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MEMORIAS DEL XXVII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE DE 2021 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
Tema A2a Materiales: Tratamientos termoquímicos en materiales cerámicos.
“Cementante de grafito en fibras cerámicas para aumentar la resistencia al impacto.”
Angel Ricardo González-Rangel1, Juan Manuel Hernández-Calderón2
Universidad del Valle de México, Campus Hispano. Coacalco, Edo. De México.
Contacto: [email protected] [email protected]
R E S U M E N
En este trabajo se presenta el análisis y evaluación balística de una probeta denominada PBC1, conformada por una
matriz epoxi con refuerzos de fibra cerámica tratada termoquímicamente. La probeta se fabricó compactando 10 capas
de fibra cerámica, con ayuda de una prensa mecánica diseñada específicamente para la laminación del material
compuesto, impregnadas de resina epoxi. Se realizaron pruebas mecánicas y balísticas estandarizadas para su
evaluación balística tales como la curva característica esfuerzo deformación, trauma corporal, resistencia a la fatiga y
nivel balístico NIJ-STD-0101.06. Se efectúo también un análisis de la respuesta de las probetas, demostrando la
efectividad del tratamiento termoquímico a base de grafito aumentando considerablemente la resistencia al impacto y
su respuesta en función al trauma corporal. Las propiedades mecánicas resultantes en las probetas suponen en una
primera instancia su posible uso como un sistema de protección balística corporal.
Palabras Clave: Grafito, Materiales Compuestos, Tratamientos Termoquímicos, Materiales Balísticos, Blindaje, Protección Balística.
A B S T R A C T
This work presents the ballistic analysis and evaluation of a test piece called PBC1, made up of an epoxy matrix with
thermochemically treated ceramic fiber reinforcements. The specimen was manufactured by compacting 10 layers of
ceramic fiber with the help of a mechanical press specifically designed for laminating the composite material,
impregnated with epoxy resin. Standardized mechanical and ballistic tests were performed for ballistic evaluation such
as the stress-strain characteristic curve, body trauma, fatigue resistance, and NIJ-STD-0101.06 ballistic level. An
analysis of the response of the test tubes was also carried out, demonstrating the effectiveness of the thermochemical
treatment based on graphite, considerably increasing the resistance to impact and its response as a function of body
trauma. The resulting mechanical properties of the test tubes initially suppose their possible use as a body ballistic
protection system.
Key Words: Graphite, Composite Materials, Thermochemical Treatments, Ballistic Materials, Shielding, Ballistic Protection.
1. Introducción
En la actualidad la ciencia de materiales concentra gran
parte de sus investigaciones en el desarrollo de materiales
con propiedades mecánicas cada vez mejores, desde el
desarrollo de aleaciones especiales con respuesta tanto
mecánica como magnética, hasta el estudio y
manufactura de materiales compuestos de fibras
cerámicas con diversas aplicaciones [1, 2]. Uno de los
problemas de mayor interés en la ingeniería moderna, por
sus implicaciones prácticas, es cuantificar la respuesta de
un material sometido a muy diversas acciones externas
(fuerzas de contacto principalmente). El impacto
balístico representa un problema especial y de gran
interés en la actualidad ya que es una fuente de desarrollo
de materiales, principalmente compuestos, resistentes al
impacto de proyectiles de diversos calibres. El impacto
balístico es un fenómeno que se refiere a la colisión de
un proyectil a alta velocidad sobre una masa. El estudio
de este fenómeno impone en la actualidad muy diversos
retos, el principal es que para el desarrollo de pruebas
balísticas se requiere del uso de armas de fuego de varios
calibres, y los permisos para poseer un arma de fuego
generalmente son difíciles de conseguir, por lo cual se
hace necesario recurrir al apoyo de personal ya sea de
gobierno o del sector privado que poseen los permisos
ISSN 2448-5551 MM 140 Derechos Reservados © 2021, SOMIM
MEMORIAS DEL XXVII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE DE 2021 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
correspondientes. Esto genera un alto costo sumado al
hecho de que la realización de pruebas está supeditada a
los tiempos y disposición de quienes ostentan dichos
permisos.
