La fibra de aramida tiene las características de alta resistencia específica y alto alargamiento a la rotura, y puede reemplazar completamente los materiales compuestos de fibra de vidrio/resina en muchos campos.
Actualmente, países de todo el mundo desarrollan y optimizan constantemente nuevos materiales balísticos para mejorar la protección balística de vehículos y soldados. Los materiales compuestos de fibra de alto rendimiento se caracterizan por su ligereza, alta resistencia y excelente resistencia balística. Son los materiales balísticos más investigados, de mayor crecimiento y con mayor potencial. Los países con un alto desarrollo militar, como Estados Unidos, prestan especial atención al desarrollo de fibras antibalísticas de alto rendimiento y sus materiales compuestos. Instituciones de investigación científica de defensa nacional, como el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., y universidades financiadas por el Ministerio de Defensa, han realizado una gran cantidad de investigaciones en los últimos años. Este artículo presenta principalmente la investigación y el desarrollo, el estado de aplicación y el nivel de rendimiento de la fibra de aramida, la fibra de carbono y la fibra de PBO en el extranjero.
1. Fibra de aramida
Las fibras de aramida se caracterizan por una alta resistencia específica y una alta elongación a la rotura. Con la misma densidad superficial, la resistencia balística de los compuestos de aramida y resina es de 2 a 3 veces mayor que la de los compuestos de fibra de vidrio y resina. Su uso es muy diverso. Sustituyen completamente a los compuestos de fibra de vidrio y resina.
Instituciones como el Laboratorio Conjunto de Investigación del Ejército de la Universidad de Clemson en Estados Unidos utilizan el método tradicional de elementos finitos para realizar análisis numéricos de la estera de fibra antibalística para determinar la resistencia a la penetración del material y la deflexión general, la deformación y la respuesta al daño al impacto. Los investigadores del equipo han optimizado y mejorado aún más el modelo de cálculo y análisis de protección contra impactos/explosiones balísticos de compuestos de matriz polimérica reforzados con fibra de tejido plano. En 2014, se estudió la relación entre la microestructura y el rendimiento de los materiales basados en PPTA (poli-p-fenileno tereftalamida), y se desarrolló un método de cálculo de escala de longitud múltiple para determinar el impacto de varias características microestructurales a diferentes escalas en el fieltro basado en PPTA. Efecto de los compuestos de matriz polimérica reforzados con fibra de tela o PPTA en la resistencia a la penetración balística macroscópica.
Cassino (Italia) y la Universidad del Sur del Lacio combinaron fieltro de tejido liso con resina termoendurecible para fabricar laminados y realizaron predicciones del modelo numérico Walker y pruebas de rendimiento balístico en la armadura compuesta preparada. El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. y otros utilizaron monofilamento de nailon transparente en forma de tira plana como refuerzo y prepararon un material compuesto con una transmitancia de luz de aproximadamente el 40 % utilizando como matriz una resina epoxi transparente con un índice de refracción equivalente. La prueba balística del material muestra que su valor V50 es superior a 305 m/s, muy superior al de la resina epoxi y el policarbonato.
El Laboratorio Nacional Sandia de Estados Unidos estudió la influencia de la torsión en las propiedades de impacto transversal de los hilos de fibra elástica y midió la velocidad de la onda transversal de Euler inducida por el impacto con una cámara de alta velocidad. Los resultados muestran que la velocidad de la onda transversal de Euler aumenta con el número de torsiones en el hilo de fibra, lo que implica un mayor rendimiento balístico. Por lo tanto, el uso de hilos de fibra torcidos en esteras de fibra balística puede mejorar las propiedades balísticas del material. Se estudió el efecto del campo magnético en las propiedades balísticas de la fibra de aramida y la fibra de polietileno de peso molecular ultraalto. Los investigadores colocaron fibras de aramida y fibras de polietileno de peso molecular ultraalto entre dos conjuntos de imanes de tierras raras opuestos para probar el efecto de la repulsión del campo magnético en las propiedades balísticas de los materiales. Los resultados muestran que la repulsión magnética puede impedir que las balas entren en el panel frontal de las fibras de aramida.
La nanomodificación de las fibras de aramida o el nanorelleno de sus compuestos también mejorará las propiedades balísticas. Los investigadores mejoraron la resistencia interfacial mediante el crecimiento de nanocables verticales de ZnO en la superficie de la fibra. La resistencia interfacial de la fibra es un 96,9 % superior a la de la fibra desnuda, y la carga máxima de la prueba de extracción se incrementa 6,5 veces. Los nanocables de ZnO mejoran el rendimiento de extracción de las fibras, lo que a su vez aumenta el nivel de protección balística del material.
