Cementante de grafito en fibras cerámicas para aumentar la ...

MEMORIAS DEL XXVII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE DE 2021 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO

Tema A2a Materiales: Tratamientos termoquímicos en materiales cerámicos.

“Cementante de grafito en fibras cerámicas para aumentar la resistencia al impacto.”

Angel Ricardo González-Rangel1, Juan Manuel Hernández-Calderón2

Universidad del Valle de México, Campus Hispano. Coacalco, Edo. De México.

Contacto: [email protected] [email protected]

R E S U M E N

En este trabajo se presenta el análisis y evaluación balística de una probeta denominada PBC1, conformada por una

matriz epoxi con refuerzos de fibra cerámica tratada termoquímicamente. La probeta se fabricó compactando 10 capas

de fibra cerámica, con ayuda de una prensa mecánica diseñada específicamente para la laminación del material

compuesto, impregnadas de resina epoxi. Se realizaron pruebas mecánicas y balísticas estandarizadas para su

evaluación balística tales como la curva característica esfuerzo deformación, trauma corporal, resistencia a la fatiga y

nivel balístico NIJ-STD-0101.06. Se efectúo también un análisis de la respuesta de las probetas, demostrando la

efectividad del tratamiento termoquímico a base de grafito aumentando considerablemente la resistencia al impacto y

su respuesta en función al trauma corporal. Las propiedades mecánicas resultantes en las probetas suponen en una

primera instancia su posible uso como un sistema de protección balística corporal.

Palabras Clave: Grafito, Materiales Compuestos, Tratamientos Termoquímicos, Materiales Balísticos, Blindaje, Protección Balística.

A B S T R A C T

This work presents the ballistic analysis and evaluation of a test piece called PBC1, made up of an epoxy matrix with

thermochemically treated ceramic fiber reinforcements. The specimen was manufactured by compacting 10 layers of

ceramic fiber with the help of a mechanical press specifically designed for laminating the composite material,

impregnated with epoxy resin. Standardized mechanical and ballistic tests were performed for ballistic evaluation such

as the stress-strain characteristic curve, body trauma, fatigue resistance, and NIJ-STD-0101.06 ballistic level. An

analysis of the response of the test tubes was also carried out, demonstrating the effectiveness of the thermochemical

treatment based on graphite, considerably increasing the resistance to impact and its response as a function of body

trauma. The resulting mechanical properties of the test tubes initially suppose their possible use as a body ballistic

protection system.

Key Words: Graphite, Composite Materials, Thermochemical Treatments, Ballistic Materials, Shielding, Ballistic Protection.

1. Introducción

En la actualidad la ciencia de materiales concentra gran

parte de sus investigaciones en el desarrollo de materiales

con propiedades mecánicas cada vez mejores, desde el

desarrollo de aleaciones especiales con respuesta tanto

mecánica como magnética, hasta el estudio y

manufactura de materiales compuestos de fibras

cerámicas con diversas aplicaciones [1, 2]. Uno de los

problemas de mayor interés en la ingeniería moderna, por

sus implicaciones prácticas, es cuantificar la respuesta de

un material sometido a muy diversas acciones externas

(fuerzas de contacto principalmente). El impacto

balístico representa un problema especial y de gran

interés en la actualidad ya que es una fuente de desarrollo

de materiales, principalmente compuestos, resistentes al

impacto de proyectiles de diversos calibres. El impacto

balístico es un fenómeno que se refiere a la colisión de

un proyectil a alta velocidad sobre una masa. El estudio

de este fenómeno impone en la actualidad muy diversos

retos, el principal es que para el desarrollo de pruebas

balísticas se requiere del uso de armas de fuego de varios

calibres, y los permisos para poseer un arma de fuego

generalmente son difíciles de conseguir, por lo cual se

hace necesario recurrir al apoyo de personal ya sea de

gobierno o del sector privado que poseen los permisos

ISSN 2448-5551 MM 140 Derechos Reservados © 2021, SOMIM

mailto:[email protected]


correspondientes. Esto genera un alto costo sumado al

hecho de que la realización de pruebas está supeditada a

los tiempos y disposición de quienes ostentan dichos

permisos.