Esto ha generado que el estudio de este fenómeno se
pueda efectuar por dos caminos posibles; el análisis
numérico del comportamiento del material mediante el
uso de un software especializado y el desarrollo de
pruebas experimentales controladas en campos de tiro
certificados o en presencia de personal de seguridad del
gobierno. En años recientes se han realizado una gran
variedad estudios experimentales de materiales
principalmente compuestos. En [3] se realizan pruebas
sobre materiales de fibra cerámica y se hace un
comparativo con material como el acero y aluminio
principalmente. La ventaja principal de los compuestos
cerámicos es que suelen ser de una baja densidad en
comparación con el acero, pero de menor resistencia al
impacto. Otros estudios están enfocados a analizar tanto
la penetración como la fragmentación de proyectiles en
aluminios de espesor pequeño (0.05-0.25 pulgadas) y
aceros SAE 1020 y 4130 [4] Desde hace algunos años la
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de
la unidad Ticomán (ESIME UP Ticomán) ha
desarrollado una serie de trabajos relacionados con la
manufactura y caracterización de materiales compuestos
híbridos. Morales [5] y Ortiz [6], desarrollaron y
evaluaron placas de material compuesto híbrido
denominado AVE y MCH-AVE (Material Compuesto
Híbrido de Acero, fibra de Vidrio y resina Epóxica),
destacando la resistencia al impacto, pero a bajas
velocidades, buena tolerancia al daño y alta resistencia a
la delaminación. Recientemente, la Universidad del Valle
de México (UVM) división de Ingeniería mecánica
comenzó con el estudio, manufactura y análisis de
propiedades mecánicas de un material compuesto.
González y Hernández [2] analizaron la respuesta al
impacto en probetas de material denominado MC-AMS1
conformado por una matriz epóxica y fibra cerámica
comercial tratada termoquímicamente, con una película
superficial de carbono. Concentrándose principalmente
en la penetración, fragmentación y análisis de trauma
corporal generado por diversos calibres de proyectiles
(balas). Por otro lado, numerosas investigaciones se
realizan en el campo del análisis numérico y
simulaciones. Esto debido principalmente a lo complejas
que pueden llegar a ser las pruebas experimentales. El
uso de software como ABAQUS y LS-DYNA
proporciona técnicas precisas de análisis que suponen un
conto menor que las pruebas experimentales.
Recientemente, Kumar y Deep [7] realizaron una serie de
simulaciones de impacto balístico en acero (IS2062:
2006 GR E410W A), implementando el modelo conocido
como Continuum Damage Mechanics en ABAQUS,
concentrándose en la predicción del inicio de fractura.
También, Wang et al [8] recurren al análisis numérico y
el modelado por elemento finito para analizar la
influencia del tipo de engarzado en tejidos lisos en el
comportamiento bajo impacto balístico.
2. Proceso termoquímico experimental.
2.1. Fibra cerámica
En el presente trabajo se utilizó una fibra mineral
elaborada a partir de sílice, cal, alúmina y magnesita de
uso industrial tipo E. En la tabla 1 se muestran los
porcentajes en peso de sus principales componentes. Este
tipo de fibra con tejido de canasta bidireccional es el más
empleado en procesos industriales, se caracteriza por sus
propiedades dieléctricas y representa el 90% de refuerzo
para compositos. [2].
Tabla 1 – Composición química de la fibra cerámica. [2].
Óxidos Fibra cerámica
tipo E
SiO2 55,0
Al2O3 14,0
TiO2 0,2
B2O3
CaO
MgO
Na2O
K2O
7,0
22,0
1,0
0,5
0,3
Dicha fibra cerámica presenta las siguientes
propiedades mecánicas.
Tabla 2 – Propiedades mecánicas de la fibra cerámica. [2].
