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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A2a Materiales: Materiales compuestos híbridos de matriz Polimérica
“Propuesta de desarrollo de material compuesto para protección contra impactos de alta velocidad”
Honorio Ortiz Hernándeza, Hilario Hernández Morenoa, Norberto Domínguez Ramírezb
a Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Profesional Ticomán, Av. Ticomán No.600, Col. San José
Ticomán, Gustavo A. Madero, Cd. De México, 07340, México. b Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Profesional Zacatenco, Av. Juan de Dios Bátiz s/n, Adolfo López
Mateos, Gustavo A. Madero, Cd. De México, 07738, México.
*Autor contacto.Dirección de correo electrónico: honoriohoh@hotmail.com, hihernandezm@ipn.mx, ndominguez@ipn.mx
R E S U M E N
En este trabajo se presenta el desarrollo de una placa de material compuesto híbrido denominado MCH-AVE (Material
Compuesto Híbrido de Acero, fibra de Vidrio y resina Epóxica), así como su evaluación para ser empleado como placa
de respaldo en un sistema de blindaje compuesto, contra impactos de alta velocidad (50-1000 m/s) en helicópteros. Este
material está constituido de malla de acero intercaladas en capas de fibra de vidrio y consolidadas por resina epóxica. Las
placas de MCH-AVE se obtuvieron mediante el método manufactura de prensado en frío. Se realizaron pruebas de
tensión con el fin de obtener su relación de Poisson, módulo de elasticidad y su resistencia última, así mismo el material
fue caracterizado físicamente con el fin de obtener su densidad y las fracciones volumétricas. Finalmente se realizaron
pruebas exploratorias de impacto con proyectiles calibre 7.62 x 51 mm OTAN, con el fin de evaluar su comportamiento
frente a dichas solicitaciones.
Palabras Clave: Sistema de blindaje compuesto, material compuesto híbrido, escudo cerámico, blindaje balístico.
A B S T R A C T
In this paper is presented the development of a hybrid composite plate called MCH-AVE (Hybrid Composite Material of
Steel, Fiberglass and Epoxy Resin), as well as its evaluation to be used as back plate in a composite armour system,
against high-speed impacts (50-1000 m/s) in rotorcraft. This material consists of a series of steel mesh interposed with
fiberglass fabric, all consolidated in an epoxy resin. The plate of MCH-AVE was made by cold pressing method. Tensile
tests were made for obtaining Young modulus, Poisson ratios and ultimate tensile strength. In addition, a physical
characterization was carried out in order to obtain density and volume fractions. Finally, exploratory impact testing was
performed with ammunition caliber 7.62 X 51 mm NATO, in order to evaluate their behavior against such solicitations.
Keywords: composite armour system, hybrid composite materials, ceramic shield, ballistic armour.
1. Introducción
Generalmente las aeronaves utilizadas por las fuerzas del
orden público y fuerzas armadas están expuestas a impactos
de proyectiles de armas de fuego, ocasionando en algunos
casos fallas en sistemas vitales de la aeronave y en el peor
de los casos la pérdida de vidas humanas. Actualmente
existen en el mercado blindajes comerciales para protección
contra impactos balísticos en aeronaves, sin embargo, sus
costos son prohibitivos, por tanto, muchas aeronaves
utilizadas por el estado para cuestiones de seguridad se
encuentran vulnerables frente a este tipo de amenazas, al no
contar con un sistema de protección. Una solución para este
tipo de problemas es la investigación y desarrollo de nuevos
materiales a partir de insumos disponibles en el mercado
nacional, que cumplan con los requerimientos necesarios
para ser utilizados como blindaje en aeronaves.
