Buscar

O EFEITO DO TIPO DE MATRIZ SOBRE O DESEMPENHO BÁLISTICO E MECÂNICO DE ARMADURAS FEITAS DE COMPOSITOS DE FIBRA DE VIDRO

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Você também pode ser Premium ajudando estudantes

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Você também pode ser Premium ajudando estudantes

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Você também pode ser Premium ajudando estudantes
Você viu 3, do total de 8 páginas

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Você também pode ser Premium ajudando estudantes

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Você também pode ser Premium ajudando estudantes

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Você também pode ser Premium ajudando estudantes
Você viu 6, do total de 8 páginas

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Você também pode ser Premium ajudando estudantes

Faça como milhares de estudantes: teste grátis o Passei Direto

Esse e outros conteúdos desbloqueados

16 milhões de materiais de várias disciplinas

Impressão de materiais

Agora você pode testar o

Passei Direto grátis

Você também pode ser Premium ajudando estudantes

Prévia do material em texto

O EFEITO DO TIPO DE MATRIZ SOBRE O DESEMPENHO BÁLISTICO E MECÂNICO DE ARMADURAS FEITAS DE COMPOSITOS DE FIBRA DE VIDRO
W. Wong*, I. Horsfall, S.M. Champion, C.H. Watson
* Departamento de Sistemas de Engenharia, Royal Military College of Science, Cranfield University, Shrivenham, Wiltshire, SN6 8LA, Reino Unido
RESUMO
Os materiais compositos utilizados como revestimento de espessura em veículos de combate blindados (AFV) devem ter boas qualidades balísticas, bem como características estruturais que podem suportar cargas aplicadas, antes e depois do impacto. Este artigo investiga se existe uma relação entre as propriedades balísticas e mecânicas do material plástico reforçado com fibra de vidro. O dano de impacto nos painéis compósitos foi causado por testes balísticos e de torre de queda usando fragmentos de calibre .30 de 500 a 700 m / s e uma máquina de Rosand com impacto de 50 J, respectivamente. Uma C-scan ultra-sônica determinou o tamanho de delaminação subsequente, o que era esperado para ser inversamente proporcional aos experimentos do Modo 1, determinando a resistência à delaminação (G1C). Os resultados mostraram uma ligeira relação entre três painéis compósitos, onde a redução no G1C seguiu um aumento nas propriedades balísticas
INTRODUÇÃO
A fragmentação é a principal razão pela qual os revestimentos de espuma são necessários na AFV, então este artigo está preocupado com projéteis secundários de aproximadamente 500 a 700 m / s. Outro aspecto é a integridade estrutural do material que é essencial para a AFV, uma vez que as delaminações são uma consequência inevitável do dano de impacto. Formas de falha incluem matrizes e fissuras de cisalhamento, delaminação, fratura de fibra e danos superficiais. Em 1991, Cantwell e Morton [1] investigaram impactos de baixa velocidade em diferentes arranjos de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) e estabeleceram o comportamento do material após danos ao impacto.
No Reino Unido, a DERA desenvolveu um AFV que usa um casco composito, substituindo os materiais de alumínio e aço. As vantagens são que o AFV é leve, melhorando assim o desempenho e as propriedades balísticas são aumentadas. Além disso, a capacidade de sobrevivência é aumentada à medida que o veículo é feito de um componente, portanto, há menos pontos fracos e a corrosão por água salgada e ambientes úmidos é eliminada. Em aplicações como esta, os painéis compositos são necessários para suportar algumas ou todas as cargas estruturais dos veículos.
MATERIAIS
Os painéis compostos continham os mesmos tecidos de fibras de vidro E, mas com diferentes materiais de matriz. A resina fenólica SC1008 foi utilizada em quatro amostras e a resina epóxi foi utilizada no quinto. As amostras de resina fenólica foram modificadas pela adição de PVB como um agente flexível, que é a substância borracha no material, ou amino silano para promover a ligação da matriz. 
No. Composição
1 resina fenólica SC1008 com PVB 50:50
