Composição de Material Cerâmico, Material Cerâmico Sinterizado, Placas Cerâmicas Convexo-Côncavas, Processos de Produção, Uso na Preparação de Peças Resistentes a Impactos, Artigos Resistentes a Impactos e seu Uso em Blindagem para Proteção Balística

Campo da Invenção

A presente invenção é do campo da Engenharia de Materiais, sendo relacionada a sistemas de proteção a impactos. Mais especificamente, a presente invenção proporciona: uma composição de material cerâmico contendo alumina e óxido de nióbio e seu processo de preparação; um material cerâmico sinterizado contendo a referida composição e seu processo de preparação; placas convexo-côncavas de material cerâmico e seu processo de preparação; o uso da referida composição, material cerâmico e/ou placas convexo-côncavas de material cerâmico na preparação de artigos resistentes a impactos; artigos resistentes a impactos balísticos e seus processos de obtenção. Os produtos da invenção proporcionam substancial melhoria de desempenho de proteção a impactos, reduzem a quantidade de material necessário para se obter o mesmo nível de proteção a impactos, além de proporcionarem vantagens em sua produção industrial.

Antecedentes da Invenção

O campo técnico de produtos e materiais para a resistência a impactos é vasto, havendo uma diversidade muito grande de iniciativas para desenvolvimento de melhorias no setor. Um subgrupo de interesse especial, para o qual os impactos são extremos, é o de materiais para resistência a impactos balísticos. Assim sendo, é de se esperar que o desenvolvimento de materiais com resistência a impactos balísticos proporcione também o uso em outras condições de resistência a impactos menos críticos.

Já é do conhecimento da comunidade científica que a associação de cerâmicos, duros e leves, com materiais dúcteis, como os metálicos, reduz o peso de viaturas blindadas em relação àquelas com blindagem unicamente metálica ou a espessura das paredes de instalações que se deseja proteger. Quanto maior a dureza do cerâmico e menor a dureza do projétil, maior será o efeito de proteção balística oferecida pelo cerâmico. Muitos projetos de blindagem utilizam placas cerâmicas planas coladas na forma de ladrilhos sobre a superfície de um material dúctil, e o conjunto fixado à frente da superfície que se deseja proteger.

A presente invenção proporciona, entre outros objetos, placas cerâmicas empregadas como superfície de impacto em blindagem para uso em viaturas, proteção pessoal e instalações fixas, sendo um dos propósitos da invenção proporcionar meios para aumentar a capacidade de proteção em relação aos similares existentes. Neste contexto, a ação do projetil sobre a superfície cerâmica cria ondas compressivas com altíssimas pressões, que atravessam o projetil e o material cerâmico nas suas respectivas velocidades sônicas. A grande diferença entre essas velocidades promove uma interação no interior do projetil, ocasionando sua fragmentação. O material dúctil em que as placas cerâmicas são coladas tem a função de absorver plasticamente parte da energia de impacto do projetil, protegendo a viatura, a integridade física pessoal ou a instalação fixa em que forem apostos.

Em que pese a larga utilização desse tipo de blindagem, alguns inconvenientes podem-lhe ser atribuídos. Caso o projetil atinja a superfície do alvo em um ponto afastado do centro de uma placa plana que recebeu o impacto, causará maior dano ao material dúctil onde o cerâmico atingido foi colado. Isso ocorre devido à interferência entre as ondas incidentes, provenientes do impacto, com as ondas refletidas nas paredes laterais da placa cerâmica atingida, que fratura antes de ser atravessada pelo projetil, reduzindo seu poder de proteção balística.

Outro problema desta solução usual é que como a superfície de impacto é plana, a onda refletida na interface entre a placa cerâmica e o material em que é colada, tem a direção de propagação principal coincidente com o eixo de penetração, fragilizando o cerâmico à frente do projetil, o que também reduz a eficiência da blindagem.

Além do ataque de projetil, caracterizado como um corpo inerte com elevada energia cinética, normalmente com uma forma pontiaguda em sua frente, a qual atinge o alvo para penetrá-lo ou destruí-lo, há outras formas de ataque a blindagens, como os dispositivos de carga-oca.