Tensión de
rotura
(MPa)
Esfuerzo de compresión
(MPa)
Densidad
(g/cm3)
Temperatura de
ablandamiento
(°C)
3445 1080 2.58 846
2.2. Cementante de grafito
El grafito es un mineral puro que contiene de 98-99 % de
carbono con un tamaño de escama de 106 a 53 µm, bajo
o libre de minerales abrasivos (cuarzo y feldespato) y
sulfuros de metales.
En su composición concreta interviene un elemento
semimetálico. Su estructura laminar está compuesta de
átomos de carbono que forman una red hexagonal. [2]
ISSN 2448-5551 MM 141 Derechos Reservados © 2021, SOMIM
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El presente trabajo se realizó bajo en el procedimiento
descrito en [2]. Para la extracción del cementante de
grafito.
Figura 1- Cementante de grafito extraido
2.3. Tratamiento termoquímico
Se realizó una cementación en la superficie de la fibra
cerámica tipo E con el cementante de grafito extraído,
con la finalidad de aumentar la dureza superficial del
material, realizando una concentración de carbono en la
superficie [2].
Esto supone no sólo cambios en la estructura del material,
sino también se producen cambios en la composición
química de la capa superficial debido a la cementación en
el material.
3. Material compuesto “MC-AMS1”
Con la fibra cerámica tratada termoquímicamente, con
ayuda de una prensa mecánica diseñada específicamente
para laminación, se manufacturó un material compuesto
rígido de matriz epoxi mezclada manualmente y 10 capas
unidireccionales del material cerámico tratado
termoquímicamente, el procedimiento se encuentra
descrito en [2].
Se realizó una prueba de tracción con probetas
estandarizadas del material MC-AMS1, obteniendo un
esfuerzo de ruptura de 687.5 kgf/cm2.
,
}
Figura 2 curva característica Esfuerzo-Deformación del material
“MC-AMS1”.
4. Sistema de protección balística corporal
4.1. Configuración de la probeta “PBC1”
Con el material compuesto “MC-AMS1” y el material
cerámico tratado termoquímicamente se diseñó la
configuración de una probeta utilizada como placa de
protección balística corporal hibrida de material rígido y
suave, denominada PBC1.
Se fabricaron probetas hibridas de 10 x 10 cm, cuya
configuración se muestra en la tabla 3. Sobre dichas
probetas, configuradas como sistema de protección
balística corporal, se realizaron pruebas de impacto en un
ambiente controlado. Dichas pruebas se describen en la
sección 5.1.
Tabla 3 – Composición física de la probeta “PBC1”.
Elemento Cantidad de capas
Anti-fragmentación 2 (f. cerámica)
Placa central rígida 10 (f. cerámica)
Anti-fragmentación 2 (f. cerámica)
Placa central rígida
Sistema anti-trauma
10 (f. cerámica)
1 (poliuretano)
La probeta PBC1 está compuesta por 24 capas de fibra
cerámica tratadas termoquímicamente y una capa de
poliuretano de baja densidad.
Donde 2 capas de tejido termoquímicamente tratado
cuya función principal es la de reducir la velocidad del
proyectil y evitar la fragmentación de la bala en el
exterior, una placa central rígida reductora, de material
compuesto “MC-AMS1”, conformada por 10 capas
laminadas con matriz epoxi que cumple la función de
absorber y dispersar la energía cinética del proyectil,
parándolo y/o deformándolo para disminuir su nivel de
penetración.
Además, 2 capas de tejido tratada termoquímicamente la
cual cumple la función de reducción de velocidad del
proyectil y evita el paso de esquirlas a la siguiente placa,
una placa central rígida, de material compuesto “MC-
AMS1” conformada por 10 capas laminadas con matriz
epoxi, que tiene como función principal detener el
proyectil, absorber y dispersar su energía cinética.
Y finalmente, una capa suave de poliuretano de baja
densidad, absorbe y dispersa la energía cinética restante
trasmitida por el proyectil al cuerpo humano,
funcionando como sistema anti trauma. Ver Fig. 3
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..... Fibra cerámica tratada …. Compuesto MC-AMS1
…. Espuma de poliuretano
Figura 3 configuración de la probeta “PBC1”
4.2. Configuración de la probeta “PBC2”
Se fabricó, además, una probeta hibrida de 10 x 10 cm de
material cerámico, con la misma configuración que la
probeta PBC1, pero ésta sin tratamiento termoquímico,
con la finalidad de determinar si el tratamiento
termoquímico es un factor determinante para la alta
resistencia del material.
