Los materiales compuestos balísticos vienen en muchas formas y ofrecen diferentes niveles de rendimiento. Entre ellos, los composites-reforzados con fibra destacan por su ligereza y su fuerte resistencia a la penetración. Son los materiales balísticos más estudiados en la actualidad y también el segmento de más rápido-crecimiento en el mercado.
Las fibras de alto-rendimiento comúnmente utilizadas en compuestos balísticos-reforzados con fibra incluyen fibra de Kevlar, fibra de carbono, fibra de polietileno de peso molecular- (UHMWPE) ultra-alto-molecular (UHMWPE) y fibra de vidrio. Una cuestión que se debate a menudo en la industria es si la propia fibra de carbono se puede utilizar para protección balística.
¿Se puede utilizar la fibra de carbono para protección balística?
Principios de funcionamiento de los compuestos balísticos
Cuando un proyectil penetra un material compuesto, se producen varios mecanismos de daño al mismo tiempo. Estos incluyen la delaminación del laminado, la desunión entre fibra y resina, la falla por tracción de la fibra y la deformación de la cara posterior. Durante estos procesos, la energía cinética del proyectil se reduce gradualmente, lo que conduce a una protección balística.
Después del impacto, se generan ondas de tensión en el punto de contacto. Estas olas se propagan de dos maneras principales. Primero, viajan a lo largo del eje de la fibra. Las fibras están unidas mediante resina en los puntos de intersección. Cuando las ondas de tensión llegan a estos puntos, se transfieren a otras fibras. Esto aumenta el área de distribución de tensión y ayuda a disipar la energía. En segundo lugar, cuando las ondas de tensión alcanzan la interfaz fibra-resina, se produce una reflexión y se forma delaminación. Este proceso absorbe energía adicional.
En los compuestos balísticos reforzados con fibra-, la cara de impacto experimenta principalmente falla por corte, mientras que la cara posterior sufre principalmente falla por tracción. Por esta razón, los compuestos reforzados con un solo tipo de fibra a menudo no pueden lograr un rendimiento balístico óptimo. Combinando diferentes fibras y diseñando una estructura en capas, se puede lograr una mejor protección balística.
Descripción general de la fibra de carbono
La fibra de carbono se refiere a fibras en las que el carbono representa más del 90% de la masa total. Se produce a partir de fibras orgánicas mediante reacciones en fase sólida-y forma un material fibroso de polímero de carbono. La fibra de carbono es conocida por su bajo peso, alta resistencia, alto módulo, resistencia al calor, resistencia al impacto, estabilidad química y baja expansión térmica.
Sin embargo, la fibra de carbono tiene un bajo alargamiento de rotura y una tenacidad limitada. Por este motivo, rara vez se utiliza solo y se aplica principalmente como material de refuerzo en composites.
Los chalecos balísticos y otras armaduras protectoras se basan en materiales en capas que pueden absorber y distribuir la energía del impacto. Estos materiales suelen tener una alta resistencia a la tracción y pueden deformarse bajo tensión, lo que ayuda a disipar la energía de una bala.
Aunque la fibra de carbono tiene una resistencia muy alta, tiene poca ductilidad y una capacidad limitada para absorber y disipar energía cinética. También es frágil y propenso a fracturarse bajo impacto o carga repetida. Como resultado, los compuestos de fibra de carbono fabricados únicamente con resina y fibra de carbono no son eficaces para la protección balística. En la práctica, la fibra de carbono suele combinarse con otras fibras de alto-rendimiento para lograr un rendimiento balístico.
El papel de la fibra de carbono en materiales balísticos
Si la fibra de carbono no es adecuada como principal material-para detener balas, ¿por qué se sigue utilizando en algunos compuestos balísticos?
La fibra de carbono se valora por su alta resistencia específica y durabilidad. Cuando se utiliza como componente de refuerzo en materiales balísticos, especialmente cuando se combina con Kevlar u otras fibras balísticas, mejora la resistencia a la perforación y la fragmentación. Al mismo tiempo, reduce el peso total, lo que mejora la comodidad y la movilidad.
La fibra de carbono contribuye principalmente de las siguientes maneras:
Refuerzo estructural:
La fibra de carbono añade integridad estructural a los materiales balísticos compuestos. Cuando se recubre con Kevlar u otras fibras balísticas, ayuda a mantener la integridad del material después del impacto y favorece la distribución de la energía del impacto, lo que reduce el riesgo de penetración.
Reducción de peso:
Los compuestos balísticos suelen basarse en estructuras multi-capas para detener los proyectiles. La baja densidad de la fibra de carbono ayuda a reducir el peso total, mejorando la comodidad y la flexibilidad del usuario.
Conclusión
La fibra de carbono ofrece alta resistencia y bajo peso, pero debido a su fragilidad y su limitada capacidad de absorción de energía, no es balística por sí sola. Su rigidez y tendencia a fracturarse bajo el impacto reducen su eficacia para detener las balas. Sin embargo, cuando se utiliza como parte de un sistema compuesto, la fibra de carbono puede favorecer el rendimiento balístico. Combinando su resistencia estructural con otras fibras que absorben y disipan energía, se puede lograr una protección balística eficaz.
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