A carga-oca constitui-se basicamente em um jato de material metálico dúctil, que atinge o alvo no ponto de contato com altíssimas velocidades, normalmente superiores a 4000m/s. A defesa deste tipo de ataque é feita utilizando-se explosivos de baixa potência à frente do alvo, ou introduzindo-se material polimérico antecedido por uma placa metálica plana, que ao ser atingida pela carga-oca, provoca a rápida combustão do material polimérico, deformando a superfície da placa metálica, que se torna instantaneamente convexa, o que dispersa o jato da carga-oca, reduzindo seu poder de penetração.

A literatura patentária contempla diversos antecedentes parcialmente relacionados aos objetos da invenção, sem, contudo, que nenhum de tais documentos isoladamente antecipe a invenção. Tampouco a combinação dos mesmos leva de forma óbvia ou evidente aos surpreendentes resultados proporcionados pela presente invenção. São listados a seguir apenas como referência do estado da arte.

O pedido de patente PI 0806045-2, depositado em 30/09/2008 e do mesmo inventor, revela uma blindagem balística com uma superfície de impacto convexa. Entretanto, não é revelado no referido documento a combinação de superfícies côncavas e convexas, nem tampouco a formulação do material da presente invenção, ambos contribuindo sobremaneira para o melhor desempenho técnico e/ou na redução de custos relativos à produção e uso. A presente invenção, portanto, contempla avanços substanciais sobre o PI 0806045-2.

Por outro lado, durante os últimos anos muito esforço foi voltado para a busca de materiais cerâmicos, com massas específicas menores que os metálicos, com aplicações de proteção a impactos e/ou em blindagens mais adequadas onde o peso tem importância, como em aeronaves e para o corpo humano. Alguns desses esforços visaram o uso de carbeto de silício como candidato, enquanto outros utilizaram materiais cerâmicos reforçados com fibras.

O documento EP 199 459 descreve ligas de cerâmica possuindo resistência elevada, onde a liga compreende óxidos de Zr e/ou Hf combinados com niobatos e/ou tantalatos metálicos.

O documento US 6,218,324 descreve um compósito cerâmico compreendendo uma matriz cerâmica de um material com a fórmula ABO ₄ , onde A é um cátion divalente e B é tungsténio ou molibdênio, disperso na matriz cerâmica, criando uma interface fraca entre a matriz e o material.

O documento US 7,297,646 descreve vidros e vitrocerâmica compreendendo óxido de nióbio ou tântalo com uma combinação de alumina, óxidos de Zr ou Hf e/ou de metais de terras raras.

O documento US 2007/105706 descreve o uso de carbetos, como de boro, silício, tântalo, zircônio, háfnio e tungsténio e um boreto de elementos dos grupos IV A, V A ou VI A da tabela periódica.

Nenhum dos esforços anteriores conhecidos foi considerado satisfatório, de forma que a busca por materiais cerâmicos com alta resistência a impactos permanece.

A presente invenção difere dos documentos conhecidos do estado da técnica, entre outras razões, por descrever grãos de alumina recobertos por niobato de alumínio, microestrutura essa possuindo propriedades melhoradas de resistência a impactos, sendo particularmente úteis para a produção de artigos de proteção balística.

Tendo em vista tais limitações dos ensinamentos disponíveis na arte anterior, e no propósito de superá-los, foram desenvolvidos os objetos da presente invenção. Sumário da Invenção

Os diversos objetos da presente invenção têm em comum o conceito inventivo do uso de materiais cerâmicos para a resistência melhorada a elevados impactos, referidos materiais sendo dotados de configurações especiais, particularmente uma configuração côncavo-convexa. Em uma concretização preferencial, os referidos materiais cerâmicos compreendem alumina e óxido de nióbio.

É outro dos objetos da invenção placas convexo-côncavas de material cerâmico, sendo outro de seus objetos seu processo de preparação.

É outro dos objetos da invenção o uso da referida composição, material cerâmico sinterizado e/ou placas convexo-côncavas de material cerâmico na preparação de artigos resistentes a impactos, sendo também objetos da invenção artigos resistentes a impactos balísticos e seus processos de obtenção.

