MX2012004578A

MX2012004578A - Cascos que comprenden ceramica para proteccion contra fragmentos de alta energia y balas de rifle.

Info

Publication number: MX2012004578A
Application number: MX2012004578A
Authority: MX
Inventors: Ashok Bhatnagar; Lori Wagner; Bradley Grunden
Original assignee: Honeywell Int Inc
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2012-06-01
Also published as: WO2011049819A3; JP2016075471A; BR112012009429A2; IL219233A0; RU2556501C2; CA2778050C; CN102656418B; KR101538318B1; TWI517798B; CA2778050A1; EP2491333A2; JP2013508666A; IL219233A; US8887312B2; WO2011049819A2; CN102656418A; EP2491333A4; KR20120099234A; JP2018025388A; TW201130439A

Abstract

Se describen cascos para aplicaciones militares y otra que requieren resistencia a fragmentos de alta energía y balas de rifle. Los casos se fabrican con una combinación de cerámica, ya sea como un monolito o como una pluralidad de piezas discretas y un material de refuerzo interno que tiene una pluralidad de capas fibrosas tales como capas de fibra de poliolefina y/o aramida.

Description

CASCOS QUE COMPRENDEN CERÁMICA PARA PROTECCIÓN CONTRA FRAGMENTOS DE ALTA ENERGÍA Y BALAS DE RIFLE CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a cascos protectores, que son útiles para la milicia, aplicación de la ley y otras aplicaciones. Más concretamente, los cascos ofrecen protección contra proyectiles de alta energía, incluyendo fragmentos de armas de fuego, balas de pistolas y balas de fusil.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA Los cascos protectores son bien conocidos. Los cascos se han utilizado para aplicaciones militares y no militares. Ejemplos de esto último son los usos de aplicación de leyes, usos deportivos y otro tipo de usos en los que la seguridad es una preocupación primordial. Los cascos de protección utilizados para usos en la milicia y la aplicación de la ley, en particular, han de ser resistentes a las balas.

Los cascos típicos están construidos para proteger de los proyectiles de baja energía, tales como balas de armas de fuego manuales. Los cascos militares actualmente más populares, por ejemplo, se forman a partir de fibras de aramida, típicamente en forma de varias capas de fibras de aramida, junto con un material de resina, tales como una resina fenólica. Los cascos representativos formados de fibras de aramida se describen, por ejemplo, en US 4,199,388, US 4,778,638 y US 4,908,877. La protección contra balas de fusil, sin embargo, requiere una mejora en los cascos de este tipo en vista de la energía que aumentó significativamente poseído por balas de fusil. Los cascos que protegen contra balas de rifle deben ser relativamente cómodos de llevar. Los ejemplos de balas de fusil contra el que se desea la protección incluyen bola ANTO 80, el AK-47, el AK 74, los LPS de Rusia, SS 109 de la Unión Europea, y similares.

Mientras que en la actualidad se utilizan cascos contra balas militares y policiales son adecuados para fragmentos de baja velocidad y las balas de baja energía, tales como balas de armas de fuego manuales, que no proporcionan una mayor protección contra fragmentos de alta energía y las balas de fusil. Ejemplos de los primeros son los fragmentos de granadas de mano y fragmentos de proyectiles de otros artefactos explosivos. Se describen los cascos diseñados para proteger contra fragmentos de proyectil (en lugar de balas de fusil), por ejemplo, en la solicitud de patente de E.U.A. copendiente No. de serie 11/706,719, presentada el 15 de febrero 2007.

Existe una necesidad en la técnica para los cascos que se pueden proteger de manera eficaz al personal militar y otros usuarios en contra de fragmentos de alta energía y las balas de fusil, con lo que se mejora considerablemente su seguridad cuando se enfrentan a situaciones peligrosas y potencialmente mortales, tales como de fuego enemigo.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con el descubrimiento de los cascos que son resistentes a los fragmentos de alta energía y balas de fusil. Más particularmente, se ha encontrado que el uso de cerámica, por ejemplo dispuesta en una capa de la protección del casco y, opcionalmente, en combinación con otras capas tales como una capa de tejido, puede ayudar a proporcionar esta protección necesaria. Ventajosamente, los cascos que tienen el grado deseado de resistencia pueden ser fabricados en espesores y pesos generales comercialmente deseables.