Aunque en la actualidad existen diversos materiales que
pueden cumplir con la función de brindar protección contra
impactos de alta velocidad, por ejemplo, el acero que
presenta buena resistencia al impacto a un precio
relativamente bajo, sin embargo, presenta el inconveniente
de su alta densidad (7.85 g/cm3). En contraste, los materiales
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cerámicos tales como el carburo de silicio (SiC) y la alúmina
presentan baja densidad 3.21 g/cm3 y 3.95 g/cm3,
respectivamente, y una excelente dureza capaz de achatar,
fragmentar y erosionar un proyectil, no obstante son
materiales muy frágiles que tienden a fracturarse al primer
impacto, esto los imposibilita a recibir múltiples impactos
[1,2]. Por otra parte, están los materiales compuestos, por
ejemplo, los reforzados con fibras de aramida (Kevlar® y
Twaron®), que desde hace tiempo se han estado usando
como blindajes en aeronaves, debido principalmente a su
buena resistencia al impacto, alta resistencia específica
(Esfuerzo último/densidad), y baja densidad [3], por lo que
su contribución en el peso de la aeronave es mínima. Por
último, están los blindajes compuestos, los cuales están
constituidos por un escudo cerámico y una placa de respaldo
ya sea metálica o de material compuesto. Este sistema
funciona en tres etapas: en la primera, se produce la
deformación y fragmentación del proyectil al impactarse
con el escudo cerámico, en la segunda, el proyectil es
erosionado por el material cerámico, y en la tercera, la placa
soporte absorbe por deformación plástica la energía cinética
del proyectil [2].
Desde hace algunos años en la Escuela Superior de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Ticomán (ESIME
UP Ticomán) se ha estado trabajando en el desarrollo y
caracterización de materiales compuestos híbridos, entre
estos trabajos están los realizados por Morales [4] y Ortiz
[5], quienes desarrollaron y evaluaron placas de material
compuesto híbrido, los cuales fueron denominados AVE y
MCH-AVE respectivamente, durante la evaluación de
pruebas de tensión de este último, se encontró que presenta
una área importante bajo la curva esfuerzo-deformación ver
fig.1, lo que indica que es un material que presenta buena
tenacidad [6].
Figura 1- gráficas de esfuerzo-deformación del MCH-AVE [5]
Por otro lado, en los estudios realizados por Mojica [7] a
una viga (perfil Ω) de MCH-AVE, reporta que durante el
ensayo de flexión, el material no presentó delaminación
extendida, además destaca la tolerancia al daño de dicho
material, ya que conserva una gran capacidad de carga
después de haber sufrido una serie de fallas, como se puede
observar en el diagrama carga-desplazamiento figura 2,
reportado por Mojica [7].
Figura 2- gráfica carga Vs. Desplazamiento, de viga (perfil Ω),
fabricada en MCH-AVE [7]
Así mismo, en los estudios realizados por Monter [8],
sobre el comportamiento en resistencia remanente de placas
de MCH-AVE, se destaca también la resistencia al impacto
de baja velocidad, buena tolerancia al daño, zona de daño
focalizada, y su resistencia a la delaminación, como se puede
apreciar en la figs. 3(a)-3(b).
Figura 3- imagen del área de daño producida por un impacto a 28.27
J, (a) cara de impacto; (b) zona de daño en la cara posterior [8]
2. Métodos Experimentales
2.1. Materiales
Los materiales utilizados para la elaboración de las placas
del MCH-AVE, fueron seleccionados de acuerdo con sus
propiedades mecánicas (dureza, resistencia a la tensión),
densidad, compatibilidad entre matriz y refuerzo, costo, y
facilidad de adquisición en el mercado nacional.
El material seleccionado como refuerzo fue fibra de
vidrio tipo E, en una configuración tafetán, debido a que
presenta buena resistencia a la tensión (3,445 MPa), buena
compatibilidad con la resina epóxica, es económico y de
fácil adquisición, comparado con otros refuerzos que,
aunque presentan mejor resistencia a la tensión, son de
difícil adquisición y costo prohibitivo, por ejemplo: la fibra
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de carbono que además tiene una baja tenacidad, Kevlar®,
fibra de vidrio tipo S, Twaron®, Spectra®.