4.3. Configuración de la probeta de Kevlar
Finalmente, se fabricó una probeta de 10 x 10 cm de
Kevlar laminado comercial que consta de 11 capas y
matriz de poliuretano, en configuración como sistema de
protección balística corporal. Ver Fig. 4
..... Poliuretano …. Kevlar
Figura 4. Configuración de la probeta con Kevlar
5. Test balístico
Se realizaron pruebas balísticas estandarizadas bajo las
normas NOM-166-SCFI-2005 y NIJ-STD-0101.06, a
una distancia establecida de 5 metros entre la boca del
cañón y la probeta. Ver Fig.5.
Figura 5 Configuración del test balístico bajo la norma NIJ-STD-
0101.06.
5.1. Test en probeta “PBC1”
Se realizaron pruebas balísticas, utilizando un material
testigo para medir el trauma corporal y un accesorio de
soporte según lo establecido en cada norma.
Las pruebas se efectuaron considerando los ángulos
de incidencia de 0° y 30° establecidos por las normas, con
las siguientes armas de fuego semiautomáticas:
COLT, modelo “1911”, calibre .45 acp.
PIETRO BERETTA, modelo “PX4 STROM”,
calibre 9X19 mm.
CESKA ZBROJOVKA, modelo “P07”, calibre
.380” auto.
En las tablas 4a, 4b y 4c se presentan los cartuchos
utilizados en el test y sus características.
Tabla 4a – Cartucho utilizado 1.
Calibre .45 acp
Tipo: FMJ RN
Energía: 345 ft/lb
Masa: 230 granos
Marca: Águila Ammunition
Tabla 4b – Cartucho utilizado 2.
Calibre 9x19 mm
Tipo: FMJ RN
Energía: 338 ft/lb
Masa: 115 granos
Marca: Águila Ammunition
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Tabla 4c – Cartucho utilizado 3.
Calibre .380” auto
Tipo: FMJ FN
Energía: 188 ft/lb
Masa: 100 granos
Marca: Águila Ammunition
Una vez efectuados los impactos en las probetas como
lo estipulan las normas se obtuvieron registros de datos
importantes para la evaluación balística del material que
se presentan a continuación.
Balística de efecto: impacto con calibre .45 acp.
Después de realizar la prueba de impacto a 0° y 30° de
incidencia con cartuchos de calibre .45 acp en la probeta
“PBC1” se registró una penetración del proyectil en 2
capas blandas anti-fragmentación, deteniéndose en la
cara de la placa central rígida reductora del material
compuesto “MC-AMS1”. En la figura 6 se muestran los
impactos sobre dicha probeta
Figura 6– Ojivas calibre .45 acp en parada sobre la cara frontal
del material compuesto “MC-AMS1”
Después de una inspección de la probeta, se pudo
constatar que el proyectil no logro penetrar la placa de
material compuesto MC-AMS1, además de que éste no
presenta indicios de delaminación, sin embargo, se puede
observar una mínima deformación plástica y desgaste
superficial en la zona de impacto a causa de la energía
cinética trasmitida por el proyectil. Ver Fig.7.
Figura 7– Desgaste superficial en el material compuesto “MC-
AMS1” causado por los impactos con calibre .45 acp.
Se pudo constatar que las ojivas sufrieron una
importante deformación plástica, lo cual disminuyó su
nivel de penetración, logrando detener por completo su
avance en la placa del material compuesto “MC-AMS1”,
debido a la rápida disipación de energía cinética a lo largo
y ancho de la probeta, lo cual es una excelente propiedad
mecánica en función al trauma corporal y resistencia a la
fatiga del material compuesto.
Balística de efecto: impacto con calibre 9x19mm.