Las modalidades de la invención se dirigen, por lo tanto, a los cascos que efectivamente resisten, o impiden la penetración de los fragmentos y balas de alta energía. Los cascos representativos incluyen una protección que comprende desde el exterior hacia el interior (a) una capa externa que comprende una cerámica y (b) un material de soporte interna que comprende una pluralidad de capas fibrosas. De acuerdo con modalidades más específicas, el material de cerámica y el respaldo están presentes en cantidades, respectivamente, de aproximadamente 30% a aproximadamente 85%, y de aproximadamente 10% a aproximadamente 50%, en peso de la cubierta .

En otras modalidades particulares, la cerámica está en la forma de un monolito o pieza única y continua, que se ajusta a una forma curvada de la cubierta. En una modalidad alternativa, la cerámica está en la forma de una pluralidad de placas de cerámica que se ajustan a una forma curva de la cubierta, por ejemplo, las placas pueden ser no planas y adaptadas a las formas de los sectores o regiones sobre las que se divide el casco superficie de la cubierta. En el caso de placas de cerámica, estas pueden ser mecánicamente equipadas uno con un otro o de alguna manera unidas químicamente (por ejemplo, utilizando un agente de unión, tal como pegamento o cemento) .

En general, las capas fibrosas del material de soporte interior comprende fibras de alta tenacidad en una matriz de resina. De acuerdo con modalidades particulares, de aproximadamente 2 a aproximadamente 250 capas fibrosas y con frecuencia de aproximadamente 5 a aproximadamente 150 capas fibrosas, se puede incorporar en el material de soporte. Las fibras representativas de alta tenacidad de las capas fibrosas comprenden fibras de poli'olefina y fibras de aramida. Pueden ser utilizadas combinaciones de diferentes tipos de fibras y telas. Cualquier tipo de fibra de alta tenacidad puede estar en una red que tiene forma de un tejido, de punto o tela no tejida. Las matrices de resina representativas comprenden resinas tanto termoendurecibles como termoplásticas . Las resinas De termofraguado incluyen resinas epoxidicas, resinas de uretano, resinas de poliéster, resinas de ésteres vinilicos y resinas fenólicas. Las resinas termoplásticas incluyen copolimeros de bloque de isopreno-estireno-isopreno y poliuretanos termoplásticos . También se pueden emplear resinas híbridas que comprenden al menos una resina termoendurecible y al menos una resina termoplástica .

De acuerdo con otras modalidades particulares, la protección del casco puede comprender capas adicionales, incluyendo un amortiguador y/o capa de humedad del material resistente, que puede estar dispuesta fuera de la capa externa, por ejemplo, como una capa exterior que está más cerca de la parte exterior de superficie de la protección del casco, relativo a la capa externa que comprende cerámica. Esta capa de material adicional puede ser, por ejemplo, una espuma de celda cerrada tal como un nitrilo de vinilo (por ejemplo, el nitrilo de PVC) , un polietileno, o una espuma de vinilo de acetato de etileno. Una o más capas de adhesivo, por ejemplo, primera y segunda capas de adhesivo, pueden estar dispuestas, respectivamente, entre (i) la capa de material absorbente de choque y la capa externa que comprende cerámica y (ii) esta capa exterior y el material de refuerzo interior.

En otras modalidades particulares, la cubierta tiene una densidad de área de aproximadamente 0.5 lb/pie2 (2.45 kg/m2) a aproximadamente 10 lb/pie2 (48,9 kg/m2) , típicamente de aproximadamente 3 lb/pie2 (14,7 kg/m2) a aproximadamente 8 lb/pie2 (39.2 kg/m2), y con frecuencia desde aproximadamente 3 lb/pie2 (14.7 kg/m2) a aproximadamente 5 lb/pie2 (24.5 kg/m2) y es resistente a una bala de fusil que tiene un energía de al menos aproximadamente 1600 J (1180 pies-libra), por ejemplo desde aproximadamente 1600 J (1180 pies-libra) a aproximadamente 4000 J (2950 pies-libra).

Otras modalidades de la invención se dirigen a métodos para formar una cubierta para un casco como se discutió anteriormente. Los métodos comprenden el suministro, a un molde, (por ejemplo entre secciones troquel macho y hembra opuestos igualados, del molde) una capa externa que comprende una cerámica y un material de soporte interna que comprende una pluralidad de capas fibrosas. Generalmente, la capa externa está dispuesta en un molde igualado de manera que está más cerca de la superficie de la sección de troquel hembra, en relación con el material de refuerzo interior. Esto se traduce en una protección del casco que está formado con la capa externa que comprende cerámica siendo más estrecha, en relación con un material de soporte interior, a la superficie exterior de la protección del casco. Además, una capa de adhesivo también puede ser suministrado al molde entre la capa exterior y material de soporte interno. Los métodos comprenden además la aplicación de calor y presión para la capa exterior, material de refuerzo interior, y la capa de adhesivo (si se utiliza) para unir la cerámica al material de soporte interior y formar la cubierta.

