Cerâmicas balísticas de alumina com adições de nitreto de silício : aprimoramento da relação resistência à flexão / densidade

Abstract

Neste estudo, composições de alumina (Al2O3) e nitreto de silício (Si3N4) foram investigadas para possível aplicação como cerâmicas balísticas. As cerâmicas apresentam dureza e resistência para suportar o impacto balístico, aliado a baixa densidade. Dentre as cerâmicas avançadas, a alumina é uma das mais utilizadas em blindagens balísticas, possui boas propriedades mecânicas e uma ótima relação custo-benefício. Entretanto sua densidade relativamente elevada pode ser um fator crítico. Por outro lado, o nitreto de silício possui características muito interessantes para aplicações balísticas, elevadas propriedades mecânicas, baixa densidade e resistência ao choque térmico. O grande limitador das blindagens balísticas é o seu peso. Dessa forma, o desenvolvimento de novos materiais de blindagem foca na redução seu peso sem perda de desempenho ou melhorando a proteção com peso reduzido. Este estudo compreende composições de alumina com teores de 5, 10 e 15% em massa de nitreto de silício a fim de comparar suas propriedades, bem como dureza, resistência mecânica e tenacidade à fratura, com a finalidade de obter uma boa relação resistência à flexão versus densidade que permita seu uso como cerâmica balística. As cerâmicas foram moldadas por prensagem uniaxial e sinterizadas a 1600 °C. Foram realizadas análises para determinar retração, densidade, absorção de água e perda de massa das amostras, bem como dureza, resistência mecânica e tenacidade à fratura. As amostras produzidas contendo na sua formulação Si3N4 exibiram no interior de seu volume um aspecto muito diferente de sua superfície externa. A análise de difração de raios X mostrou que toda a composição apresentou duas fases, alumina e mulita, com exceção do interior da composição de 15% em massa, que apresentava quatro fases: alumina, mulita, nitreto de silício e X-SiAlON. Amostras com teor de 10% em massa de nitreto de silício apresentaram os melhores resultados de resistência à flexão (101,08 MPa), superior à de todas as outras amostras. Além disso, esta amostra alcançou uma densidade cerca de 21% (3,05 g/cm3) menor que a das amostras de controle, fornecendo a melhor relação resistência à flexão/densidade, cerca de 53% maior que a da alumina pura. Portanto, essas cerâmicas apresentam um grande potencial em aplicações avançadas em blindagens balísticas.

In this study, compositions of alumina (Al2O3) and silicon nitride (Si3N4) were investigated for possible application as ballistic ceramics. The ceramics are hard and resistant to withstand ballistic impact, combined with low density. Among advanced ceramics, alumina is one of the most used in ballistic armors, has good mechanical properties and an excellent cost-benefit ratio. However, its relatively high density can be a critical factor. On the other rand, silicon nitride has very interesting characteristics for ballistic applications, high mechanical properties, low density and thermal shock resistance. The great limitation of ballistic armors is their weight. In this way, the development of new armor materials focuses on reducing weight without losing performance or improving protections with reduced weight. This study comprises alumina compositions with 5, 10 and 15 wt% of silicon nitride in order to compare their properties, as well as hardness, mechanical strength and fracture toughness, for the purpose to obtain a good flexural strength versus density ratio that allows its use as ballistic ceramic. The ceramics were molded by uniaxial pressing and sintered at 1600 °C. Analyses were performed to determine retraction, density, water absorption and mass loss of the samples, as well as hardness, mechanical strength and fracture toughness. The samples produced containing in their formulation Si3N4 exhibited a very different aspect inside its volume than external surface. The x-ray diffraction analysis showed that the all compositions presented two phases, alumina and mullite, except for the interior of the 15 wt% composition, which presented four phases: alumina, mullite, silicon nitride and X-SiAlON. Samples with 10 wt% silicon nitride addition showed the best results in flexural strength (101,08 MPa), superior to that of all other samples. Furthermore, this sample achieved a density about 21% (3,05 g/cm3) lower than that of the control samples, providing the best flexural strength / density ratio, approximately 53% higher than that of pure alumina. Thus, these ceramics show a great potential for utilization in advanced ballistic armors applications.