Esto ha generado que el estudio de este fenómeno se

pueda efectuar por dos caminos posibles; el análisis

numérico del comportamiento del material mediante el

uso de un software especializado y el desarrollo de

pruebas experimentales controladas en campos de tiro

certificados o en presencia de personal de seguridad del

gobierno. En años recientes se han realizado una gran

variedad estudios experimentales de materiales

principalmente compuestos. En [3] se realizan pruebas

sobre materiales de fibra cerámica y se hace un

comparativo con material como el acero y aluminio

principalmente. La ventaja principal de los compuestos

cerámicos es que suelen ser de una baja densidad en

comparación con el acero, pero de menor resistencia al

impacto. Otros estudios están enfocados a analizar tanto

la penetración como la fragmentación de proyectiles en

aluminios de espesor pequeño (0.05-0.25 pulgadas) y

aceros SAE 1020 y 4130 [4] Desde hace algunos años la

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de

la unidad Ticomán (ESIME UP Ticomán) ha

desarrollado una serie de trabajos relacionados con la

manufactura y caracterización de materiales compuestos

híbridos. Morales [5] y Ortiz [6], desarrollaron y

evaluaron placas de material compuesto híbrido

denominado AVE y MCH-AVE (Material Compuesto

Híbrido de Acero, fibra de Vidrio y resina Epóxica),

destacando la resistencia al impacto, pero a bajas

velocidades, buena tolerancia al daño y alta resistencia a

la delaminación. Recientemente, la Universidad del Valle

de México (UVM) división de Ingeniería mecánica

comenzó con el estudio, manufactura y análisis de

propiedades mecánicas de un material compuesto.

González y Hernández [2] analizaron la respuesta al

impacto en probetas de material denominado MC-AMS1

conformado por una matriz epóxica y fibra cerámica

comercial tratada termoquímicamente, con una película

superficial de carbono. Concentrándose principalmente

en la penetración, fragmentación y análisis de trauma

corporal generado por diversos calibres de proyectiles

(balas). Por otro lado, numerosas investigaciones se

realizan en el campo del análisis numérico y

simulaciones. Esto debido principalmente a lo complejas

que pueden llegar a ser las pruebas experimentales. El

uso de software como ABAQUS y LS-DYNA

proporciona técnicas precisas de análisis que suponen un

conto menor que las pruebas experimentales.

Recientemente, Kumar y Deep [7] realizaron una serie de

simulaciones de impacto balístico en acero (IS2062:

2006 GR E410W A), implementando el modelo conocido

como Continuum Damage Mechanics en ABAQUS,

concentrándose en la predicción del inicio de fractura.

También, Wang et al [8] recurren al análisis numérico y

el modelado por elemento finito para analizar la

influencia del tipo de engarzado en tejidos lisos en el

comportamiento bajo impacto balístico.

2. Proceso termoquímico experimental.

2.1. Fibra cerámica

En el presente trabajo se utilizó una fibra mineral

elaborada a partir de sílice, cal, alúmina y magnesita de

uso industrial tipo E. En la tabla 1 se muestran los

porcentajes en peso de sus principales componentes. Este

tipo de fibra con tejido de canasta bidireccional es el más

empleado en procesos industriales, se caracteriza por sus

propiedades dieléctricas y representa el 90% de refuerzo

para compositos. [2].

Tabla 1 – Composición química de la fibra cerámica. [2].

Óxidos Fibra cerámica

tipo E

SiO2 55,0

Al2O3 14,0

TiO2 0,2

B2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

7,0

22,0

1,0

0,5

0,3

Dicha fibra cerámica presenta las siguientes

propiedades mecánicas.