É um dos objetos da invenção uma composição de material cerâmico contendo alumina e óxido de nióbio, sendo outro de seus objetos seu processo de preparação.

É outro dos objetos da invenção um material cerâmico sinterizado contendo a referida composição, sendo outro de seus objetos seu processo de preparação.

É um objeto da presente invenção proporcionar um novo e melhorado sistema de blindagem para proteção balística contra projeteis de energia cinética, jatos de carga-oca e similares. Em um aspecto, sendo, portanto, outro dos objetos da invenção, é proporcionado um material de revestimento compreendendo as placas cerâmicas convexo-côncavas adicionalmente podendo ser recobertas com materiais que impedem o lançamento de estilhaços ao serem atingidas por projeteis de energia cinética ou por jatos de carga-oca.

Em outro aspecto, sendo, portanto, outro dos objetos da invenção, é proporcionada uma blindagem para proteção balística pessoal, de viaturas ou de instalações fixas, compreendendo placas cerâmicas convexo- côncavas.

Esses e outros objetos da invenção serão valorizados pelos versados na técnica, e serão melhor compreendidos a partir da descrição detalhada a seguir.

Breve Descrição das Figuras

A figura 1 mostra uma representação esquemática de uma vista da superfície anterior de um exemplo de placa cerâmica convexo-côncava da invenção.

A figura 2 mostra uma representação esquemática de uma vista em detalhe de paredes laterais e da superfície anterior, a qual é convexa, de uma placa cerâmica convexo-côncava.

A figura 3 mostra uma representação esquemática de uma vista em detalhe de paredes laterais e da superfície posterior, a qual é côncava, de uma placa cerâmica convexo-côncava.

A figura 4 mostra uma representação esquemática de um exemplo de material de preenchimento da cavidade esférica da superfície posterior de uma placa cerâmica convexo-côncava.

A figura 5 mostra uma representação esquemática de uma comparação entre as espessuras de uma placa cerâmica convexo-côncava (à esquerda) e de um material de preenchimento (à direita).

A figura 6 mostra uma representação esquemática de uma vista da cavidade esférica da superfície posterior de uma placa cerâmica convexo- côncava ao lado esquerdo do material de preenchimento desta cavidade.

A figura 7 mostra uma representação esquemática de uma vista de uma placa cerâmica com a cavidade esférica de sua superfície posterior ocupada por um material de preenchimento.

A figura 8 mostra uma representação esquemática de uma solução de blindagem com placas cerâmicas convexo-côncavas coladas lateralmente entre si, e cobrindo completamente uma superfície a ser protegida, ou um componente de um sistema de blindagem. As cavidades esféricas de suas superfícies posteriores estão ocupadas por um material de preenchimento.

A figura 9 mostra um material cerâmico convencional à base de alumina sem nióbia, com superfície de fratura (amostra #1) predominantemente transgranular.

A figura 10 mostra um cerâmico convencional à base de alumina sem nióbia, com superfície de fratura (amostra #2) intergranular devido à fraca sinterização.

A figura 11 mostra uma concretização preferencial de material cerâmico da invenção com superfície de fratura (amostra #3) predominantemente intergranular pelo efeito da adição de nióbia á alumina.

A figura 12 mostra camada frontal de material para retenção de fragmentos de blindagem utilizando material cerâmico convexo-côncavo e submetido a impacto de projetil 0.50 pol disparado a 25m e com velocidade de 900m/s.

A figura 13 mostra superfície posterior de blindagem utilizando material cerâmico convexo-côncavo e submetido a impacto de projetil 0.50 pol disparado a 25m e com velocidade de 900m/s.

A figura 14 mostra estado do núcleo de aço da munição 0.50 pol após atingir blindagem utilizando material cerâmico convexo-côncavo e submetido a impacto de projetil 0.50 pol disparado a 25m e com velocidade de 900m/s.

Descrição Detalhada da Invenção

Os exemplos aqui descritos têm o intuito apenas de exemplificar algumas das inúmeras formas de realizar a invenção, não devendo portanto ser encarados de forma restritiva, mas sim ilustrativa.