La cubierta por lo tanto, puede estar formada por la apilación de las capas fibrosas del material de soporte interior en la superficie interior de la capa exterior que comprende una cerámica (por ejemplo, como una cerámica de monolito) y aplicando calor y/o presión para consolidar o curar el material de soporte y se adhieren a la capa exterior. Las condiciones apropiadas para la consolidación o el curado se pueden conseguir en el moldeo por troquel igualado o procesos de moldeo por autoclave. Una técnica de consolidación o curación de autoclave particular emplea vacio que protege la colocación del material de refuerzo de capa externa e interna, opcionalmente con adhesivo y otras capas, como se describe en este documento con mayor detalle. Vacio embolsado en un horno (es decir, sin la aplicación de arriba a presión atmosférica externa) también se puede realizar para la consolidación o el curado. Cualquier tipo de proceso puede ser asistido mediante una capa adhesiva tal como cemento entre el material de soporte interior y la capa externa, con el fin de unir estos componentes. El uso de adhesivo tal como cemento de contacto en ausencia de presión, vacio, y/o calefacción también pueden ser suficientes en algunos casos.

En modalidades alternativas, se utilizan las combinaciones de técnicas de moldeo. Por ejemplo, el material de soporte interior puede ser moldeado por separado en un molde igualado y luego adherido a la capa externa que comprende cerámica (por ejemplo, como un monolito en forma de cerámica o de una sola pieza) , utilizando una capa de adhesivo (por ejemplo, cemento de contacto) con o sin la aplicación de calor y/o presión.

Otras modalidades están dirigidas a las cubiertas casco moldeados preparados de acuerdo con estos métodos.

Estas y otras modalidades y aspectos de la invención y sus ventajas asociadas, son evidentes a partir de la siguiente descripción detallada.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 representa una vista de recorte representativa, de una protección del casco de acuerdo con una modalidad ejemplar de la presente invención.

Las características de la protección del casco contemplado en la Figura 1 no están necesariamente dibujadas a escala y debe entenderse que presentan una ilustración de la invención y/o principios implicados. Otros cascos de acuerdo con la presente invención tendrán configuraciones determinadas en parte por la aplicación deseada y el medio ambiente en el que se utilizan.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Como se mencionó anteriormente, la invención se asocia con el fragmento de alta energía y de los cascos de bala resistentes que comprende cerámica, que puede ser respaldada con un compuesto de capa de materiales de fibra reforzada. Los cascos representativos de acuerdo con la presente invención comprenden por lo tanto una protección del casco, que se refiere a la porción de casco redondeado que define un volumen interior que ha de protegerse (y ocupada por la cabeza del usuario durante el uso) . La protección comprende una capa exterior, es decir, una capa que está dispuesta más próxima, en relación con un material de soporte interior, a la superficie exterior de la protección del casco. Por el contrario, el material de soporte interior está dispuesta más próxima, en relación con la capa exterior, a la superficie interior cóncava de la protección del casco hacia su volumen interior. La capa externa comprende un material de cerámica. Por lo tanto, en vista de la dirección de desplazamiento de un fragmento de alta energía o bala de fusil hacia el casco (por ejemplo, de un enemigo combatiente) , la capa externa que comprende cerámica es impactada primero, seguido por el material de soporte.

Sin estar limitado por la teoría, se cree que los resultados de la eficacia de cascos de la invención a partir de la capacidad de la cerámica en la capa externa para vencer el proyectil entrante, como una bala de fusil, por embotamiento, rompiendo, deformando, desprendimiento, y/o tambaleo (giro) , de algún modo lo rompen y/o desestabilizan. El material de soporte interior actúa entonces como un apoyo para la cerámica dañada (por ejemplo, mediante el mantenimiento en su lugar) y también continúa para detener el proyectil. Este material puede servir venta osamente para atrapar o recoger los restos tanto del proyectil y cerámica rotos, impidiendo así su penetración adicional.