Así mismo, se seleccionó malla de acero galvanizado
como segundo refuerzo, debido a que es un material
económico, de fácil adquisición y con buenas propiedades
mecánicas, en comparación con mallas de aluminio y mallas
de acero inoxidable que también existen en el mercado. Las
características de esta malla son las siguientes: acero AISI
1010, resistencia a la tracción de 392.3 MPa, apertura entre
alambre de 1.9 mm, diámetro del alambre 0.23 mm y una
densidad de 7.85 g/cm3.
La resina seleccionada para la matriz, fue una resina
epóxica, debido a su compatibilidad con la fibra de vidrio,
además que sus propiedades mecánicas son superiores a las
resinas poliéster y fenólicas, aunque las resinas poliéster son
más económicas. La resina seleccionada fue de la marca
Epolam 2015, la cual cuenta con un tiempo de gelado de 60
minutos, densidad de 1.12 g/cm3 y resistencia a la tracción
de 70 MPa.
2.2. Proceso de manufactura
La selección del proceso de manufactura del MCH-AVE, se
realizó tomando en cuenta las fracciones volumétricas de
cada uno de los constituyentes, que se pueden alcanzar con
cada uno de los métodos, debido a que la fracción
volumétrica es un factor importante, ya que influye de forma
considerable en las propiedades mecánicas del material. Los
métodos empleados fueron: bolsa de vacío, con la cual se
obtuvieron placas con mucha porosidad como se puede
observar en la tabla 1, razón por la cual se delaminaban
fácilmente, ver fig. 4, así mismo, se fabricaron placas por
compactación asistida por vacío e infusión de resina asistida
por vacío, con los cuales se obtuvieron placas con mayor
calidad respecto al método de bolsa de vacío, sin embargo,
se optó por no usar estos métodos debido al riesgo de que la
malla de acero perforara la bolsa de sellado y se perdiera
presión de compactación, por último, se realizaron placas
con el método de prensado en frío, con el cual se obtuvieron
placas con menor volumen de poro, independientemente de
ser un proceso económico y sencillo, por tanto, se optó por
usar este método para la elaboración del MCH-AVE.
Tabla 1-fraciones volumétricas obtenidas, en placas fabricadas por
bolsa de vacío.
probeta Vr Vf Vacero Vporosidad
1 0.3208 0.2393 0.0838 0.3562
2 0.3237 0.2439 0.0847 0.3478
3 0.2831 0.2253 0.0775 0.4141
4 0.3093 0.2388 0.0813 0.3706
5 0.2924 0.2560 0.0892 0.3624
promedio 0.3059 0.2406 0.0833 0.3702 Desviación
estándar 0.0177 0.0110 0.0043 0.0259 Coeficiente de
variación 0.0579 0.0459 0.0517 0.0700
Figura 4-placa de MCH-AVE obtenida mediante bolsa de vacío
El proceso de manufactura mediante prensado en frío
consiste en realizar el estratificado sobre una placa de
madera la cual está cubierta con una película de PVC, para
facilitar el desmolde de la placa, el estratificado está
compuesto de 14 capas de malla de acero, intercaladas
equitativamente en 28 capas de fibra de vidrio. Durante el
proceso de impregnado es necesario mantener en su lugar
las mallas ya que estas tienden a levantarse, lo que dificulta
el proceso de impregnación, esto se logra mediante prensas
ver fig. 5.
Figura 5- impregnación del estratificado
Una vez impregnado todo el estratificado, se coloca sobre
esta otra placa de madera con su respectiva película de PVC,
colocando este conjunto entre dos placas de acero, a las
cuales se le aplica una presión de 368 kPa mediante una
prensa hidráulica, y se procede a atornillar las placas
metálicas (fig. 6), con el fin de mantener la presión
constante, se deja curar por 18 horas, ya que haya
transcurrido el tiempo de curado se realiza el desmolde de la
placa (fig. 7).