Tabla 2 – Propiedades mecánicas de la fibra cerámica. [2].

Tensión de

rotura

(MPa)

Esfuerzo de compresión

(MPa)

Densidad

(g/cm3)

Temperatura de

ablandamiento

(°C)

3445 1080 2.58 846

2.2. Cementante de grafito

El grafito es un mineral puro que contiene de 98-99 % de

carbono con un tamaño de escama de 106 a 53 µm, bajo

o libre de minerales abrasivos (cuarzo y feldespato) y

sulfuros de metales.

En su composición concreta interviene un elemento

semimetálico. Su estructura laminar está compuesta de

átomos de carbono que forman una red hexagonal. [2]



El presente trabajo se realizó bajo en el procedimiento

descrito en [2]. Para la extracción del cementante de

grafito.

Figura 1- Cementante de grafito extraido

2.3. Tratamiento termoquímico

Se realizó una cementación en la superficie de la fibra

cerámica tipo E con el cementante de grafito extraído,

con la finalidad de aumentar la dureza superficial del

material, realizando una concentración de carbono en la

superficie [2].

Esto supone no sólo cambios en la estructura del material,

sino también se producen cambios en la composición

química de la capa superficial debido a la cementación en

el material.

3. Material compuesto “MC-AMS1”

Con la fibra cerámica tratada termoquímicamente, con

ayuda de una prensa mecánica diseñada específicamente

para laminación, se manufacturó un material compuesto

rígido de matriz epoxi mezclada manualmente y 10 capas

unidireccionales del material cerámico tratado

termoquímicamente, el procedimiento se encuentra

descrito en [2].

Se realizó una prueba de tracción con probetas

estandarizadas del material MC-AMS1, obteniendo un

esfuerzo de ruptura de 687.5 kgf/cm2.

,

}

Figura 2 curva característica Esfuerzo-Deformación del material

“MC-AMS1”.

4. Sistema de protección balística corporal

4.1. Configuración de la probeta “PBC1”

Con el material compuesto “MC-AMS1” y el material

cerámico tratado termoquímicamente se diseñó la

configuración de una probeta utilizada como placa de

protección balística corporal hibrida de material rígido y

suave, denominada PBC1.

Se fabricaron probetas hibridas de 10 x 10 cm, cuya

configuración se muestra en la tabla 3. Sobre dichas

probetas, configuradas como sistema de protección

balística corporal, se realizaron pruebas de impacto en un

ambiente controlado. Dichas pruebas se describen en la

sección 5.1.

Tabla 3 – Composición física de la probeta “PBC1”.

Elemento Cantidad de capas

Anti-fragmentación 2 (f. cerámica)

Placa central rígida 10 (f. cerámica)

Anti-fragmentación 2 (f. cerámica)

Placa central rígida

Sistema anti-trauma

10 (f. cerámica)

1 (poliuretano)

La probeta PBC1 está compuesta por 24 capas de fibra

cerámica tratadas termoquímicamente y una capa de

poliuretano de baja densidad.

Donde 2 capas de tejido termoquímicamente tratado

cuya función principal es la de reducir la velocidad del

proyectil y evitar la fragmentación de la bala en el

exterior, una placa central rígida reductora, de material

compuesto “MC-AMS1”, conformada por 10 capas

laminadas con matriz epoxi que cumple la función de

absorber y dispersar la energía cinética del proyectil,

parándolo y/o deformándolo para disminuir su nivel de

penetración.

Además, 2 capas de tejido tratada termoquímicamente la

cual cumple la función de reducción de velocidad del

proyectil y evita el paso de esquirlas a la siguiente placa,

una placa central rígida, de material compuesto “MC-

AMS1” conformada por 10 capas laminadas con matriz

epoxi, que tiene como función principal detener el

proyectil, absorber y dispersar su energía cinética.