El casco puede comprender otras capas, por ejemplo un amortiguador, la humedad y/o capa de material resistente a la flama puede estar dispuesta fuera de, o cerca de la superficie exterior de la protección del casco, en relación con la capa exterior. Los materiales adecuados representativos que proporcionan una buena absorción de choque, la humedad y/o resistencia a la a la flama incluyen espumas de celdas cerradas, que pueden ser espumas de nitrilo de vinilo (por ejemplo, nitrilo de PVC) , espuma de polietileno, o espuma de EVA. La absorción de choque, la humedad y/o capa resistente a la flama, el material puede ser la capa más externa o exterior de la cubierta (es decir, la capa que está inicialmente golpeada por una bala u otro proyectil) . Uno o más capas adicionales pueden estar dispuestas entre la absorción de choque, la humedad y/o capa de material resistente a la flama y la capa externa. Alternativamente, la capa adicional puede ser dispuesta en el exterior de la absorción de choque, la humedad y/o capa de material resistente a la flama. Tales capas adicionales pueden incluir, por ejemplo, materiales que protegen la cerámica de fracturas durante el uso normal o mal uso posiblemente .

Las capas de adhesivo pueden ser incluidos entre cualquiera de las capas se ha descrito anteriormente para mejorar la compatibilidad/unión de las capas adyacentes. Por ejemplo, una capa de adhesivo puede ser incorporada entre la capa exterior que comprende la cerámica y el material de refuerzo interior. De lo contrario, solo o en combinación con esta capa de adhesivo, otra capa de adhesivo se puede disponer entre la absorción de choques y/o capa de material resistente humedad se discutió anteriormente y la capa externa que comprende cerámica. El uso de una capa de adhesivo entre las capas pares adyacentes funcionales descritos anteriormente se contempla, asi como el uso de múltiples capas de adhesivo. Los adhesivos adecuados incluyen pulverización liquida, o adhesivos de película que comprenden epóxidos, poliuretanos , siliconas, acrílicos, o poliamidas y también materiales tales como especialidad anaeróbica y cianoacrilatos . Uno y dos sistemas de componentes de cada uno de estos tipos de adhesivos están disponibles comercialmente . Los adhesivos pueden curarse a temperatura ambiente o por exposición al calor.

De acuerdo con una modalidad, la cerámica de la capa exterior puede estar en la forma de una pieza única o monolito que tiene el mismo o en general la misma forma que la forma global de la cubierta. Sin embargo, debido a la tendencia de las grietas de cerámica se propaguen a las secciones remotas cuando es golpeado por un fragmento o una bala, un monolito de cerámica no siempre es óptima, especialmente para el personal militar u otros usuarios que podrían estar en riesgo de recibir varios disparos.

De acuerdo con otras modalidades, por lo tanto, el daño a la cerámica desde unos disparos únicos o múltiples puede ser confinado o localizado mejor utilizando una pluralidad de placas conformadas de cerámica o baldosas (por ejemplo, dos o más, típicamente de 2 a aproximadamente 100, y a menudo desde aproximadamente 5 a aproximadamente 50), en combinación, a la forma global curva de la protección del casco. Por lo tanto, las placas o tejas puede coincidir o corresponder en su forma a las diversas sub-regiones o sectores de la protección del casco en general, con algunos, todos, o (por ejemplo, típicamente al menos aproximadamente 50% ya menudo al menos aproximadamente 80%) sustancialmente todas las placas o tejas que tienen una forma no plana que les permite ajustarse mejor a la curvatura de la cubierta.

Algunas o todas estas placas o tejas físicamente pueden apoyarse uno al otro, por ejemplo tal que las placas se unen mecánicamente o unido mediante adhesivo (por ejemplo, un adhesivo liquido) en un número de juntas de tope, por ejemplo a lo largo de una línea recta, entre las fronteras de placas. De lo contrario, las placas pueden ser unidas mecánicamente o montadas en sus bordes adyacentes con alguna superposición (por ejemplo, en una forma parecida a las piezas del rompecabezas o el uso de tal superposición conjunta como una unión o cola de milano). Las juntas a tope u otros tipos de uniones pueden o no pueden ser reforzadas mecánicamente (por ejemplo, con agentes internos de refuerzo tales como tacos de metal) o químicamente (por ejemplo, con un agente de unión adhesiva tal como pegamento o cemento) .