A presente invenção proporciona uma solução inovadora especificamente para contornar as dificuldades da arte anterior, compreendo um sistema de proteção a impactos de especial interesse em blindagens, que compreende o uso de materiais cerâmicos na forma de placas convexo- côncavas. Em uma concretização preferencial, os referidos materiais cerâmicos compreendem alumina e óxido de nióbio.

O processo da invenção para o preparo de material cerâmico sinterizado compreende as etapas de:

- preparar uma mistura de material cerâmico;

- adicionar um aditivo de sinterização;

- moldar o material no formato côncavo-convexo; e

- sinterizar o material.

Em uma concretização preferencial, o processo compreende as etapas de:

a) preparar uma mistura de materiais cerâmicos;

b) adicionar 1 ,5-2,5% p/peso total da mistura de a), de um aditivo de sinterização;

c) realizar a moagem da mistura em água;

d) secar em estufa;

e) desaglomerar e/ou peneirar o material seco;

f) moldar o material no formato desejado;

g) sinterizar o material em uma temperatura na faixa de 1400°C a 1450°C pelo tempo de 1 h a 3h.

h) resfriar o material.

As referidas placas apresentam superfície anterior de impacto convexa e superfície posterior côncava. Preferencialmente pode ser aderido à superfície posterior um material de preenchimento, que pode ser cerâmico, metálico, polimérico, compósito ou explosivo. Se for utilizado material para preenchimento da cavidade côncava, por sua vez, este terá superfície posterior plana, para que possa ser colado à superfície a ser protegida ou a um sistema de blindagem. Na ausência de material de preenchimento, a placa cerâmica será colada à superfície a ser protegida por sua borda posterior.

A fim de que as placas convexo-côncavas possam cobrir completamente a superfície em que forem coladas, a seção transversal destas placas deve ser um polígono regular, preferencialmente hexagonal. A utilização desta placa cerâmica convexo-côncava da invenção soluciona os inconvenientes aventados pelas razões que se seguem nos parágrafos abaixo.

A placa cerâmica convexo-côncava se comporta como se fosse mais resistente à penetração e o projetil mais macio e deformável, em relação a uma blindagem plana cerâmica ou metálica, em função da forma esférica proposta para a superfície anterior de impacto e posterior do cerâmico, que faz com que a reação à tensão gerada pelo impacto no alvo seja respondida não só pelo material cerâmico ao longo do eixo de penetração, mas também pelo material nas vizinhanças deste eixo, com maior dispersão de tensões na placa cerâmica que tenha recebido o impacto.

Além disso, o fato das superfícies anterior e posterior da placa cerâmica convexo-côncava, objeto desta invenção, não serem ortogonalmente planas em relação ao eixo de penetração do projetil ou do jato de carga-oca, faz com que as ondas de choque refletidas na superfície posterior da referida placa não tenham a direção principal de propagação coincidente com o eixo de penetração. A vantagem deste efeito, em relação às blindagens cerâmicas planas, aumenta à medida que o cerâmico é atingido em um ponto mais afastado de seu centro.

Os desenhos anexos mostram a placa cerâmica convexo- côncava, objeto da presente invenção, o material de preenchimento de sua superfície posterior côncava, se houver, e a aplicação da placa em um sistema de blindagem para proteção balística.

A camada de placas cerâmicas convexo-côncavas da invenção pode ser coberta com uma camada de outro material com a finalidade de confinar os fragmentos cerâmicos gerados no impacto do projetil.

As placas da invenção podem ser confeccionadas em espessuras e curvaturas diversas para atender às necessidades de proteção balística que tenham sido especificadas. Exemplo 1

Nesta concretização preferencial da invenção, fazendo-se referência às figuras, tem-se que as placas cerâmicas da invenção têm superfície anterior convexa (fig.1) e superfície posterior côncava (fig. 3).

As faces laterais das placas cerâmicas (fig. 2) são planas e ortogonais à seção transversal destas placas, sendo a referida seção preferencialmente um hexágono regular (fig .1 ) .

A cavidade esférica (fig. 3) da superfície posterior das placas cerâmicas é completamente preenchida por um material (fig. 4), cuja superfície posterior, por sua vez, é plana e tem a forma da seção transversal da placa cerâmica da invenção (fig. 7), a não ser que esta cavidade permaneça sem preenchimento.