Se realizaron pruebas de impacto con ángulos de
incidencia de 0° y 30° en la probeta “PBC1” con
cartuchos de calibre 9x19 mm y se registró una
penetración del proyectil en 2 capas blandas anti-
fragmentación y en la placa central rígida reductora del
material compuesto “MC-AMS1” deteniéndose en su
interior. Ver Fig. 8
.45 acp
Incidencia de 0°
.45 acp
Incidencia de 30°
.45 acp
Incidencia de 0°
.45 acp
Incidencia de 30°
ISSN 2448-5551 MM 144 Derechos Reservados © 2021, SOMIM
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Fig. 8 – Impactos de Ojivas calibre .45 acp sobre la cara frontal del
material compuesto “MC-AMS1”
Después de una inspección de la probeta, se pudo
constatar que el proyectil logro penetrar parcialmente la
placa del material compuesto MC-AMS1 antes de
detenerse. El impacto no ocasionó delaminación en la
placa del material, sin embargo, en la cara dorsal se
registró una deformación de hongo, conocida así en el
argot balístico, esto a causa de la energía cinética
trasmitida por el proyectil. Ver Fig.9
Figura 9 – Deformación a causa del impacto de proyectiles de
calibre 9x19mm en la cara dorsal del material “MC-AMS1”.
Además, se pudo constatar que la ojiva sufrió una
importante deformación plástica, disminuyendo su nivel
de penetración y se detuvo en el interior de la placa del
material compuesto, debido a la rápida disipación de
energía cinética a lo largo y ancho de la probeta.
Balística de efecto: impacto con calibre .380” auto.
De igual manera, se realizaron pruebas de impacto como
ángulos de incidencia de 0° y 30° con cartuchos de
calibre .380” auto en la probeta “PBC1”. En dicha
probeta se pudo constatar que el proyectil ocasionó una
penetración bastante evidente en 2 capas blandas anti-
fragmentación. Sin embargo, el proyectil se detuvo en la
cara de la placa central rígida reductora del material
compuesto “MC-AMS1”.
Después de una inspección, se verificó que la placa
del material compuesto MC-AMS1 no registró señales de
delaminación, sin embargo, si registró una mínima
deformación plástica y desgaste superficial en la zona de
impacto a causa de la energía cinética trasmitida por el
proyectil. Ver Fig.10 y Fig.11
Figura 10 – Ojivas calibre .380” auto en parada sobre la cara
frontal del material compuesto “MC-AMS1”
Figura 11 – Desgaste superficial en el material compuesto “MC-
AMS1” causado por los impactos con calibre .380” auto.
En cuanto a las ojivas, se pudo documentar que
sufrieron una importante deformación plástica,
disminuyendo con esto su nivel de penetración.
5.2. Test en probeta “PBC2”
Se realizaron pruebas balísticas, utilizando un material
testigo para medir el trauma corporal y un accesorio de
soporte según lo establecido en cada norma.
Las pruebas se efectuaron considerando los ángulos
de incidencia de 0° y 30° con la siguiente arma de fuego
semiautomática:
CESKA ZBROJOVKA, modelo “P07”, calibre
.380” auto.
Y en la tabla 4c se presentan las características
comerciales del cartucho utilizado en el test.
.9x19 mm
Incidencia de 0°
.9x19 mm
Incidencia de 30°
.380” auto
Incidencia de 0°
.380” auto
Incidencia de 0°
.380” auto
Incidencia de 30°
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Una vez efectuados los impactos en la probeta como
lo estipulan las normas se obtuvieron registros de datos
importantes para la evaluación balística del material los
cuales se presentan a continuación.
Balística de efecto: impacto con calibre .380” auto.
Después de realizar la prueba de impacto a 0° y 30° de
incidencia con cartuchos de calibre .380 auto en la
probeta “PBC2” en los impactos a 30° se registró
penetración del proyectil en 2 capas blandas anti-
fragmentación y en la placa central rígida reductora
deteniéndose en su interior.