El montaje de las placas o tejas en sus respectivos límites por lo tanto, puede proporcionar una cobertura completa, alrededor de la protección, con una cerámica de la misma manera como se discutió anteriormente con respecto al uso de un monolito de cerámica. De acuerdo con otras modalidades, sólo una cobertura parcial de la protección del casco puede ser deseable, por ejemplo, en aquellas áreas alrededor de la corona del casco o inferior, la superficie periférica generalmente orientada verticalmente del casco (cuando se usa), que es más probable que sean afectados. La cobertura de sólo una porción particular o porciones de la protección del casco puede, de acuerdo con algunas modalidades, reducen el peso total del casco y/o coste sin afectar significativamente el rendimiento deseado para la mayoría de las aplicaciones. Típicamente, la cerámica proporciona cobertura sobre al menos aproximadamente 50%, ya menudo al menos aproximadamente 80%, de la superficie de la protección del casco.

Las placas cerámicas o azulejos, o de otra manera un monolito cerámico, como se describe aquí, se refieren a piezas de material sólido, o de otro modo un material sólido único, que comprende cerámica. Cerámica se refiere a materiales refractarios inorgánicos incluidos los carburos, nitruros, óxidos, boruros y, con óxido de aluminio, carburo de boro, carburo de silicio, nitruro de silicio y diboruro de titanio siendo representativa. De éstos, el óxido de aluminio, carburo de boro y el carburo de silicio se emplean a menudo. Estos materiales pueden ser reforzados (por ejemplo, con fibras internas) o no reforzado. Sólidos no fibrosos materiales que tienen la capacidad de mitigar, romper, deformar, tira, y/o caída (vuelta), o de lo contrario se rompen y/o desestabilizar una bala u otro proyectil también se consideran de cerámica para fines de esta descripción. Tales materiales incluyen resinas de cerámica, metal llenos resinas pellets llenos, vidrio resinas de talón llenas, y materiales compuestos similares. Las placas de cerámica o monolito cerámico pueden comprender la totalidad o sustancialmente todo cerámico. Más en general, sin embargo, las placas de cerámica o monolito cerámico pueden comprender al menos aproximadamente 50% en peso, típicamente al menos aproximadamente 70% en peso, y, a menudo al menos aproximadamente 85% en peso, de cerámica. Las placas o monolito por lo tanto pueden estar compuestas con materiales fibrosos o no fibrosos que no son de cerámica. Una cerámica rica en compuesto ilustrativa, por ejemplo, se describe en E.U.A. 7,104,177.

Las placas o tejas que comprenden cerámica puede ser planas o de otra forma no plana (por ejemplo, curvada) las superficies correspondientes a la forma de sub-regiones o sectores de la protección del casco en general. En general, todas o algunas, por ejemplo al menos 50% ya menudo al menos 85%, de las placas o baldosas de cerámica tienen una forma no plana, en particular una forma curva según el juego o una sección de la protección del casco. La forma de dos dimensiones (es decir, la forma general supone si la forma no plana se prensaron hipotéticamente planas en un plano) de las placas o tejas pueden ser rectangulares (por ejemplo, cuadrada), circulares o de forma ovalada, poligonal, etc. Generalmente, las formas con bordes rectos, como polígonos (por ejemplo, cuadrados o hexágonos) son los preferidos por la simplicidad y la facilidad de adaptación de los limites de las placas o baldosas adyacentes vecinas sin dejar huecos, maximizando así la cobertura. Las anchuras o grosores de las placas, o anchura o grosor de la cerámica en una forma monolito como se discutió anteriormente, está generalmente en el intervalo de aproximadamente 2 mm (0.079 pulgadas) a aproximadamente 12 mm (0.47 pulgadas), típicamente de aproximadamente 3 mm (0.12 pulgadas) a aproximadamente 10 mm (0.39 pulgadas) y con frecuencia de aproximadamente 4 mm (0.16 pulgadas) a aproximadamente 6 mm (0.24 pulgadas). La cerámica, ya sea como un monolito o como una pluralidad de placas generalmente tendrá un espesor sustancialmente uniforme en esta gama. Sin embargo, puede ser deseable en modalidades particulares para proporcionar una anchura mayor en las zonas más críticas, como la superficie periférica orientada verticalmente del casco como se discutió anteriormente. Esto puede lograrse mediante el aumento de la anchura de un monolito cerámico o placa en estas zonas, o de otra manera mediante el uso de placas de cerámica que tienen una mayor anchura en estas áreas, pero son uniformes.

