Aplicações de fibra de carbono em materiais compósitos balísticos

Os materiais compósitos balísticos vêm em vários formatos e oferecem diferentes níveis de desempenho. Entre eles, os compósitos{1}reforçados com fibra se destacam pela leveza e forte resistência à penetração. Eles são os materiais balísticos mais estudados atualmente e também o segmento-que mais cresce no mercado.

Fibras de alto-desempenho comumente usadas em compostos balísticos-reforçados com fibra incluem fibra de Kevlar, fibra de carbono, fibra de polietileno de ultra-alto{3}}peso{4}}molecular (UHMWPE) e fibra de vidro. Uma questão frequentemente discutida na indústria é se a própria fibra de carbono pode ser usada para proteção balística.

Princípios de funcionamento de compósitos balísticos

Quando um projétil penetra em um material compósito, vários mecanismos de dano ocorrem ao mesmo tempo. Isso inclui delaminação do laminado, descolamento fibra-resina, falha na tração da fibra e deformação da face posterior. Durante esses processos, a energia cinética do projétil é reduzida gradativamente, o que leva à proteção balística.

Após o impacto, ondas de tensão são geradas no ponto de contato. Essas ondas se espalham de duas maneiras principais. Primeiro, eles viajam ao longo do eixo da fibra. As fibras são ligadas por resina nos pontos de intersecção. Quando as ondas de tensão atingem esses pontos, elas são transferidas para outras fibras. Isso aumenta a área de distribuição de tensão e ajuda a dissipar energia. Em segundo lugar, quando as ondas de tensão atingem a interface fibra-resina, ocorre reflexão e forma-se delaminação. Este processo absorve energia adicional.

Em compósitos balísticos-reforçados com fibra, a face de impacto sofre principalmente ruptura por cisalhamento, enquanto a face posterior sofre principalmente ruptura por tração. Por esta razão, os compósitos reforçados com um único tipo de fibra muitas vezes não conseguem atingir um desempenho balístico ideal. Combinando diferentes fibras e projetando uma estrutura em camadas, pode-se obter melhor proteção balística.

Visão geral da fibra de carbono

A fibra de carbono refere-se a fibras nas quais o carbono representa mais de 90% da massa total. É produzido a partir de fibras orgânicas por meio de reações em fase-sólida e forma um material polimérico fibroso de carbono. A fibra de carbono é conhecida por seu baixo peso, alta resistência, alto módulo, resistência ao calor, resistência ao impacto, estabilidade química e baixa expansão térmica.

No entanto, a fibra de carbono tem baixo alongamento na ruptura e resistência limitada. Por esta razão, raramente é utilizado sozinho e é aplicado principalmente como material de reforço em compósitos.

Os coletes balísticos e outras armaduras protetoras dependem de materiais em camadas que podem absorver e distribuir a energia do impacto. Esses materiais geralmente possuem alta resistência à tração e podem deformar-se sob tensão, o que ajuda a dissipar a energia de uma bala.

Embora a fibra de carbono tenha uma resistência muito elevada, ela possui baixa ductilidade e capacidade limitada de absorver e dissipar energia cinética. Também é frágil e propenso a fraturar sob impacto ou carregamento repetido. Como resultado, os compósitos de fibra de carbono feitos apenas com resina e fibra de carbono não são eficazes para proteção balística. Na prática, a fibra de carbono geralmente é combinada com outras fibras de alto-desempenho para alcançar desempenho balístico.

Se a fibra de carbono não é adequada como principal material-para impedir balas, por que ela ainda é usada em alguns compósitos balísticos?

A fibra de carbono é valorizada por sua alta resistência específica e durabilidade. Quando utilizado como componente de reforço em materiais balísticos, especialmente quando combinado com Kevlar ou outras fibras balísticas, melhora a resistência à perfuração e fragmentação. Ao mesmo tempo, reduz o peso total, o que aumenta o conforto e a mobilidade.

A fibra de carbono contribui principalmente das seguintes maneiras:

Reforço estrutural:
A fibra de carbono adiciona integridade estrutural aos materiais balísticos compostos. Quando revestido com Kevlar ou outras fibras balísticas, ajuda a manter a integridade do material após o impacto e apoia a distribuição da energia do impacto, reduzindo o risco de penetração.

Redução de peso:
Os compostos balísticos geralmente dependem de estruturas de múltiplas-camadas para impedir projéteis. A baixa densidade da fibra de carbono ajuda a reduzir o peso total, melhorando o conforto e a flexibilidade do usuário.

A fibra de carbono oferece alta resistência e baixo peso, mas devido à sua fragilidade e capacidade limitada de absorção de energia, não é balística por si só. Sua rigidez e tendência à fratura sob impacto reduzem sua eficácia na parada de balas. No entanto, quando usada como parte de um sistema composto, a fibra de carbono pode apoiar o desempenho balístico. Ao combinar a sua resistência estrutural com outras fibras que absorvem e dissipam energia, pode ser alcançada uma proteção balística eficaz.

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