Y finalmente, una capa suave de poliuretano de baja

densidad, absorbe y dispersa la energía cinética restante

trasmitida por el proyectil al cuerpo humano,

funcionando como sistema anti trauma. Ver Fig. 3



..... Fibra cerámica tratada …. Compuesto MC-AMS1

…. Espuma de poliuretano

Figura 3 configuración de la probeta “PBC1”

4.2. Configuración de la probeta “PBC2”

Se fabricó, además, una probeta hibrida de 10 x 10 cm de

material cerámico, con la misma configuración que la

probeta PBC1, pero ésta sin tratamiento termoquímico,

con la finalidad de determinar si el tratamiento

termoquímico es un factor determinante para la alta

resistencia del material.

4.3. Configuración de la probeta de Kevlar

Finalmente, se fabricó una probeta de 10 x 10 cm de

Kevlar laminado comercial que consta de 11 capas y

matriz de poliuretano, en configuración como sistema de

protección balística corporal. Ver Fig. 4

..... Poliuretano …. Kevlar

Figura 4. Configuración de la probeta con Kevlar

5. Test balístico

Se realizaron pruebas balísticas estandarizadas bajo las

normas NOM-166-SCFI-2005 y NIJ-STD-0101.06, a

una distancia establecida de 5 metros entre la boca del

cañón y la probeta. Ver Fig.5.

Figura 5 Configuración del test balístico bajo la norma NIJ-STD-

0101.06.

5.1. Test en probeta “PBC1”

Se realizaron pruebas balísticas, utilizando un material

testigo para medir el trauma corporal y un accesorio de

soporte según lo establecido en cada norma.

Las pruebas se efectuaron considerando los ángulos

de incidencia de 0° y 30° establecidos por las normas, con

las siguientes armas de fuego semiautomáticas:

COLT, modelo “1911”, calibre .45 acp.

PIETRO BERETTA, modelo “PX4 STROM”,

calibre 9X19 mm.

CESKA ZBROJOVKA, modelo “P07”, calibre

.380” auto.

En las tablas 4a, 4b y 4c se presentan los cartuchos

utilizados en el test y sus características.

Tabla 4a – Cartucho utilizado 1.

Calibre .45 acp

Tipo: FMJ RN

Energía: 345 ft/lb

Masa: 230 granos

Marca: Águila Ammunition

Tabla 4b – Cartucho utilizado 2.

Calibre 9x19 mm

Tipo: FMJ RN

Energía: 338 ft/lb

Masa: 115 granos




Tabla 4c – Cartucho utilizado 3.

Calibre .380” auto

Tipo: FMJ FN

Energía: 188 ft/lb

Masa: 100 granos


Una vez efectuados los impactos en las probetas como

lo estipulan las normas se obtuvieron registros de datos

importantes para la evaluación balística del material que

se presentan a continuación.

Balística de efecto: impacto con calibre .45 acp.

Después de realizar la prueba de impacto a 0° y 30° de

incidencia con cartuchos de calibre .45 acp en la probeta

“PBC1” se registró una penetración del proyectil en 2

capas blandas anti-fragmentación, deteniéndose en la

cara de la placa central rígida reductora del material

compuesto “MC-AMS1”. En la figura 6 se muestran los

impactos sobre dicha probeta

Figura 6– Ojivas calibre .45 acp en parada sobre la cara frontal

del material compuesto “MC-AMS1”

Después de una inspección de la probeta, se pudo

constatar que el proyectil no logro penetrar la placa de

material compuesto MC-AMS1, además de que éste no

presenta indicios de delaminación, sin embargo, se puede

observar una mínima deformación plástica y desgaste

superficial en la zona de impacto a causa de la energía

cinética trasmitida por el proyectil. Ver Fig.7.

Figura 7– Desgaste superficial en el material compuesto “MC-

AMS1” causado por los impactos con calibre .45 acp.

