Desarrollo y modelización del comportamiento frente a impacto de materiales compuestos de matriz polimérica y carga cerámica

Abstract

En esta tesis doctoral se ha desarrollado un nuevo material compuesto de matriz polimérica con carga de partículas cerámicas, incluyendo su proceso de fabricación, y se ha realizado un estudio experimental, numérico y analítico de su comportamiento frente a impacto de proyectiles de bajo calibre en el rango de velocidades medio-alto (de 400 mis a 1000 mis). El proceso de fabricación del material, que consta de una fase de mezclado seguida de una fase de compactación uniaxial, permite obtener losetas del material compuesto con porcentajes en peso de la carga cerámica de hasta el 80% y porosidad inferior al 2%. Las partículas cerámicas empleadas han sido ~03 y CSi, que en estado granular (0-8 mm), presentan bajo coste y gran disponibilidad. Como matriz polimérica se ha utilizado resina viniléster, la cual presenta óptimas propiedades de trabajabilidad y comportamiento mecánico. Las pruebas de fuego real realizadas en galería de tiro y en una instalación experimental de cañón de gas sobre blindajes fabricados con el material desarrollado muestran que éste presenta una eficiencia balística intermedia entre la correspondiente a los materiales metálicos convencionales y la cerámica monolítica empleada en protecciones llgeras, con un coste menor. Se ha desarrollado, y posteriormente implementado en un código de diferencias finitas, un modelo de comportamiento mecánico del nuevo material, que ha sido validado con resultados experimentales. Un modelo analítico propuesto para el proceso de penetración de proyectiles en protecciones formadas por losetas del material compuesto adheridas sobre una placa metálica, permite obtener la deflexión en la placa de respaldo y las velocidades residuales de los proyectiles impactantes. El modelo analítico ha sido validado con los resultados de la simulación numérica.

A new material composed of polymeric matrix loaded with ceranúc particles has been developed. This new composite material has been designed and manufactured and an empirical, numerical and analytical study of the ballistic behavior for low and medh.lm caliber projectiles has been carried out. The manufacturtng process, which is of two phases: mixing and uniaxial compactation, allows to obtain composite tiles with ceranúc weight percentages of 80% and low porosity «2%). Low cost ceranúc particles of ~03 and CSi (0-8 mm) were used. The polymeric matrix is a thermosetting vinylester resin that is appropriate for manufacturing proccess and presents suitable mechanical properties. Full-scale fue tests were carried out on the compositejmetal armour. The efficiency of the developed material is halfway between that of the traditional metallic materials and that of monolithic ceranúc materials. The mechanical behaviour of the new composite material has been numerically modelled. This behaviour was implemented in a finite differences commercial codeo Numerical results agree with experimental data. An analytical modelling of the process of penetration of projectiles on composite/metal armour has been developed. This model may be used to predict armour deflections and projectile residual velocities. This model has been validated with numerical simulation results.