Configuração Otimizada De Blindagem Balística Multicamada Com Cerâmica Frontal E Compósitos De Aramida Ou Tecido De Curauá
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MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CURSO DE DOUTORADO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS FÁBIO DE OLIVEIRA BRAGA CONFIGURAÇÃO OTIMIZADA DE BLINDAGEM BALÍSTICA MULTICAMADA COM CERÂMICA FRONTAL E COMPÓSITOS DE ARAMIDA OU TECIDO DE CURAUÁ Rio de Janeiro 2018 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA FÁBIO DE OLIVEIRA BRAGA CONFIGURAÇÃO OTIMIZADA DE BLINDAGEM BALÍSTICA MULTICAMADA COM CERÂMICA FRONTAL E COMPÓSITOS DE ARAMIDA OU TECIDO DE CURAUÁ Tese de Doutorado apresentada ao Curso de Doutorado em Ciência dos Materiais do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Doutor em Ciências em Ciência dos Materiais. Orientador: Prof. Sérgio Neves Monteiro – Ph.D. Rio de Janeiro 2018 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA FÁBIO DE OLIVEIRA BRAGA CONFIGURAÇÃO OTIMIZADA DE BLINDAGEM BALÍSTICA MULTICAMADA COM CERÂMICA FRONTAL E COMPÓSITOS DE ARAMIDA OU TECIDO DE CURAUÁ Tese de doutorado apresentada ao Curso de Doutorado em Ciência dos Materiais do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Doutor em Ciências em Ciência dos Materiais. Orientador: Prof. Sérgio Neves Monteiro – Ph.D. do IME Aprovada em 25 de Janeiro de 2018 pela seguinte Banca Examinadora: _______________________________________________________________ Prof. Sérgio Neves Monteiro – Ph.D. do IME – Presidente _______________________________________________________________ Prof. André Ben-Hur da Silva Figueiredo – D.C. do IME _______________________________________________________________ Prof. Lucio Fábio Cassiano Nascimento – D.C. do IME _______________________________________________________________ Profª. Bluma Guenther Soares – D.C. da UFRJ _______________________________________________________________ Prof. Leonardo Sales Araujo – D.C. da UFRJ Rio de Janeiro 2018 3 c2018 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha Rio de Janeiro – RJ CEP: 22290-270 Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí- lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento. É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s) orientador(es). 623.51 Braga, Fábio de Oliveira B813c Configuração otimizada de uma blindagem balística multicamada com cerâmica frontal e compósitos de aramida ou tecido de curauá / Fábio de Oliveira Braga; orientada por Sérgio Neves Monteiro – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2018. 166p.: il. Tese (Doutorado) – Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2018. 1. Curso de Ciência dos Materiais – teses e dissertações. 2. Balística. 3. Blindagem. 4. Compósito. I. Monteiro, Sergio Neves. II. Instituto Militar de Engenharia. 4 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES.................................................................................... 9 LISTA DE TABELAS............................................................................................. 15 LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS.......................................................... 18 1 INTRODUÇÃO...................................................................................... 24 1.1 Objetivo do estudo................................................................................ 28 1.2 Justificativa do tema............................................................................. 29 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................ 31 2.1 Blindagens balísticas............................................................................ 31 2.2 Efeito do peso dos materiais na mobilidade do combatente................ 33 2.3 Alternativas para aumento da mobilidade do combatente.................... 37 2.3.1 Otimização da área coberta pela blindagem........................................ 37 2.3.2 Redistribuição da carga........................................................................ 38 2.3.3 Seleção dos materiais empregados..................................................... 40 2.4 Comportamento dinâmico dos materiais.............................................. 42 2.5 Materiais para blindagens multicamada............................................... 46 2.5.1 Materiais cerâmicos.............................................................................. 46 2.5.2 Materiais poliméricos e compósitos...................................................... 47 2.5.3 Matrizes epoxídicas.............................................................................. 48 2.5.4 Fibras naturais lignocelulósicas............................................................ 51 2.5.5 Fibras e tecido de curauá..................................................................... 56 2.5.6 Aramida................................................................................................. 58 2.5.7 Materiais metálicos............................................................................... 59 2.6 Metodologias de otimização de sistemas............................................. 59 2.6.1 Análise de uma variável por vez (univariada)....................................... 59 5 2.6.2 Análise multivariada.............................................................................. 60 2.6.2.1 Experimentos fatoriais completos......................................................... 61 2.6.2.2 Delineamento composto central rotacional (DCCR)............................. 63 2.6.2.3 Delineamento de Box-Behnken (DBB)................................................. 64 2.6.2.4 Regressão múltipla e metodologia de superfície de respostas (MSR).................................................................................................... 67 3 MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................... 71 3.1 Materiais utilizados............................................................................... 71 3.1.1 Tecido de curauá.................................................................................. 71 3.1.2 Resina epoxídica.................................................................................. 71 3.1.3 Cerâmica (alumina e nióbia)................................................................. 72 3.1.4 Tecido de aramida................................................................................ 73 3.1.5 Liga de alumínio.................................................................................... 74 3.2 Métodos de fabricação.......................................................................... 75 3.2.1 Fabricação das pastilhas cerâmicas..................................................... 75 3.2.1.1 Obtenção do pó.................................................................................... 75 3.2.1.2 Prensagem do pó.................................................................................. 76 3.2.1.3 Sinterização das peças cerâmicas....................................................... 77 3.2.2 Fabricação dos compósitos.................................................................. 78 3.2.3 Fabricação das placas balísticas multicamada..................................... 80 3.3 Métodos de caracterização................................................................... 82 3.3.1 Medida da espessura, densidade volumétrica e superficial das camadas............................................................................................... 82 3.3.2 Ensaio de tração................................................................................... 83 3.3.3 Ensaio de impacto................................................................................ 84 3.3.4 Ensaio de dureza.................................................................................. 86 3.3.5 Análise termogravimétrica (TG/DTG)................................................... 87 3.3.6 Microscopia eletrônica de varredura (MEV/EDS)................................. 87 3.3.7 Ensaio balístico..................................................................................... 88 6 3.3.8 Método estatístico de Weibull............................................................... 90 3.3.9 Delineamento de Box-Behnken e MSR................................................ 91 3.3.10 Otimização experimental linear............................................................. 91 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO........................................................... 92 4.1 Comparação entre configurações 1: Laminado de único material versus blindagem multicamada............................................................ 93 4.2 Ensaios preliminares para verificar a viabilidade do uso de tecido de curauá em SBM................................................................................... 101 4.3 Caracterização das matérias-primas.................................................... 104 Caracterização do tecido de curauá e do compósito de matriz 4.3.1 epoxídica.............................................................................................. 104 4.3.1.1 Características físicas.......................................................................... 104 4.3.1.2 Estabilidade térmica............................................................................