Por lo tanto, de acuerdo con la invención, la protección del casco está formada a partir de capas que comprenden diferentes materiales contra balas, incluyendo una capa exterior que comprende cerámica y un material de respaldo interior (o múltiples materiales) que comprende capas fibrosas. El material de soporte interno está dispuesto hacia el interior de la protección del casco respecto a la capa exterior. Las capas fibrosas del material de soporte interno pueden comprender cualquiera de un número de tipos de fibras o materiales combinaciones como se describe aqui. Por ejemplo, las mezclas de materiales tejidos, mezclas de materiales no tejidos, y combinaciones de materiales, tanto tejidas y no tejidas pueden ser utilizadas.

Para los fines de la presente invención, una fibra es un cuerpo alargado de la dimensión de longitud que es mucho mayor que las dimensiones transversales de anchura y espesor. Por consiguiente, el término incluye fibra monofilamento, multifilamento, tira de la cinta, grapas y otras formas de fibra picada, cortada o discontinua y la como tener sección transversal regular o irregular. El término "fibra" incluye una pluralidad de cualquiera de los anteriores o una combinación de los mismos. Un hilo es una hebra continua compuesta de muchas fibras o filamentos.

Como se usa aqui, el término "fibras de alta tenacidad" significa fibras que tienen tenacidades igual o mayor que aproximadamente 7 g/d. Preferiblemente, estas fibras tienen módulos iniciales a la tracción de al menos aproximadamente 150 g/d, y las energías al punto de ruptura de al menos aproximadamente 8 J/g, medida por ASTM D2256. Tal como se usa aquí, los términos "módulo de tracción inicial", "módulo de tracción" y "módulo" significa el módulo de elasticidad, medido por ASTM 2256 para un hilo y por ASTM D638 para un material elastómero o matriz. Preferiblemente, las fibras de alta tenacidad tienen tenacidades igual o mayor que aproximadamente 10 g/d, más preferiblemente igual o mayor que aproximadamente 15 g/d, incluso más preferiblemente igual o mayor que aproximadamente 20 g/d, y más preferiblemente igual o mayor que aproximadamente 30 g/d. Para fibras de alta tenacidad de polietileno las tenacidades preferidas varían desde aproximadamente 20 a aproximadamente 55 g/d. Preferiblemente, al menos aproximadamente 50% en peso, y más preferiblemente al menos aproximadamente 75% en peso, de las fibras en la pluralidad de capas fibrosas son fibras de alta tenacidad. Más preferiblemente la totalidad o sustancialmente la totalidad de las fibras en la pluralidad de capas fibrosas son fibras de alta tenacidad.

Las secciones transversales de las fibras útiles en esta invención pueden variar ampliamente. Se puede ser circulares, planas u oblongas en sección transversal. También pueden estar en sección transversal multilobular irregular o regular que tienen uno o más lóbulos regulares o irregulares que se proyectan desde el eje lineal o longitudinal del filamento. Se prefiere particularmente que las fibras sean sustancialmente circulares, planas u oblongas en sección transversal, lo más preferiblemente que las fibras de tener sección transversal sustancialmente circular.

Los hilos de fibras tales como fibras de alta tenacidad utilizados en la presente pueden ser de cualquier denier adecuado, tal como, por ejemplo, aproximadamente 50 a aproximadamente 5000 denier, más preferiblemente de aproximadamente 200 a aproximadamente 5000 denier, aún más preferiblemente de aproximadamente 650 a alrededor de 3000 denier, y más preferiblemente de aproximadamente 800 a aproximadamente 1500 denier.

Las fibras de alta tenacidad, tales como fibras de poliolefina o fibras de aramida son representativas de los utilizados en las capas fibrosas del material de refuerzo interior. Las fibras son fibras de poliolefina de alta tenacidad preferiblemente polietileno y/o fibras de polipropileno de alta tenacidad. Más preferiblemente, las fibras de poliolefina son fibras de polietileno de alta tenacidad, también conocidas como fibras de polietileno extendidas o de cadena altamente orientadas a altas fibras de polietileno de peso molecular. El documento de poliolefina y fibras de aramida útiles son conocidas y poseen excelentes propiedades de resistencia contra balas.

