Debajo de la superficie: exploración de materiales de placas de blindaje duro

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 definido por el NIJ y otras organizaciones de establecimiento de estándares. Nuestro objetivo era proporcionar una comprensión más clara de las placas de blindaje en este contexto. Sin embargo, como reveló la publicación anterior, estos "niveles" son arbitrarios, con muchas placas que caen por debajo, entre o por encima de ellos. (es decir, cada placa con un "más" en su descripción. III+, IIIA+, IV+…)

Para comprender realmente 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.

Tres materiales cerámicos se emplean comúnmente en placas de blindaje duro: 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 prensado en caliente (SiC) y el carburo de boro ligado 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 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 se ha resuelto. 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 mucho, el material cerámico de blindaje más frecuente en placas destinadas a los mercados civiles y policiales. Esto se debe a que es un material eficiente y confiable que está ampliamente disponible, fácil de moldear en formas complejas y, lo que es más importante, muy asequible. En promedio, el costo de un fabricante por una cara de impacto de alúmina de 10×12″ en una placa de Nivel IV es de aproximadamente $20. Alúmina también exhibe un excelente rendimiento de impactos múltiples en comparación con los materiales basados ​​en SiC y B4C, lo que ayuda significativamente al cumplimiento de 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 a menudo exhiben buenas características de múltiples golpes.

Carburo de silicio (SiC) ofrece el equilibrio más favorable entre precio y rendimiento en la gama más amplia de amenazas. Es considerablemente más ligero que la alúmina y demuestra un rendimiento superior contra todas las amenazas. Aunque es un poco más pesado que el carburo de boro y tiene un desempeño marginalmente inferior contra las amenazas de núcleo de acero y bola, lo compensa con un mejor rendimiento de impactos múltiples y una eficacia muy mejorada contra las amenazas de núcleo 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 frente a todas las amenazas y es solo un poco más caro que la alúmina con una pureza del 99 % o más. (2) Los nuevos compuestos SiC-TiB2, tal como se utilizan en la placa Adept Armor Colossus, compiten con B4C en función del peso frente a las amenazas del núcleo de acero y superan fácilmente al B4C frente a las amenazas del núcleo de carburo de tungsteno. (3) En los últimos años, ha habido un interés considerable en la investigación de los compuestos de diamante-SiC, que pueden ofrecer un rendimiento aún mayor.

Como uno de los mejores 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 basados ​​en SiC de alto rendimiento.

Prensado en caliente o sinterizadoCarburo de boro (B4C) es un material de nicho de gama alta. Cuando se trata de detener las amenazas con 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 gama alta debido al problema de amorfización del carburo de boro. (3) El carburo de boro exhibe un comportamiento similar al vidrio y excepcionalmente quebradizo tras el impacto, lo que resulta en el peor rendimiento de impacto múltiple de su clase. Por estas razones, es el material de la cara de contacto de elección para placas militares y de nivel IV de ultra alta gama diseñadas para detener .30-06 APM2 o ​​7.62x54mmR B32 API, pero no se usa con frecuencia para otros fines.

El carburo de boro es el material principal para el desempeño de un solo disparo contra las amenazas AP con núcleo de acero, pero su costo y las 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 costo menor, se produce mediante la infiltración de preformas de polvo de carburo de boro y carbón con silicio metálico fundido. El resultado es una pieza compuesta densa de metal cerámico ("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 este último, la débil fase de silicio metálico.

El desempeño balístico de RBB4C contra amenazas de pelota es comparable, solo ligeramente inferior, al desempeño 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 amenazas con núcleos de carburo de tungsteno, está en la parte inferior del paquete. 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 chalecos antibalas, aunque recientemente disfrutó de un breve período de interés y popularidad.

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

Las propiedades de los materiales de respaldo de armaduras de cerámica comunes son las siguientes:

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

De la tabla anterior, debería ser evidente que la armadura de fibra de vidrio tiene propiedades mecánicas bastante buenas. Combina una alta resistencia a la tracción con una buena ductilidad y, en aplicaciones balísticas, se sabe que exhibe una excelente resistencia a la deformación a altas velocidades de deformación. Pero su densidad es aproximadamente un 250 % más alta que la del UHMWPE y >70 % más alta que la del Kevlar y, en comparación con esos otros materiales sobre la base del mismo peso, las soluciones de fibra de vidrio resultan bastante malas. 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 mucho mejor en peso.

Con una inferioridad tan evidente, uno pensaría que la fibra de vidrio sería obsoleta. Pero la aramida y el UHMWPE son materiales especiales 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 se basan en alúmina y fibra de vidrio en su construcción. Las placas de nivel IV por debajo de $ 150, por regla general, no serían posibles de otra manera.

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 de cerámica, y la construcción de respaldo de fibra de vidrio ha permitido el desarrollo de toda una clase de placas de blindaje de bajo costo.

aramida, por otro lado, es casi obsoleto como material de respaldo en placas de armadura dura. Ocupa una posición incómoda; es considerablemente más caro que la fibra de vidrio, lo que lo hace poco atractivo para las placas de blindaje más baratas que ahora dependen de la construcción de fibra de vidrio; por el contrario, su rendimiento está significativamente por debajo del UHMWPE, por lo que todas las placas de blindaje de alto rendimiento ahora se construyen con respaldos hechos única o principalmente de UHMWPE. A partir de 2023, las placas nuevas que utilizan aramida como material de respaldo son raras. Serían completamente inexistentes, excepto por algunos "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 respaldo de la armadura cerámica. Mucho se ha escrito en otros lugares sobre la naturaleza de este material, pero debería ser suficiente decir que los soportes de UHMWPE en los sistemas de blindaje cerámico permiten las placas más livianas en cualquier nivel de rendimiento dado, aunque a un costo más alto, ya que los mejores grados de UHMWPE son bastante caro. Además, el UHMWPE suele combinarse con sistemas de resina relativamente "suaves" en piezas compuestas, por lo que, entre otras razones, los soportes fabricados con compuestos UHMWPE pueden deformarse y deslaminarse más que los soportes fabricados con 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: todas estas cosas pueden afectar el rendimiento de varias maneras. (Y se escribirá más sobre ellos, y 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 respaldo, y, si asumimos que todo lo demás es promedio o nominal , es posible, solo con la información anterior, ver cómo se acumulan las diferentes combinaciones de cerámica y materiales de respaldo.

Un modo de falla peculiar de los ingenieros es cuando se enamoran de un material y ya no pueden evaluarlo objetivamente. En la construcción de placas de blindaje de cerámica, la elección del material se reduce únicamente a los requisitos. Si desea la placa más liviana posible, buscará la construcción B4C+UHMWPE, a menos que necesite su placa para vencer una amenaza con núcleo de carburo de tungsteno, en cuyo caso buscará SiC en lugar de B4C, o a menos que necesite su placa para superar un requisito de impacto múltiple de seis disparos, en cuyo caso podría valer la pena considerar incluso alúmina 99%+. Del mismo modo, la fibra de vidrio no es 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 crear un modelo de cómo sus propias placas de armadura podrían servirle en acción, o puede tomar la decisión de compra más sabia posible.

Sobre el autor:Jake Ganor es director general de Adept (www.ade.pt), una empresa que desarrolla soluciones vanguardistas de chalecos antibalas 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 durante los últimos dos años. Está prevista la publicación de una segunda edición ampliada a finales de 2023.

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