de PBO. Por exemplo, eles estudaram o tratamento térmico para melhorar a resistência à tração e à fadiga de fibras de PBO de alto módulo e a influência da taxa de cisalhamento na resistência à tração de fibras de PBO de alto módulo.