Cada placa cerâmica, com o material de preenchimento aderido em sua superfície posterior (fig.7), se houver, é colada sobre a superfície que se deseja proteger ou sobre um sistema de blindagem em que for inserida, coincidindo-se faces laterais de placas cerâmicas vizinhas, a fim de cobrirem completamente a superfície em que forem coladas (fig. 8).

A blindagem é caracterizada pelo fato de que as placas cerâmicas convexo-côncavas, objeto desta invenção, constituem a camada de material que oferece a primeira resistência efetiva à penetração de um projetil ou de um jato de carga-oca. A superfície anterior da blindagem pode ser coberta com material que confine os fragmentos cerâmicos gerados pelo impacto balístico. As placas convexo-côncavas, objeto desta invenção, podem ser confeccionadas em espessuras e curvaturas diversas para atender às necessidades de proteção balística pessoal, de uma viatura ou de uma instalação fixa.

Exemplo 2

Em uma concretização preferencial, a composição da invenção compreende alumina e óxido de nióbio. A referida composição é preferencialmente usada para sinterização e consequente obtenção de placas cerâmicas sinterizadas e de elevada resistência a impactos. As referidas placas possuem notáveis propriedades de dureza e/ou de absorção de impactos, sendo útil, dentre outras, para aplicações balísticas. Em uma concretização preferencial, a composição cerâmica da invenção compreende alumina e 3-5% p/p de óxido de nióbio. Em uma concretização preferencial, a composição da invenção, bem como o material cerâmico sinterizado da invenção compreendem niobato de alumínio depositado ao redor de grãos de alumina.

O processo da invenção para o preparo de material cerâmico sinterizado compreende as etapas de:

- preparar uma mistura de alumina de óxido de nióbio;

- adicionar um aditivo de sinterização;

- moldar o material no formato desejado; e

- sinterizar o material.

Em uma concretização preferencial, a proporção da referida mistura é de 95-97% p/p de alumina em pó e 3-5% p/p de óxido de nióbio em pó. Em uma concretização preferencial, o referido aditivo de sinterização é adicionado na proporção de 1 ,5-2,5% p/peso total da mistura. Em uma concretização preferencial, a mistura de alumina e óxido de nióbio é moída em água, subsequentemente seca em estufa e em seguida desaglomerada e/ou peneirada antes das etapas de moldagem e sinterização. Preferencialmente, a etapa de sinterizar o material é conduzida em uma temperatura na faixa de 1400°C a 1450°C pelo tempo de 1h a 3h, para em seguida tal material ser resfriado.

A composição da invenção é particularmente útil para a preparação de placas cerâmicas e/ou superfícies sólidas resistentes a impactos de elevada magnitude, especialmente úteis em blindagens balísticas.

Material Cerâmico Sinterizado

Em uma concretização preferencial, o material cerâmico sinterizado da presente invenção compreende de 95-97% p/p de alumina e 3- 5% p/p de óxido de nióbio. Ele possui também niobato de alumínio depositado ao redor de grãos de alumina, melhorando assim suas propriedades balísticas. Processo de Preparo

Em uma concretização preferencial, da invenção, o processo de preparo de material cerâmico sinterizado compreende as etapas de:

a) preparar uma mistura de 95-97% p/p de alumina em pó e 3-5% p/p de óxido de nióbio em pó;

b) adicionar 1 ,5-2,5% p/peso total da mistura de a), de um aditivo de sinterização;

c) realizar a moagem da mistura em água;

d) secar em estufa;

e) desaglomerar e/ou peneirar o material seco;

f) moldar o material no formato desejado;

g) sinterizar o material em uma temperatura na faixa de 1400°C a 1450°C pelo tempo de 1 h a 3h.

h) resfriar o material.

Em uma realização preferencial, o aditivo de sinterização utilizado é o polietilenoglicol (PEG).

A importância da adição de nióbia à alumina é devida ao fato de que a nióbia reage com a alumina, formando niobato de alumínio (AINbO ₄ ), que se deposita nos contornos de grãos da alumina. Isso faz com que aumente a absorção de energia do material cerâmico nestes contornos de grãos e melhore suas propriedades de proteção balística.