La US 4,457,985 describe generalmente fibras de polietileno y fibras de polipropileno de alta peso molecular, y la descripción de esta patente se incorpora por referencia en la medida en que no es incompatible la misma. En el caso de fibras de polietileno, las fibras adecuadas son las de peso molecular medio de al menos aproximadamente 150,000, preferiblemente al menos aproximadamente un millón y más preferiblemente entre aproximadamente dos millones y alrededor de cinco millones. Tales fibras de polietileno de alto peso molecular pueden ser hiladas en solución (véase US 4,137,394 y US 4,356,138,), o un filamento hilado a partir de una solución para formar una estructura de gel (véase US 4,413,110, Off. Alemán. No. 3,004, 699 y Patente de GB No. 2,051,667), o las fibras de polietileno pueden ser producidas por un proceso de laminación y extracción (véase US 5,702,657). Tal como se usa en la presente, el término polietileno significa un material de polietileno predominantemente lineal que puede contener cantidades menores de cadena ramificada o comonómeros que no excedan de alrededor de 5 unidades por cada 100 átomos de modificadores de la cadena principal de carbono, y que también pueden contener mezclado con las mismas no más de aproximadamente 50 por ciento en peso de uno o más aditivos poliméricos tales como alqueno-l-polimeros , en particular polietileno de baja densidad, polipropileno o polibutileno, copolimeros que contienen mono-olefinas como monómeros primarios, poliolefinas oxidados, copolimeros de injerto de poliolefina y polioximetilenos , o aditivos de bajo peso molecular tales como antioxidantes, lubricantes, agentes de detección ultravioleta, colorantes y similares que se incorporan comúnmente .

Las fibras de polietileno de alta tenacidad están disponibles comercialmente y se venden bajo la marca comercial fibras SPECTRA® por Honeywell International Inc., de orristow , New Jersey, USA, también pueden ser utilizadas las fibras de polietileno de otras fuentes.

Dependiendo de la técnica de formación, la relación de estiramiento y las temperaturas y otras condiciones, una variedad de propiedades puede ser impartida a estas fibras. La tenacidad de las fibras de polietileno es de al menos aproximadamente 7 g/d, preferiblemente de al menos aproximadamente 15 g/d, más preferiblemente de al menos aproximadamente 30 g/d, aún más preferiblemente de al menos aproximadamente 35 g/d y más preferiblemente de al menos aproximadamente 45 g/d. De manera similar, el módulo de tracción inicial de las fibras, medida por una máquina de ensayo Instron para tracción, es preferiblemente al menos de aproximadamente 300 g/d, más preferiblemente al menos de aproximadamente 500 g/d, aún más preferiblemente al menos de aproximadamente 1,000 g/dia y más preferiblemente al menos de aproximadamente 1,800 g/d. Estos valores más altos de módulo de elasticidad inicial y la tenacidad son por lo general sólo puede obtenerse mediante el empleo de una solución de producción o gira de gel de procesos. Muchos de los filamentos tienen puntos de fusión más alto que el punto de fusión del polímero a partir de la cual se formaron. Así, por ejemplo, polietileno de alto peso molecular de aproximadamente 150,000, aproximadamente un millón y aproximadamente dos millones de peso molecular generalmente tienen puntos de fusión en el grueso de 138°C (280°F) . Los filamentos de polietileno altamente orientados hechos de estos materiales tienen puntos de fusión de aproximadamente 7°C (13°F) a aproximadamente 13°C (23°F) más alta. Por lo tanto, un ligero incremento en el- punto de fusión refleja la perfección cristalina y mayor orientación cristalina de los filamentos en comparación con la masa del polímero.

De forma similar, se pueden utilizar fibras de polipropileno altamente orientadas de peso molecular de peso molecular medio ponderado de al menos aproximadamente 200,000, preferiblemente al menos aproximadamente un millón y más preferiblemente al menos aproximadamente dos millones. Tal polipropileno de cadena extendida se pueden formar de filamentos razonablemente bien orientados por las técnicas establecidas en las diversas referencias mencionadas anteriormente y especialmente por la técnica de E.U.A. 4,413,110. Dado que el polipropileno es un material mucho menos cristalino que el polietileno y contiene grupos colgantes de metilo, los valores de tenacidad alcanzables con polipropileno generalmente son sustancialmente menores que los valores correspondientes para el polietileno. En consecuencia, una tenacidad adecuada es preferiblemente al menos aproximadamente 8 g/dia, más preferiblemente al menos aproximadamente 1 1 g/d. El módulo de tracción inicial para el polipropileno es preferiblemente de al menos aproximadamente 160 g/d y más preferiblemente al menos aproximadamente 200 g/d. El punto de fusión del polipropileno generalmente se elevó varios grados por el proceso de orientación, de tal manera que el filamento de polipropileno tiene preferiblemente un punto de fusión principal de al menos 168°C (334°F), más preferiblemente al menos 170°C (338°F). Los rangos particularmente preferidos para los parámetros descritos anteriormente ventajosamente pueden proporcionar un rendimiento mejorado en el articulo final. El empleo de fibras que tienen un peso molecular promedio en peso de al menos aproximadamente 200,000, junto con los intervalos preferidos de los parámetros descritos anteriormente (módulo y tenacidad) puede proporcionar un rendimiento mejorado ventajosamente en el articulo final.