2 SC1008 com 10% de PVB
3 Epoxy mix 57
4 resina fenólica SC1008
5 SC1008 com amino silano
Sun e Rechack [2] colocaram resina extra nas interfaces e descobriram que, embora isso reduzisse a ocorrência de delaminações, devido à redução dos esforços de cisalhamento dentro do laminado, a força de compressão diminuiu.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Os testes balísticos usaram fragmentos de calibre .30 simulando projéteis (FSP) [3] a uma distância de 10 m. A velocidade do projétil foi medida usando dois fotodetectores LED a 6 m e 14 m da pistola. O experimento funcionou em um compromisso entre os padrões RARDE 802 [4] e NATO [5]. Um conjunto de valores de velocidade foi produzido dentro de um alcance de 30 m / s (RARDE 802) e consiste em 3 valores penetrados e 3 valores mantidos (OTAN). Usando esses números, o V50 foi determinado para cada amostra.
 Foi utilizado um teste de impacto de queda de peso com um impactador de 25 mm de diâmetro e uma massa de 2,484 kg para atingir painéis de 210 mm x 160 mm. O objetivo era alcançar a energia de impacto de 50 J. Zhou e Davies [6] do Imperial College usaram a varredura C ultra-sônica para determinar a área de delaminação e propagação de fissuras e provou ser muito útil. Assim, a área de delaminação e a frente de fissuras destas amostras de impacto foram determinadas com uma varredura C ultra-sônica empregando uma sonda de submersão de 2,25 MHz. 
Como o comportamento estrutural após o impacto foi um problema, os testes de compressão após impacto (CAI) foram realizados usando um equipamento de compressão Denison onde a resistência máxima à carga é de 3000 kN.
Figura 1: Aparelho de teste CAI.
Como Cantwell e Morton [1] descobriram que as delaminações foram um dos principais modos de falha de danos após o impacto, os testes de resistência à delaminação do modo 1 do feixe cantilever duplo (DCB) foram realizados adotando o método de conformidade experimental. Tiras de compositos de 250 mm x 25 mm x 12 mm foram marcadas em intervalos de 5 mm e os blocos de carga foram colados nos lados. Este aparelho é mostrado na Figura 2.
Figura 2: Modo 1 Delaminação.
Foi utilizada uma película de iniciação de poliTetraFluoroEtileno (PTFE) durante o fabrico para proporcionar iniciação de fissura. Com a máquina Instron, a carga (P) versus o deslocamento (δ) foi alcançada (ver Figura 3) e a carga em cada intervalo de propagação de fissura de 5 mm foi registrada. A conformidade (C) foi então determinada pela equação 1.
Isto é usado para representar graficamente log C vs log (comprimento delaminação, a). O gradiente deste gráfico (n) é um elemento na equação 2 para determinar G1C. 
Onde F é a grande correção de deslocamento:
[B = largura da amostra, 25 mm. l1 = distância do centro do pino de carga para a linha média da tira compósita, 16 mm]
G1C pode então ser plotado como visto na Figura 4 e seu valor pode ser tomado lendo o valor médio do platô.
Figura 3: carga versus deslocamento. Figura 4: Apresentação de resultados do G1C.
RESULTADOS
Os resultados dos cinco ensaios realizados foram apresentados na tabela 1.
Tabela 1: Resultados dos Cinco Procedimentos de Teste
A partir da inspeção visual, a face frontal dos painéis balísticos exibiu uma área separada menor do que o destacamento correspondente da face traseira. Em todos os casos, o perímetro deslaminado se espalha do ponto de impacto central e a queima de superfície foi vista perto da vizinhança de todas as entradas do projétil. A face frontal dos painéis balísticos mostrou "tufos" de fibras que se afastavam do ponto de entrada dos projéteis. Da mesma forma, estes também estavam localizados onde o projétil havia saído. As observações de face traseira mostraram que as áreas de separação mais pequenas e localizadas eram do painel de epóxi enquanto emergiam de delaminações adjacentes em todas as amostras de matriz fenólica. Quando as áreas separadas na face posterior da resina fenólica e a resina com painéis PVB de 10% foram comprimidas suavemente, essas áreas voltaram para uma extensão maior do que áreas similares nos outros painéis.
Figura 5: Face frontal do epóxi. Painel balístico. Figura 6: face traseira do epóxi. Painel balístico.
 