En cuanto al impacto a 0° se registró una penetración en
2 capas blandas anti-fragmentación, deteniéndose en la
cara de la placa central rígida reductora. En la figura 12
se muestran los impactos sobre dicha probeta
Figura 12 – Cara de la placa central rígida reductora después del
test balístico con calibre .380” auto.
Después de una inspección de la probeta, se pudo
constatar que el proyectil impactado a 0° de incidencia
no logro penetrar la placa central rígida, presentando
únicamente ligera ruptura de las fibras. Sin embargo, en
el caso de 30° es evidente el proceso de delaminación,
deformación plástica, desgaste y ruptura de fibras en la
zona de impacto a causa del impacto del proyectil y de la
energía cinética trasmitida por el mismo. Ver Fig.13.
Figura 13– Penetraciones y desgaste superficial en la placa central
rígida reductora causado por los impactos con calibre .380” auto.
En cuanto a las ojivas, sufrieron una importante
deformación plástica, disminuyendo su nivel de
penetración, sin embargo, ocasionando un gran daño en
la placa central.
5.3. Test en Kevlar de 11 capas.
Para el caso de las probetas con Kevlar, las pruebas de
impacto balístico fueron realizadas con ángulos de
incidencia de 0° y 30°.
Con un arma de fuego semiautomática:
CESKA ZBROJOVKA, modelo “P07”, calibre
.380” auto.
Y en la tabla 4c se presentan las características
comerciales del cartucho utilizado en el test.
Una vez efectuados los impactos en la probeta como
lo estipulan las normas se obtuvieron registros de datos
importantes para la evaluación balística del material, los
cuales se presentan a continuación.
Balística de efecto: impacto con calibre .380” auto.
Después de realizar la prueba de impacto a 0° y 30° de
incidencia con cartuchos de calibre .380” auto en la
probeta de “Kevlar de 11 capas” se pudo verificar la
penetración total de los proyectiles en la cara frontal de
la probeta, deteniéndose en su interior. El proyectil logro
penetrar parcialmente la probeta de “Kevlar de 11 capas”
antes de detenerse, el impacto no registró delaminación
en la probeta. Sin embargo, se registró el deshilachado en
la orilla cercana al impacto y en la cara dorsal se originó
una deformación de hongo a causa de la energía cinética
trasmitida por el proyectil. Ver Fig.14 y Fig.15
.380” auto
Incidencia de 30°
.380” auto
Incidencia de 30°
.380” auto
Incidencia de 0°
.380” auto
Incidencia de 30°
.380” auto
Incidencia de 30°
.380” auto
Incidencia de 0°
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Figura 14– Ojivas calibre .380” auto en parada sobre la probeta de
“Kevlar de 11 capas”
Figura 15 – Deformación a causa del impacto de proyectiles de
calibre 9x19mm en la cara dorsal de la probeta de “Kevlar”
6. Trauma corporal
Aun portando un sistema de protección balística corporal,
el cuerpo recibe una gran cantidad de energía cinética
trasmitida por el proyectil que tiene que dispersarse a lo
largo y ancho del material balístico. Cuanto más rápido
se disperse esta energía, es menor el trauma que recibe el
usuario en su cuerpo [2]. El impacto de un proyectil en el
cuerpo humano produce una cavidad temporal en el
tejido y causa un gran daño, incluso cuando se evita la
penetración con un sistema de protección balística
corporal.
En analogía a la reverberación de una gota de agua
sobre un estanque, es de especial importancia diseñar
materiales balísticos que absorban y dispersen las fuerzas
causadas por el choque del proyectil y así evitar daños en
los tejidos vivos adyacentes.
Los niveles de trauma se miden con un material testigo
bajo condiciones específicas, donde se registra un
ahondamiento producido por el impacto del proyectil.
Ver Fig. 16.
Figura 16 – Medición de la magnitud del trauma corporal.
Para todos los niveles de protección, la profundidad
de ahondamiento máximo en el material testigo a
consecuencia del impacto balístico permitido por el NIJ,
es de 44 mm (trauma máximo) [10].