Los investigadores estudiaron el efecto de los rellenos de nanopartículas en compuestos resistentes al impacto y realizaron pruebas balísticas V50 en compuestos de fibra rellenos con fibras de carbono molidas y nanopartículas (nanotubos de carbono y partículas de caucho con núcleo-capa). Los resultados muestran que el relleno de partículas de caucho con núcleo-capa nano es eficaz para la absorción de energía durante el impacto debido al efecto de cavitación y también mejora significativamente el rendimiento balístico. Los rellenos de nanotubos de carbono pueden mejorar el rendimiento de la interfaz matriz-fibra y también mejorar significativamente el rendimiento balístico. Ambos pueden mejorar el rendimiento antibalístico V50 del material compuesto. Agregar una fracción de masa del 1% de fibras de carbono molidas y agregar un 1% de nanopartículas al material compuesto puede aumentar V50 en un 7,3% (nanotubos de carbono) y un 8% (partículas de caucho con núcleo-capa) en relación con la muestra de referencia, respectivamente.
2. Fibra de carbono
El módulo de Young de la fibra de carbono suele ser más de tres veces mayor que el de la fibra de vidrio tradicional, y tiene un importante potencial de aplicación en el aligeramiento de equipo militar y la mejora de la capacidad de supervivencia. En 2015, el Instituto de Tecnología de Georgia en los Estados Unidos desarrolló un nuevo proceso para la preparación de fibras de carbono continuas hiladas en gel basadas en la tecnología de hilado de poliacrilonitrilo (PAN). La resistencia a la tracción promedio de las fibras de carbono preparadas a base de PAN está entre 5,5 y 5,8 GPa. , el módulo de tracción está entre 354 y 375 GPa, y el módulo de tracción es de un 25% a un 36% más alto que el de la fibra de carbono a base de PAN tipo IM7 ampliamente utilizada en la industria aeroespacial. combinación de mayor valor. En el futuro, mediante la optimización de materiales y procesos, la resistencia y el módulo de las fibras de carbono a base de PAN se mejorarán simultáneamente.
3. Fibra de PBO
La fibra PBO fue desarrollada originalmente por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, y posteriormente fue fabricada por empresas japonesas. Se la considera una fibra de ultraalto rendimiento que podría reemplazar a la fibra de aramida. Esta fibra tiene una densidad menor que la de aramida, pero sus propiedades mecánicas y resistencia ambiental son muy superiores a las de otras fibras de aramida.
En 2006, la Universidad de California firmó un contrato con el Ejército de los Estados Unidos para realizar pruebas balísticas y determinar el rendimiento balístico de las fibras de Zylon. Los resultados demuestran que la fibra de Zylon ofrece un rendimiento superior al del Kevlar™29 y, al utilizarse en blindaje, mejora eficazmente la protección y la movilidad. Si bien las fibras de PBO ofrecen ventajas como ligereza, alta resistencia y alto módulo, presentan la limitación de la degradación de sus propiedades mecánicas durante su uso en aplicaciones de protección. Para solucionar este problema, los investigadores desarrollaron un proceso de postratamiento mediante difusión de reactivos químicos de CO₂ supercrítico para tratar las fibras de PBO, con el fin de reducir la tasa de deterioro de sus propiedades mecánicas y prolongar su vida útil. Investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst estudiaron la estabilización de las fibras de PBO después del postratamiento con CO2 supercrítico, utilizando CO2 supercrítico como extractante para extraer el ácido fosfórico y el agua residuales de las fibras de PBO, y utilizándolo como medio para introducir una variedad de La sustancia neutraliza el ácido fosfórico y debilita el efecto de degradación del agua y el ácido sobre la fibra de PBO.
La laminación de fibras balísticas puede ser un factor que afecta la degradación del rendimiento. Los investigadores estudiaron el efecto del plegado en la degradación del rendimiento de las fibras balísticas de PBO y determinaron experimentalmente el impacto de este mecanismo de fallo en el rendimiento de la protección del blindaje. También investigaron a fondo el efecto del plegado en la estructura interna de las fibras elásticas. Investigadores japoneses han realizado numerosas investigaciones sobre las fibras de PBO. Por ejemplo, han estudiado el tratamiento térmico para mejorar la resistencia a la tracción y a la fatiga de las fibras de PBO de alto módulo, y han estudiado la influencia de la velocidad de corte en la resistencia a la tracción de dichas fibras.