Figura 6-compactación del MCH-AVE, mediante prensa hidráulica
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Figura 7- placa de MCH-AVE
2.3. Caracterización Física del MCH-AVE
2.3.1. Medición de la densidad
La medición de la densidad se llevó acabo por medio de un
ensayo hidrostático, de acuerdo a la norma ASTM 3800-99,
[9] la cual se basa en el principio de Arquímedes, que
establece que cuando un objeto se sumerge total o
parcialmente en un líquido, éste experimenta un empuje
hidrostático Fh hacia arriba igual al peso del líquido
desalojado. Para esta prueba se elaboraron probetas de 25 x
25 mm de las cuales se obtuvo el peso de cada una de ellas
en el aire wprob y el peso de las probetas sumergidas en un
líquido de referencia lb, estas medidas fueron obtenidas
mediante el uso de una balanza analítica, la cual cuenta con
una resolución de 0.0001 gf, adaptada a una máquina de
ensayos universal ver fig. 8.
Fig. 8-arreglo de la balanza y prensa, para la obtención del empuje
hidrostático
Ya con los valores obtenidos del peso de cada una de las
probetas, se obtuvo el empuje hidrostático mediante la ec. 1.
bprobh lwF (1)
Después de obtener el valor del empuje hidrostático, se
obtuvo el volumen de la probeta vprob mediante la ec. 2.
lr
hprob
Fv
(2)
Donde lr es el peso específico del líquido de referencia,
que para este caso fue agua destilada, la cual tiene un peso
específico de 0.9982 gf/cm3 (a 20 °C). Por último, la
densidad del material se obtuvo mediante la ec. 3, los
resultados son mostrados en la tabla 2.
prob
prob
probv
gw (3)
Tabla 2-resultados de las densidades obtenidas.
probeta wprob
(gf) lb
(gf)
Fh
(gf)
lr
(gf/cm3)
Vprob
(cm3)
prob
(g/cm3)
1 8.7799 4.3278 4.4521 1.0000 4.4521 1.9721
2 8.7623 4.2084 4.5539 1.0000 4.5539 1.9241
3 9.0899 4.3616 4.7283 1.0000 4.7283 1.9224
4 8.9923 4.2754 4.7169 1.0000 4.7169 1.9064
5 8.6873 4.2198 4.4675 1.0000 4.4675 1.9446
promedio 8.8623 4.2786 4.5837 1.0000 4.5837 1.9339
Desviación
estándar 0.1704 0.0665 0.1326 0.0000 0.1326 0.0253
Coeficiente
de variación 0.0192 0.0155 0.0289 0.0000 0.0289 0.0131
2.3.2. Obtención de fracciones volumétricas
Estas mediciones se llevaron acabo de acuerdo con la norma
ASTM D 2584-68 [10] y ASTM 2734-09 [11]. El objetivo
de esta prueba es obtener las fracciones volumétricas de cada
constituyente, mediante el método de incineración de resina
(matriz). Para estas pruebas se utilizaron las mismas
muestras utilizadas en la medición de la densidad. Las
probetas previamente encapsuladas en papel aluminio, con
el fin de disminuir el proceso de oxidación de la malla de
acero, fueron introducidas en un horno mufla, a una
temperatura de 500 °C por un lapso de 2 horas, con el fin de
eliminar la matriz del material compuesto, una vez
desintegrada la matriz, se obtuvo el peso de la fibra de vidrio
wf y la malla de acero wacero, el peso de la matriz fue
obtenido mediante la ec. 4.
acerofprobr wwww (4)
Una vez obtenido el peso de los constituyentes y
conociendo las densidades de cada uno, se obtiene el
volumen de la matriz vr, de la fibra de vidrio vf, y de la malla
de acero vacero. La fracción volumétrica de la matriz Vr, de
la fibra de vidrio Vf, y de la malla de acero Vacero, son
obtenidos dividiendo el volumen del constituyente entre el
volumen de la probeta vprob, así mismo la fracción
volumétrica de porosidad se obtiene mediante la ec. 5. En
la tabla 3 se muestran los resultados obtenidos en esta
prueba.
acerofrporosidad VVVV 1 (5)
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Tabla 3-fraciones volumétricas de cada uno de los constituyentes del
compósito.