Se pudo constatar que las ojivas sufrieron una

importante deformación plástica, lo cual disminuyó su

nivel de penetración, logrando detener por completo su

avance en la placa del material compuesto “MC-AMS1”,

debido a la rápida disipación de energía cinética a lo largo

y ancho de la probeta, lo cual es una excelente propiedad

mecánica en función al trauma corporal y resistencia a la

fatiga del material compuesto.

Balística de efecto: impacto con calibre 9x19mm.

Se realizaron pruebas de impacto con ángulos de

incidencia de 0° y 30° en la probeta “PBC1” con

cartuchos de calibre 9x19 mm y se registró una

penetración del proyectil en 2 capas blandas anti-

fragmentación y en la placa central rígida reductora del

material compuesto “MC-AMS1” deteniéndose en su

interior. Ver Fig. 8

.45 acp

Incidencia de 0°

.45 acp

Incidencia de 30°

.45 acp

Incidencia de 0°

.45 acp

Incidencia de 30°



Fig. 8 – Impactos de Ojivas calibre .45 acp sobre la cara frontal del

material compuesto “MC-AMS1”


constatar que el proyectil logro penetrar parcialmente la

placa del material compuesto MC-AMS1 antes de

detenerse. El impacto no ocasionó delaminación en la

placa del material, sin embargo, en la cara dorsal se

registró una deformación de hongo, conocida así en el

argot balístico, esto a causa de la energía cinética

trasmitida por el proyectil. Ver Fig.9

Figura 9 – Deformación a causa del impacto de proyectiles de

calibre 9x19mm en la cara dorsal del material “MC-AMS1”.

Además, se pudo constatar que la ojiva sufrió una

importante deformación plástica, disminuyendo su nivel

de penetración y se detuvo en el interior de la placa del

material compuesto, debido a la rápida disipación de

energía cinética a lo largo y ancho de la probeta.

Balística de efecto: impacto con calibre .380” auto.

De igual manera, se realizaron pruebas de impacto como

ángulos de incidencia de 0° y 30° con cartuchos de

calibre .380” auto en la probeta “PBC1”. En dicha

probeta se pudo constatar que el proyectil ocasionó una

penetración bastante evidente en 2 capas blandas anti-

fragmentación. Sin embargo, el proyectil se detuvo en la

cara de la placa central rígida reductora del material

compuesto “MC-AMS1”.

Después de una inspección, se verificó que la placa

del material compuesto MC-AMS1 no registró señales de

delaminación, sin embargo, si registró una mínima

deformación plástica y desgaste superficial en la zona de

impacto a causa de la energía cinética trasmitida por el

proyectil. Ver Fig.10 y Fig.11

Figura 10 – Ojivas calibre .380” auto en parada sobre la cara

frontal del material compuesto “MC-AMS1”

Figura 11 – Desgaste superficial en el material compuesto “MC-

AMS1” causado por los impactos con calibre .380” auto.

En cuanto a las ojivas, se pudo documentar que

sufrieron una importante deformación plástica,

disminuyendo con esto su nivel de penetración.

5.2. Test en probeta “PBC2”

Se realizaron pruebas balísticas, utilizando un material

testigo para medir el trauma corporal y un accesorio de

soporte según lo establecido en cada norma.

Las pruebas se efectuaron considerando los ángulos

de incidencia de 0° y 30° con la siguiente arma de fuego

semiautomática:


.380” auto.

Y en la tabla 4c se presentan las características

comerciales del cartucho utilizado en el test.

.9x19 mm

Incidencia de 0°

.9x19 mm

Incidencia de 30°

.380” auto

Incidencia de 0°

.380” auto

Incidencia de 0°

.380” auto

Incidencia de 30°



Una vez efectuados los impactos en la probeta como


importantes para la evaluación balística del material los

cuales se presentan a continuación.



incidencia con cartuchos de calibre .380 auto en la

probeta “PBC2” en los impactos a 30° se registró

penetración del proyectil en 2 capas blandas anti-

fragmentación y en la placa central rígida reductora

deteniéndose en su interior.