Durante las pruebas desarrolladas en el presente trabajo
se colocó cada probeta de material balístico delante del
material testigo, con la finalidad de poder medir
perfectamente el ahondamiento del trauma una vez
realizadas las pruebas y tener un registro de la magnitud
de la cavidad temporal ocasionada por la energía cinética
del proyectil al impactar en las probetas “PBC1”,
“PBC2” y en la probeta de “Kevlar de 11 capas”.
Figura 17 – Registro de ahondamiento en material testigo.
.380” auto
Incidencia de 30°
.380” auto
Incidencia de 0°
.380” auto
Incidencia de 30°
.380” auto
Incidencia de 0°
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6.1. Análisis del trauma corporal
A continuación, en las figuras 17a, 17b y 17c, se
muestran los datos registrados en milímetros sobre el
material testigo después de realizar los test balísticos en
cada una de las probetas con cartuchos de calibre .380”
auto.
Figura 18a. - Trauma en probeta PBC1 en comparación con lo
permitido por la norma
Figura 18b. - Trauma en probeta PBC2 en comparación con lo
permitido por la norma.
Figura 18c . - Trauma en probeta de Kevlar en comparación con lo
permitido por la norma
Con el diseño de la probeta “PBC1” propuesta en el
presente trabajo se logró reducir significativamente el
trauma corporal máximo permitido por la norma NIJ-
STD-0101.06, con impactos de calibre .380” auto.
Se redujo el 97.6% con un ángulo de incidencia de 0°
y el 71.1% con un ángulo de incidencia de 30°.
Para el caso de la probeta de “PBC2” se logró reducir la
magnitud del trauma corporal en un 78.5% con un ángulo
de incidencia de 0° y en un 56.2% con un ángulo de
incidencia de 30° respecto al máximo permitido por la
norma NIJ-STD-0101.06.
Finalmente, en la probeta de Kevlar comercial de 11
capas, “material balístico más usado en el mundo”, se
logró reducir la magnitud del trauma corporal en un
46.8% con un ángulo de incidencia de 0° y en un 31.3%
con un ángulo de incidencia de 30° del trauma respecto
al máximo permitido por la norma NIJ-STD-0101.06.
7. Efectividad del TTQ en fibras cerámicas
“Cementante de Grafito”
La cementación tiene por objeto endurecer la superficie,
modificar su estructura y su composición química de un
material sin modificar su núcleo.
En el presente trabajo se realizó una cementación en
fibras cerámicas para aumentar su resistencia al impacto
principalmente. Se fabricaron 2 probetas configuradas
como sistemas de protección balística, en las cuales se
efectuaron pruebas bajo los estándares internacionales de
la “NIJ-STD-0101.06”.
La probeta denominada “PBC1” se fabricó con
material tratado con el cementante de grafito, mientras
que en la denominada “PBC2” no se realizó dicho
tratamiento.
A continuación, se muestran los resultados de los test
balísticos realizados.
7.1. Resistencia al impacto
Después de las pruebas balísticas realizadas con calibre
.380” auto en las probetas “PBC1” y “PBC2”, se pudo
registrar que el tratamiento termoquímico “cementante
de grafito” aumento la resistencia al impacto, a la
penetración y a el desgaste superficial en las fibras
cerámicas tratadas y al composito que se realizó con
dicho material tratado.
1 12.7
44
0
10
20
30
40
50
.380" auto
0° 30° MAX NIJ
9.419.25
44
0
10
20
30
40
50
.380" auto
0° 30° MAX NIJ
23.430.2
44
0
10
20
30
40
50
.380" auto
0° 30° MAX NIJ
mm
mm
mm
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MEMORIAS DEL XXVII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE DE 2021 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
En la figura 18 se puede observar que la probeta
denominada “PBC1” no presentó penetración del
proyectil y se registró un mínimo desgaste superficial y
mínima deformación plástica, mientras que en la probeta
denominada “PBC2” la penetración del proyectil alcanzó
de 2 de las capas y se observa un alto desgaste superficial,
rompimiento de fibras y delaminación.
