Comportamento mecânico de placas de porcelanato submetidas à têmpera química para aplicação em proteção balística

Abstract

Um material para ser candidato ao uso como blindagem balística deve apresentar baixa massa específica, um desempenho adequado frente a ameaça e baixo custo. O porcelanato pode ser uma alternativa, considerando suas bem conhecidas propriedades e disponibilidade. Neste trabalho, a aplicação do porcelanato como proteção balística é investigada. Os testes foram realizados com material de referência e com amostras submetidas a têmpera química. O procedimento de têmpera química foi aplicado para melhorar as propriedades de impacto e mecânicas do material. Esse processo consiste na troca dos cátions de sódio e potássio, que foi confirmado por análise química (EDX e FRX). As propriedades mecânicas de dureza e resistência a flexão foram avaliadas. Foi utilizado o teste de profundidade de penetração (DOP) para verificar a proteção balística oferecida pelo porcelanato. No teste, um projétil é disparado contra o porcelanato apoiado em um bloco de material considerado semi-infinito. A penetração residual no material de apoio é medida e comparada com a penetração do projétil em um bloco único do material de apoio. Para o teste foi usada a munição 7,62×51 mm OTAN (Organização do Tratado do Atlântico Norte) com projétil encamisado, que é especificada pela norma NIJ (National Institute of Justice – EUA) como nível III para proteção balística. Depois da têmpera química, a concentração de potássio na superfície do material aumenta. As amostras com têmpera química apresentaram um incremento nas propriedades mecânicas e desempenho balístico quando comparado com o porcelanato não tratado. A resistência a flexão que foi de 129 ±8 MPa para o material de referência, e de até 143 ±14 MPa para o material com têmpera química, um aumento de 10%; a dureza foi de HV 8,5 ±0.9 GPa e 12,7 ±0.5 GPa, respectivamente, representando um aumento de 49 %; e o fator de eficiência balística (q2) foi de 2,47 ±0,30 e 3,96 ±0,62 respectivamente, um aumento de 60%.

A candidate for an armor material should present a lower density, a suitable ballistic performance, and low cost. Porcelain tiles might be an alternative considering their outstanding technical properties and availability. The use of porcelain tiles was explored as an armor material. The tests were carried out with reference and chemical tempered samples. A ion exchange procedure was applied to improve the impact and mechanical properties. The procedure consists of cation exchange of sodium and potassium ions, as confirmed by chemical analysis (EDX and XRF). Mechanical properties, hardness, and flexural strength were measured. The depth of penetration (DOP) test was used to verify the ballistic protection offered by porcelain tiles. A projectile was fired into a ceramic tile backed by a semi-infinite block in the test. The residual penetration into the backing material was measured and compared to the penetration of the projectile into a monolithic block of the backing material. The test was carried out with 7.62×51 mm NATO-FMJ (North Atlantic Treaty Organization - Full Metal Jacket) ammunition specified for NIJ (National Institute of Justice – USA) level III body armor. After ion exchange, the potassium concentration on the material surface increases. Samples subjected to ion exchange, showed an increase in mechanical properties and ballistic performance when compared to untreated ceramic tiles. The flexural strength was 129 ±8 MPa for the reference material and 143 ±14 MPa for the samples subjected to ion exchange, an increase of 10%; the hardness was HV 8.5 ±0.9 GPa and 12.7 ±0.5 GPa respectively, an increase of 49%; and the ballistic efficiency factor (q2) was 2.47 ±0.30 and 3.96 ±0.62 respectively, an increase of 60%.