En cuanto al impacto a 0° se registró una penetración en

2 capas blandas anti-fragmentación, deteniéndose en la

cara de la placa central rígida reductora. En la figura 12

se muestran los impactos sobre dicha probeta

Figura 12 – Cara de la placa central rígida reductora después del

test balístico con calibre .380” auto.


constatar que el proyectil impactado a 0° de incidencia

no logro penetrar la placa central rígida, presentando

únicamente ligera ruptura de las fibras. Sin embargo, en

el caso de 30° es evidente el proceso de delaminación,

deformación plástica, desgaste y ruptura de fibras en la

zona de impacto a causa del impacto del proyectil y de la

energía cinética trasmitida por el mismo. Ver Fig.13.

Figura 13– Penetraciones y desgaste superficial en la placa central

rígida reductora causado por los impactos con calibre .380” auto.

En cuanto a las ojivas, sufrieron una importante

deformación plástica, disminuyendo su nivel de

penetración, sin embargo, ocasionando un gran daño en

la placa central.

5.3. Test en Kevlar de 11 capas.

Para el caso de las probetas con Kevlar, las pruebas de

impacto balístico fueron realizadas con ángulos de

incidencia de 0° y 30°.

Con un arma de fuego semiautomática:


.380” auto.

Y en la tabla 4c se presentan las características

comerciales del cartucho utilizado en el test.

Una vez efectuados los impactos en la probeta como


importantes para la evaluación balística del material, los

cuales se presentan a continuación.



incidencia con cartuchos de calibre .380” auto en la

probeta de “Kevlar de 11 capas” se pudo verificar la

penetración total de los proyectiles en la cara frontal de

la probeta, deteniéndose en su interior. El proyectil logro

penetrar parcialmente la probeta de “Kevlar de 11 capas”

antes de detenerse, el impacto no registró delaminación

en la probeta. Sin embargo, se registró el deshilachado en

la orilla cercana al impacto y en la cara dorsal se originó

una deformación de hongo a causa de la energía cinética

trasmitida por el proyectil. Ver Fig.14 y Fig.15

.380” auto

Incidencia de 30°

.380” auto

Incidencia de 30°

.380” auto

Incidencia de 0°

.380” auto

Incidencia de 30°

.380” auto

Incidencia de 30°

.380” auto

Incidencia de 0°



Figura 14– Ojivas calibre .380” auto en parada sobre la probeta de

“Kevlar de 11 capas”

Figura 15 – Deformación a causa del impacto de proyectiles de

calibre 9x19mm en la cara dorsal de la probeta de “Kevlar”

6. Trauma corporal

Aun portando un sistema de protección balística corporal,

el cuerpo recibe una gran cantidad de energía cinética

trasmitida por el proyectil que tiene que dispersarse a lo

largo y ancho del material balístico. Cuanto más rápido

se disperse esta energía, es menor el trauma que recibe el

usuario en su cuerpo [2]. El impacto de un proyectil en el

cuerpo humano produce una cavidad temporal en el

tejido y causa un gran daño, incluso cuando se evita la

penetración con un sistema de protección balística

corporal.

En analogía a la reverberación de una gota de agua

sobre un estanque, es de especial importancia diseñar

materiales balísticos que absorban y dispersen las fuerzas

causadas por el choque del proyectil y así evitar daños en

los tejidos vivos adyacentes.

Los niveles de trauma se miden con un material testigo

bajo condiciones específicas, donde se registra un

ahondamiento producido por el impacto del proyectil.

Ver Fig. 16.

Figura 16 – Medición de la magnitud del trauma corporal.

Para todos los niveles de protección, la profundidad

de ahondamiento máximo en el material testigo a

consecuencia del impacto balístico permitido por el NIJ,

es de 44 mm (trauma máximo) [10].