probeta Vr Vf Vacero Vporosidad
1 67.3417 9.2672 17.9100 5.4810
2 67.1088 8.9101 17.2358 6.7452
3 69.0984 8.7612 16.7154 5.4251
4 67.9571 8.7305 16.7042 6.6081
5 67.8155 8.9105 17.7114 5.5626
promedio 67.8643 8.9159 17.2554 5.9644 Desviación
estándar 0.7710 0.2132 0.5550 0.6538 Coeficiente de
variación 0.0114 0.0239 0.0322 0.1096
2.4. Caracterización mecánica
2.4.1. Pruebas exploratorias de impacto balístico
Para la realización de esta prueba, se seleccionó una placa
de MCH-AVE, de manera aleatoria, el objetivo de esta
prueba es evaluar el comportamiento del MCH-AVE frente
a este tipo de solicitaciones.
La placa de MCH-AVE se sometió a pruebas de impacto
balístico en un hangar de tiro, con proyectiles calibre 7.62 x
51 mm OTAN, este proyectil cuenta con un núcleo de plomo
antimoniado y revestimiento de latón, cuenta con una
geometría ojival y una masa de 9.6 g (ver fig. 9), la velocidad
del proyectil al instante del impacto fue de 832 m/s y la
energía cinética de impacto fue de 3320 J.
Figura. 9-cartucho calibre 7.62X62 mm OTAN
Las pruebas se realizaron conforme a lo estipulado en la
NOM-142-SCFI-2000 [12], la cual establece las
especificaciones para este tipo de pruebas. Fueron
efectuados tres impactos con una separación de 12 cm entre
cada uno de ellos, la distancia entre el cañón del arma y la
placa fue de 15 m ver fig. 10.
Figura. 10-placa de MCH-AVE antes de ser impactada
En la figura 11 se puede observar los tres impactos
efectuados en la placa, y en la cual se observa que, si bien
los tres proyectiles perforaron la placa, la zona dañada por
cada impacto está focalizada en un área muy pequeña, sin
embargo, se observa interacción con el material.
Figura. 11-placa de MCH-AVE después de ser impactada
2.4.2. Pruebas de tensión
Se realizaron pruebas de tensión en probetas del MCH-
AVE, con el fin de obtener su resistencia última. Estas
pruebas se realizaron de acuerdo a la norma ASTM D3039
[13], la cual establece el método estándar para ensayos de
tracción en materiales compuestos de matriz polimérica.
Para este ensayo se obtuvieron probetas de 25 x 250 mm, las
cuales tienen un espesor de 10 mm, en la figura 12 se
muestra la gráfica esfuerzo-deformación obtenida de estas
pruebas.
Fig. 12-gráfica de esfuerzo/deformación del MCH-AVE después de
ser impactada
2.4.3. Caracterización de daño mediante rayos X.
La placa impactada fue analizada mediante rayos X, con el
fin de verificar si se produjo delaminación en el material, sin
embargo, este método arrojo resultados parcialmente útiles,
como se puede apreciar en la fig. 13.
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Figura 13-imagen obtenida de las pruebas de rayos X
2.4.4. Análisis de la sección longitudinal, por contraste de
luz UV.
Para el análisis de la sección longitudinal, mediante
contraste por luz UV, se obtuvieron rebanadas de
aproximadamente 4 mm de espesor en la zona perforada,
estas se colocaron frente a una pantalla de luz ultravioleta,
con el fin de verificar si el impacto ocasiono delaminación
en el material, sin embargo, el material no presenta
delaminación aparente, salvo en una zona muy pequeña
como se puede apreciar en las figs. 14-15.
