Estudo de compósitos alumina/nitreto de silício e alumina/sílica/zircônia para proteção balística

Abstract

Desde o surgimento das armas de fogo, a humanidade tem estudado e desenvolvido proteções balísticas mais eficientes, capazes de acompanhar a evolução dos armamentos. Contudo, entre os principais desafios está a obtenção de materiais que não apenas resistam aos impactos, mas também sejam leves o suficiente para não comprometer a mobilidade do usuário. A presente tese investiga o desenvolvimento e a caracterização de cerâmicas balísticas com o objetivo de melhorar o desempenho e reduzir o peso das proteções balísticas. O trabalho foi estruturado em três manuscritos que exploram diferentes aspectos das propriedades mecânicas e do comportamento dinâmico das cerâmicas utilizadas em armaduras. O primeiro manuscrito apresenta uma revisão crítica das propriedades mecânicas das principais cerâmicas balísticas, como alumina, carbeto de silício (SiC) e carbeto de boro (B4C), identificando suas vantagens e limitações. A análise destaca a necessidade de correlacionar propriedades estáticas, como dureza e tenacidade à fratura, ao desempenho dinâmico sob impacto balístico, visto que muitos testes laboratoriais não refletem as condições reais de impacto. O segundo manuscrito examina a configuração de mosaico em cerâmicas balísticas, um arranjo que permite segmentar a proteção em blocos menores, reduzindo a propagação de trincas e aumentando a absorção de energia. Os resultados indicam que essa configuração é eficaz na contenção de múltiplos impactos e na preservação da integridade estrutural das armaduras. O terceiro manuscrito aborda o aprimoramento da relação resistência à flexão/densidade em cerâmicas de alumina com adição de nitreto de silício (Si3N4), demonstrando que a inclusão de até 10% de Si3N4 resulta em um material mais leve e resistente, com melhor tenacidade à fratura e resistência à flexão. Além disso, a presente tese inclui um estudo envolvendo compósitos de alumina, sílica e zircônia por two-step sintering, que resultaram em um material bastante leve. Embora tenha apresentado alta porosidade, o material exibiu uma resistência mecânica à flexão muito próxima à da alumina. Os resultados obtidos nesta tese contribuem significativamente para o campo das proteções balísticas, oferecendo diretrizes para a fabricação de cerâmicas avançadas com propriedades otimizadas para aplicações em armaduras leves e eficazes.

Since the advent of firearms, humanity has been studying and developing more efficient ballistic protections capable of keeping pace with the evolution of weaponry. However, one of the main challenges lies in obtaining materials that not only withstand impacts but are also light enough not to compromise user mobility. This thesis investigates the development and characterization of ballistic ceramics aimed at improving performance and reducing the weight of ballistic protections. The work is structured into three manuscripts that explore different aspects of the mechanical properties and dynamic behavior of ceramics used in armor. The first manuscript presents a critical review of the mechanical properties of the main ballistic ceramics, such as alumina, silicon carbide (SiC), and boron carbide (B4C), identifying their advantages and limitations. The analysis highlights the need to correlate static properties, such as hardness and fracture toughness, with dynamic performance under ballistic impact, as many laboratory tests do not reflect real impact conditions. The second manuscript examines the mosaic configuration in ballistic ceramics, an arrangement that segments the protection into smaller blocks, reducing crack propagation and increasing energy absorption. The results indicate that this configuration is effective in containing multiple impacts and preserving the structural integrity of the armor. The third manuscript addresses the enhancement of the flexural strength-to-density ratio in alumina ceramics with silicon nitride (Si3N4) addition, demonstrating that including up to 10% Si3N4 results in a lighter and stronger material with improved fracture toughness and flexural strength. Additionally, this thesis includes a study involving alumina, silica, and zirconia composites produced through two-step sintering, resulting in a very lightweight material. Although it exhibited high porosity, the material achieved flexural strength very close to that of alumina. The results obtained in this thesis significantly contribute to the field of ballistic protections, providing guidelines for the fabrication of advanced ceramics with optimized properties for applications in lightweight and effective armor.