Durante las pruebas desarrolladas en el presente trabajo

se colocó cada probeta de material balístico delante del

material testigo, con la finalidad de poder medir

perfectamente el ahondamiento del trauma una vez

realizadas las pruebas y tener un registro de la magnitud

de la cavidad temporal ocasionada por la energía cinética

del proyectil al impactar en las probetas “PBC1”,

“PBC2” y en la probeta de “Kevlar de 11 capas”.

Figura 17 – Registro de ahondamiento en material testigo.

.380” auto

Incidencia de 30°

.380” auto

Incidencia de 0°

.380” auto

Incidencia de 30°

.380” auto

Incidencia de 0°



6.1. Análisis del trauma corporal

A continuación, en las figuras 17a, 17b y 17c, se

muestran los datos registrados en milímetros sobre el

material testigo después de realizar los test balísticos en

cada una de las probetas con cartuchos de calibre .380”

auto.

Figura 18a. - Trauma en probeta PBC1 en comparación con lo

permitido por la norma

Figura 18b. - Trauma en probeta PBC2 en comparación con lo

permitido por la norma.

Figura 18c . - Trauma en probeta de Kevlar en comparación con lo

permitido por la norma

Con el diseño de la probeta “PBC1” propuesta en el

presente trabajo se logró reducir significativamente el

trauma corporal máximo permitido por la norma NIJ-

STD-0101.06, con impactos de calibre .380” auto.

Se redujo el 97.6% con un ángulo de incidencia de 0°

y el 71.1% con un ángulo de incidencia de 30°.

Para el caso de la probeta de “PBC2” se logró reducir la

magnitud del trauma corporal en un 78.5% con un ángulo

de incidencia de 0° y en un 56.2% con un ángulo de

incidencia de 30° respecto al máximo permitido por la

norma NIJ-STD-0101.06.

Finalmente, en la probeta de Kevlar comercial de 11

capas, “material balístico más usado en el mundo”, se

logró reducir la magnitud del trauma corporal en un

46.8% con un ángulo de incidencia de 0° y en un 31.3%

con un ángulo de incidencia de 30° del trauma respecto

al máximo permitido por la norma NIJ-STD-0101.06.

7. Efectividad del TTQ en fibras cerámicas

“Cementante de Grafito”

La cementación tiene por objeto endurecer la superficie,

modificar su estructura y su composición química de un

material sin modificar su núcleo.

En el presente trabajo se realizó una cementación en

fibras cerámicas para aumentar su resistencia al impacto

principalmente. Se fabricaron 2 probetas configuradas

como sistemas de protección balística, en las cuales se

efectuaron pruebas bajo los estándares internacionales de

la “NIJ-STD-0101.06”.

La probeta denominada “PBC1” se fabricó con

material tratado con el cementante de grafito, mientras

que en la denominada “PBC2” no se realizó dicho

tratamiento.

A continuación, se muestran los resultados de los test

balísticos realizados.

7.1. Resistencia al impacto

Después de las pruebas balísticas realizadas con calibre

.380” auto en las probetas “PBC1” y “PBC2”, se pudo

registrar que el tratamiento termoquímico “cementante

de grafito” aumento la resistencia al impacto, a la

penetración y a el desgaste superficial en las fibras

cerámicas tratadas y al composito que se realizó con

dicho material tratado.

1 12.7

44

0

10

20

30

40

50

.380" auto

0° 30° MAX NIJ

9.419.25

44

0

10

20

30

40

50

.380" auto

0° 30° MAX NIJ

23.430.2

44

0

10

20

30

40

50

.380" auto

0° 30° MAX NIJ

mm

mm

mm



En la figura 18 se puede observar que la probeta

denominada “PBC1” no presentó penetración del

proyectil y se registró un mínimo desgaste superficial y

mínima deformación plástica, mientras que en la probeta

denominada “PBC2” la penetración del proyectil alcanzó

de 2 de las capas y se observa un alto desgaste superficial,

rompimiento de fibras y delaminación.