Figura 14-análisis del daño por contraste de luz UV
Figura 15-delaminación en la zona de impacto
2.4.5. Evaluación de la eficiencia del MCH-AVE, para
disipar energía
De acuerdo a los trabajos realizados por Nunes et al, en el
2004 [14], se establece una relación entre el área del cráter
y el comportamiento del material frente a impactos
balísticos (isotrópico o anisotrópico), para lo cual utilizo la
relación de Feret y el factor de circularidad, el cual está
definido por la ec. 6, siendo A, el área del cráter y Fmax la
longitud máxima del cráter
2
4
F
ArcularidadFactordeci
(6)
Así mismo, la relación de Feret está dada por la ecuación
7, donde Fmin es la longitud mínima del cráter y Fmax es la
longitud máxima del cráter ver fig. 16.
max
min
F
FrmaFactordefo (7)
Figura 16- Parámetro de tamaños medidos para la caracterización de
cráteres
En ambas ecuaciones a medida que el resultado se
aproxima a 1 se considera que el material exhibe un
comportamiento isotrópico y entre más se aproxima a 0 se
considera que exhibe un comportamiento anisotrópico. Por
tanto, si el material presenta un comportamiento isotrópico
esto es un indicativo que la distribución de cargas es más
uniforme y por tanto absorbe de una forma más efectiva la
energía del impacto.
Así mismo Nunes et al, [14], también establecen la
relación que existe entre el área del cráter de entrada y de
salida del proyectil, ya que con dichos factores encontraron
que a medida que el área de entrada es más pequeña, el daño
en el material es menor, y a medida que el área del cráter de
salida crece con respecto al área del cráter de entrada del
proyectil, va a existir una mejor absorción de energía del
material.
Para este análisis se obtuvo la medición del área dañada
tanto de entrada como de salida del proyectil ver figs. 17(a)-
17(f), estas medidas se obtuvieron mediante el uso de un
software de uso libre (ImageJ).
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Figura 17-(a) cráter de entrada del impacto 1; (b) cráter de salida del
impacto 1; (c) cráter de entrada del impacto 2; (d) cráter de salida del
impacto 2; (e) cráter de entrada del impacto 3; (f) cráter de salida del
impacto 3
Los resultados obtenidos del análisis de las áreas dañadas,
se muestran en las tablas 4 y 5, y de acuerdo a estos
resultados se puede establecer que el MCH-AVE, exhibe un
comportamiento isotrópico, ya que tanto la relación de Feret
como el factor de circularidad arrojan resultados muy
próximos a 1.
Tabla 4-relación de Feret de cada impacto
Tabla 5-resultados del factor de circularidad y relación de áreas de
cada impacto
IMPACTO Entrada/salida Factor de
circularidad
Relación de
áreas
1 Entrada 0.8524
1.9221 Salida 0.8207
2 Entrada 0.9004
2.1955 Salida 0.8761
3 Entrada 0.7989
2.1200 Salida 0.7992
3. Conclusiones
Con base en los resultados obtenidos en cada una de las
pruebas, se puede concluir que las placas obtenidas a partir
del MCH-AVE, son potencialmente viables para ser
utilizadas como placa soporte en un sistema de protección
mixto, como se puede observar en los resultados, este
material cuenta con buena tolerancia al daño, buena
tenacidad ya que presenta una gran área bajo la curva
esfuerzo-deformación, las zonas dañadas son focalizadas, lo
que indica que puede recibir varios impactos sin que su
capacidad de protección se vea afectada de manera
considerable, su tendencia a la delaminación es mínima, así
mismo el MCH-AVE, presenta un comportamiento quasi-
isotrópico frente a impactos de alta velocidad como se puede
observar en las tablas 4 y 5, lo que indica que la distribución
de la carga es aproximadamente uniforme, por tanto absorbe
la energía de impacto de una forma eficiente, por último, de
acuerdo a los resultados que se muestran en la tabla 2, este
material presenta una baja densidad, factor importante, en
materiales destinados a aplicaciones aeronáuticas.
REFERENCIAS
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[5] H. Ortiz, documento en redacción.
IMPACTO Entrada/sali
da
Fmax Fmin Relación
de Feret (mm) (mm)
1 Entrada 26.2560 23.1270 0.8808
Salida 37.0990 30.4270 0.8202
2 Entrada 27.4990 24.7740 0.9009
Salida 41.3080 37.1280 0.8988
3 Entrada 28.9160 23.4490 0.8109
Salida 42.0940 36.3640 0.8639
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