Uso na preparação de barreiras balísiticas

O material cerâmico da invenção foi utilizado diretamente como material de proteção balística, comprovando a ampla gama de aplicações de resistência a impactos, uma vê que a resistência a impactos balísticos é muito mais crítica do que as demais aplicações convencionais.

Testes balísticos com diferentes materiais cerâmicos da invenção foram conduzidos e demonstraram propriedades de proteção balística superiores às da alumina sinterizada convencional (sem adições cerâmicas e sinterizada em temperatura igual ou superior a 1600°C, pelo tempo mínimo de

1 h). Além das elevadas propriedades de proteção balística do material cerâmico, a sua sinterização ocorre em temperaturas (faixa de 1400°C a 1450°C) mais baixas que as convencionais (igual ou superior a 1600°C), o que propicia um menor gasto de energia, bem como de custo dos fornos de sinterização para a obtenção do material cerâmico sinterizado, aumentando sua viabilidade económica.

A Tabela 1 apresenta três diferentes composições cerâmicas e condições de sinterização. As composições #1 e #2 são convencionais e a composição #3 é uma concretização preferencial da invenção.

Tabela 1

A Tabela 2 mostra os resultados obtidos para propriedades físicas relevantes em blindagem e os resultados de testes balísticos: absorção de energia cinética e mecanismo predominante de fratura no impacto balístico de projetil 7.62 mm, usado em fuzis. A composição #3 apresentou os melhores resultados, e corresponde ao intervalo de percentual de alumina e nióbia no cerâmico, tendo sido a que demonstrou melhores resultados no testes balísticos.

Tabela 2

Composições Dureza Densificação Velocidades Absorção de Mecanismo Analisadas Vickers (%) das ondas energia (%) de fratura longitudinais

#1 1261 ± 58 84,2 ± 2,2 7157,1 m/s 72,4 Transgranular

#2 242 ± 23 64,5 ± 2,4 3577,2 m/s 53,0 Intergranular

#3 1319 ± 135 87,2 ± 2,4 7921 ,9 m/s 93,1 Intergranular A Tabela 2 mostra que a dureza, a densificação, a velocidade das ondas longitudinais e a absorção de energia no impacto balístico para a composição #3, alumina com adição de 4% de nióbia sinterizada a 1400°C por 3 horas, têm valores significativamente superiores aos das demais composições analisadas.

Os baixos valores dos resultados para a amostra #2 são devidos à fraca sinterização da alumina pura na temperatura de 1400°C, que aumenta quando se eleva a temperatura de sinterização, ou quando adiciona-se nióbia a 1400°C. Na composição #3, ocorre formação de uma segunda fase nos contornos de grãos da alumina, o niobato de alumínio, enquanto o interior dos grãos permanece com alta densificação e dureza. O AINbO ₄ , niobato de alumínio, tem dureza menor que a alumina, o que promove uma tendência de fratura intergranular associada a um aumento da absorção de energia do projetil pelo cerâmico na fratura causada pelo impacto balístico.

Testes balísticos subsequentes, com materiais cerâmicos submetidos a impacto de projetil 0.50 perfurante, a 25 m de distância e velocidade de 900 m/s, tiveram resultados excelentes. O material cerâmico da invenção (conforme amostra #3), sinterizado em formato plano, foi colocado sobre uma base (um bloco) de alumínio. Com o impacto do projetil em tais condições, houve ruptura da blindagem cerâmica e pequena penetração do bloco de alumínio. Por outro lado, o material cerâmico da invenção (conforme amostra #3), sinterizado em formato côncavo-convexo, foi colocado sobre uma base (um bloco) de alumínio. Mesmo com o impacto do projetil em tais condições, o bloco de alumínio não sofreu qualquer dano. Estes dados demonstram o alto potencial do material da invenção no uso em blindagens balísticas.

Os versados na arte imediatamente valorizarão os ensinamentos fornecidos na presente descrição e entenderão prontamente que pequenas variações nas formas de concretizar a invenção são possíveis, devendo ser consideradas como dentro do escopo da invenção e das reivindicações anexas.