Figura 19 – Placas centrales rígidas reductoras de las probetas
después del embate de los proyectiles del test con calibre .380 auto
7.2. Análisis energético
Aun portando una armadura corporal antibalas, el cuerpo
recibe una gran cantidad de energía cinética trasmitida
por el proyectil, dicha energía está en función de la masa
y la velocidad y está dada en la ecuación siguiente:
𝐸𝐾 =1
2𝑚 ∗ 𝑣2
Por lo cual, si se desea obtener una primera estimación
del comportamiento energético es preciso que, durante
los test balísticos, y bajo las condiciones específicas de
cada norma, se registre el valor de las velocidades de
¨hocico¨ de cada uno de los proyectiles.
Dichos valores y se registran en la tabla 7, así como
también las estimaciones de la energía cinética de cada
uno de los proyectiles utilizados en el presente trabajo.
Tabla 5 – Velocidades de hocico registradas con cronógrafo balístico.
.45 acp 9x19 mm .380” auto
830 fps 1150 fps 985 fps
Energía cinética de los proyectiles.
.45 acp 9x19 mm .380” auto
478.40676 Joules
459.20521 Joules
269.6354 Joules
De los datos presentados en la tabla anterior, es evidente
que para el caso del proyectil de calibre .380” auto la
energía cinética es considerablemente menor en relación
a la presentada por los otros dos calibres. Esto supone en
principio que el proyectil de calibre.380 auto genera un
trauma, en el material testigo, menor al ocasionado por
los otros dos proyectiles. Dado que en el presente trabajo
no se muestra el trauma generado por los proyectiles de
calibre .45 y 9x19, se dejará para un trabajo posterior
verificar la validez de dicha suposición
8. Conclusiones
Son dos los aspectos fundamentales a destacar en el
presente trabajo.
Primero, se ha podido constatar que el uso de un
tratamiento termoquímico, como el descrito en [2], en
materiales para uso balístico supone una mejora en las
propiedades mecánicas, específicamente en la mejor
disipación de energía y esfuerzos, lo cual se traduce en
una reducción significativa en el trauma corporal
generado, como se puede verificar en las tablas 17a, 17b
y 17c.
Si en principio se asume que una mejor disipación de la
energía una vez que el proyectil impacta la probeta
supone una disminución en el valor total del trauma
generado, se puede establecer, entonces, que de las
pruebas balísticas realizadas con calibre .380” auto en las
probetas “PBC1” y “PBC2”, se verifica que el
tratamiento termoquímico “cementante de grafito”
mejoró la respuesta a la energía trasmitida por el
proyectil, de la probeta “PBC1” donde se redujo
significativamente el trauma corporal gracias a la
absorción y dispersión de energía cinética en menor
tiempo a lo largo y ancho del material.
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Y segundo, se ha podido constar que el material más
ampliamente utilizado como protector balístico, Kevlar,
presenta una menor resistencia y pobre disipación del
impacto, lo cual se traduce en un alto valor del trauma
generado. Es importante resaltar, que incluso una probeta
de material no tratado termoquímicamente, el
denominado PBC2, presenta una mejor respuesta y
valores de trauma corporal menores a los obtenidos con
Kevlar.
De esto se puede establecer que tanto la configuración
PBC1 y PBC2 son opciones muy viables para su uso
como protectores corporales, si se toma como factor
determinante el trauma generado. Estando muy por
encima del material más ampliamente utilizado
actualmente.
Finalmente, es importante resaltar que como trabajo
posterior queda realizar las pruebas y medición de trauma
generado en los materiales utilizados en este trabajo, pero
con los calibres .45acp y 9x19 mm y su respectiva
comparación con el generado por el proyectil de calibre
.380 auto.
Agradecimientos
Los autores agradecen a Onna Bugeisha, a la familia
Ramírez Vázquez y al Dr. Felipe Ramírez Vázquez
por el apoyo para la obtención de los resultados de la
investigación y a la Universidad del Valle de México por
las facilidades.
Si vis pacem para bellum
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