Figura 19 – Placas centrales rígidas reductoras de las probetas

después del embate de los proyectiles del test con calibre .380 auto

7.2. Análisis energético

Aun portando una armadura corporal antibalas, el cuerpo

recibe una gran cantidad de energía cinética trasmitida

por el proyectil, dicha energía está en función de la masa

y la velocidad y está dada en la ecuación siguiente:

𝐸𝐾 =1

2𝑚 ∗ 𝑣2

Por lo cual, si se desea obtener una primera estimación

del comportamiento energético es preciso que, durante

los test balísticos, y bajo las condiciones específicas de

cada norma, se registre el valor de las velocidades de

¨hocico¨ de cada uno de los proyectiles.

Dichos valores y se registran en la tabla 7, así como

también las estimaciones de la energía cinética de cada

uno de los proyectiles utilizados en el presente trabajo.

Tabla 5 – Velocidades de hocico registradas con cronógrafo balístico.

.45 acp 9x19 mm .380” auto

830 fps 1150 fps 985 fps

Energía cinética de los proyectiles.

.45 acp 9x19 mm .380” auto

478.40676 Joules

459.20521 Joules

269.6354 Joules

De los datos presentados en la tabla anterior, es evidente

que para el caso del proyectil de calibre .380” auto la

energía cinética es considerablemente menor en relación

a la presentada por los otros dos calibres. Esto supone en

principio que el proyectil de calibre.380 auto genera un

trauma, en el material testigo, menor al ocasionado por

los otros dos proyectiles. Dado que en el presente trabajo

no se muestra el trauma generado por los proyectiles de

calibre .45 y 9x19, se dejará para un trabajo posterior

verificar la validez de dicha suposición

8. Conclusiones

Son dos los aspectos fundamentales a destacar en el

presente trabajo.

Primero, se ha podido constatar que el uso de un

tratamiento termoquímico, como el descrito en [2], en

materiales para uso balístico supone una mejora en las

propiedades mecánicas, específicamente en la mejor

disipación de energía y esfuerzos, lo cual se traduce en

una reducción significativa en el trauma corporal

generado, como se puede verificar en las tablas 17a, 17b

y 17c.

Si en principio se asume que una mejor disipación de la

energía una vez que el proyectil impacta la probeta

supone una disminución en el valor total del trauma

generado, se puede establecer, entonces, que de las

pruebas balísticas realizadas con calibre .380” auto en las

probetas “PBC1” y “PBC2”, se verifica que el

tratamiento termoquímico “cementante de grafito”

mejoró la respuesta a la energía trasmitida por el

proyectil, de la probeta “PBC1” donde se redujo

significativamente el trauma corporal gracias a la

absorción y dispersión de energía cinética en menor

tiempo a lo largo y ancho del material.



Y segundo, se ha podido constar que el material más

ampliamente utilizado como protector balístico, Kevlar,

presenta una menor resistencia y pobre disipación del

impacto, lo cual se traduce en un alto valor del trauma

generado. Es importante resaltar, que incluso una probeta

de material no tratado termoquímicamente, el

denominado PBC2, presenta una mejor respuesta y

valores de trauma corporal menores a los obtenidos con

Kevlar.

De esto se puede establecer que tanto la configuración

PBC1 y PBC2 son opciones muy viables para su uso

como protectores corporales, si se toma como factor

determinante el trauma generado. Estando muy por

encima del material más ampliamente utilizado

actualmente.

Finalmente, es importante resaltar que como trabajo

posterior queda realizar las pruebas y medición de trauma

generado en los materiales utilizados en este trabajo, pero

con los calibres .45acp y 9x19 mm y su respectiva

comparación con el generado por el proyectil de calibre

.380 auto.

Agradecimientos

Los autores agradecen a Onna Bugeisha, a la familia

Ramírez Vázquez y al Dr. Felipe Ramírez Vázquez

por el apoyo para la obtención de los resultados de la

investigación y a la Universidad del Valle de México por

las facilidades.

Si vis pacem para bellum

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