Devido ao fato de o vidro ser um material atenuante, a detecção de delaminação em compósitos de plástico reforçado com fibra de vidro (GFRP) usando o C scan deu uma imagem bastante indistinta, pois havia muito pouco sinal refletido de volta para o receptor. Isto foi especialmente evidente na resina fenólica e resina com amostras de amino silano, portanto, os resultados são apenas aproximações. 
Durante os testes de CAI, ouviram-se sons de rachaduras devido a ruptura de fibras, exceto na amostra de resina fenólica, onde a fratura completa seguiu apenas algumas rupturas de fibras. Todas as falhas estavam situadas na linha central do painel compósito (perpendicular à linha de força) e através do ponto de impacto.
Ao seguir o progresso de rachar nos experimentos do modo 1 doDCB, a fenda tendeu a se propagar através de duas a quatro linhas fiduciárias simultaneamente, mas, além disso, os avanços eram bastante estáveis.
DISCUSSÃO
Figura 7: Comparando os resultados do G1C e V50.
Figura 8: Comparando a Área de Delaminação e a Carga Máxima de CAI.
As figuras 7 e 8 mostram a tendência dos resultados. Previu-se que os dados do teste de resistência à delaminação seriam aproximadamente proporcionais ao teste CAI e inversamente proporcionais aos resultados da C scan. Infelizmente, os dados não mostram tal tendência. No entanto, existe uma ligeira relação inversa entre as propriedades balísticas e a resistência à delaminação. Além disso, a Figura 8 ilustra que, à medida que a área de delaminação aumenta, a carga máxima de CAI se reduz. 
Griffin [7] realizou experimentos onde cinco reforços diferentes foram definidos na mesma matriz e impactados. A energia máxima que essas placas poderiam absorver era a mesma, portanto, mostrando que o início do dano é governado pelas propriedades da matriz e que as propriedades da fibra são praticamente não relacionadas nesse aspecto. Isso também foi confirmado pela análise de Strait [8]. Considerando isso, espera-se que a amostra de epóxi tenha um limite balístico relativamente alto, pois é um material muito resistente. É também por isso que ele funcionou muito bem sob altos estresses de compressão.
Tendo em conta os painéis comparáveis: resina fenólica com PVB 50:50, resina fenólica com 10% de PVB e as amostras de resina fenólica, houve uma ligeira relação inversa entre a resistência à delaminação e as propriedades balísticas. A resistência à fratura da resina com PVB 50:50 foi alta, mas apenas realizada razoavelmente no teste CAI e foi a pior em relação aos dados balísticos. Portanto, neste caso, não é a escolha ideal para uso como um forro de espuma AFV.
A resina com 10% de amostra de PVB tinha boas propriedades balísticas e, embora as características mecânicas gerais fossem apenas medíocres, é suficiente para a aplicação. Além disso, este material alcançou a maior área de delaminação de 2817 mm2, o que coincide com o seu resultado G1C relativamente baixo, uma vez que se espera que variem inversamente.
A 601,2 m / s, a V50 da própria resina fenólica foi média e o teste de resistência à delaminação deu G1C relativamente elevado dos materiais investigados neste projeto. No entanto, a resistência à compressão foi baixa em comparação com os outros compósitos.
Embora a amostra de epóxi pareça ser uma possibilidade muito boa para um forro de espuma, infelizmente é mais inflamável do que as amostras de resina fenólica. Portanto, a escolha de um revestimento de espuma adequado seria predominantemente a resina com amino silano e a resina com espécimes de PVB a 10%. Embora as propriedades balísticas da resina com amino silano sejam relativamente baixas, elas são suficientes e as características mecânicas são boas. A outra possibilidade é a resina com 10% de amostra de PVB, que possui melhores qualidades balísticas, no entanto, os resultados de CAI são ligeiramente mais baixos.
CONCLUSÃO
O desenvolvimento de veículos de casco compósito destacou a necessidade de propriedades estruturais e balísticas em materiais de armaduras compósitas, pois são igualmente importantes. Assim, o objetivo era investigar se existe uma relação entre esses dois aspectos. 
Esta investigação não confirmou pesquisas passadas sobre o impacto causado por materiais compósitos. Isso se deveu a que as previsões de G1C sejam proporcionais ao teste de CAI e inversamente proporcionais aos resultados de C scan, que não eram evidentes nesses resultados. No entanto, houve uma relação inversa aproximada entre os resultados G1C e V50 e entre os dados C scan e CAI.
O material com as melhores propriedades balísticas V50 foi a resina fenólica com 10% de PVB. O material com as melhores propriedades mecânicas globais foi o painel epóxi, pois apresentava a maior carga CAI de 409,8 kN.
Esta investigação descobriu que os materiais com as melhores propriedades estruturais e balísticas eram a resina fenólica com amino silano e resina fenólica com 10% de espécimes de PVB. Estes seriam os materiais mais adequados para um revestimento de espuma AFV.
AGRADECIMENTOS
O autor gostaria de reconhecer a ajuda e o apoio do Sr. D Tudor da Permali Gloucester Ltd. Bristol Road Gloucester. GL1 5TT (UK)
REFERÊNCIAS
1. W.J. Cantwell e J. Morton (1991): "A resistência ao impacto nos materiais compósitos"
2. C.T. Sun e S. Rechack (1998): "Efeito das camadas adesivas em danos de impacto em laminados compósitos"
3. Especificação Militar Calibre de projétil .3 Simulação de Fragmento Outubro de 1964 Mill-P-46593A
4. RARDE Especificação 802: Compostos reforçados com fibra de vidro para fins de proteção balística. Revisado Dezembro de 1986
5. NATO (1992) Stanag 2920 (rascunho) Edição 1, AC / 301-D / 378
6. G. Zhou e G.A.O. Davies (1994): "Respostas de impacto de laminados de poliéster reforçados com fibra de vidro grossa"
7. C.F. Griffin (1987): "Tolerância ao dano da grafite de resina temperada"
8. L.H. Strait (1992): "Tolerância ao dano da grafite de resina temperada" 
Fg Off S.J. Austin: "Armadura balística estrutural para aeronaves de transporte" Lt R. Kolcazk: "Otimização da resistência ao impacto de lâminas de rotor principal composta de helicóptero" S. Abrate: "Impacto nas estruturas compostas"

Outros materiais