En el caso de fibras de aramida, las fibras adecuadas formadas a partir de poliamidas aromáticas se describe en US 3,671,542, que se incorpora en la presente por referencia a la medida que sea compatible a la misma. Las fibras preferidas de aramida tendrán una tenacidad de al menos aproximadamente 20 g/d, un módulo de tracción inicial de al menos aproximadamente 400 g/d y una energía al punto de ruptura de al menos aproximadamente 8 fibras de aramida J/g, y las particularmente preferidas tienen que una tenacidad de al menos aproximadamente 20 g/d, y una energía al punto de ruptura de al menos aproximadamente 20 J/g. La mayoría de las fibras de aramida preferidas tendrán una tenacidad de al menos aproximadamente 28 g/d, un módulo de al menos aproximadamente 1000 g/d, y una energía al punto de ruptura de al menos aproximadamente 30 J/g. Por ejemplo, filamentos de poli (p-fenileno tereftalamida ) que tienen módulos moderadamente de alta tenacidad y los valores son particularmente útiles en la formación de compuestos resistentes a vals. Los ejemplos de ello son el Kevlar de DuPont 29, 129 de Kevlar, y KM2 y Twaron Teijin las fibras tipo 1000 y 2000, las fibras de Corea Kolon-Heracron y un número de fibras rusos como Rusar, Artec, Armos y SVM, que tiene alrededor de 1250 g/día y 32 g/d como valores de módulo de tracción inicial y tenacidad, respectivamente. Otros ejemplos son Kevlar ® 129 y KM2 que están disponibles en 400, 640 y 840 deniers de Du Pont, y Twaron ® T2000 de Teijin que tiene un denier de 1000. Las fibras de aramida de otros fabricantes también se pueden utilizar en esta invención. Los copolímeros de poli (p-fenileno tereftalamida ) también pueden ser utilizados, tales como co-poli (p-fenileno tereftalamida 3 , 4 ' -tereftalamida oxidifenileno ) . También son útiles en la práctica de esta invención las fibras vendidas de poli (m-fenileno isoftalamida ) por Du Pont bajo el nombre comercial de Nomex®. Las fibras de aramida de una variedad de proveedores pueden ser utilizadas en la presente invención.

También es posible que las fibras de vidrio u otros tipos de fibras que no son de alta tenacidad cuenta fibras para la mayor parte del peso de las fibras en las capas fibrosas del material de refuerzo interior, o para sustancialmente todas o todas del peso de estas fibras. Las fibras de vidrio incluyen los tipos de fibras E y S. Los ejemplos de tejidos con fibra de vidrio son los designados como estilos de 1528, 3731, 3733, 7500, 7532, 7533, 7580, 7624, 7628 y 7645, los cuales están disponibles a partir de Hexcel de Anderson, Carolina del Sur, E.U.A.. Una ventaja de usar fibra de vidrio (por ejemplo, mediante el uso de materiales preimpregnados de fibra de vidrio) , es que el costo del casco puede ser disminuido debido a que la fibra de vidrio cuesta sólo una fracción de otros tipos de tejidos tales como tejidos de poliolefina.

Independientemente del tipo de fibras utilizadas, la red de fibras en las capas fibrosas del material de soporte interno es preferiblemente en forma de un tejido, de punto o una tela no tejida (por ejemplo, las capas de fibras orientadas unidireccionalmente, o las fibras que se fieltro en una orientación aleatoria), con una tela no tejida que se emplea típicamente. Se pueden emplear los tejidos de cualquier patrón de tejido, por ejemplo, de tejido plano, tejido de canasta, tela cruzada, satín, tejidos tridimensionales, tejidos y cualquiera de sus variantes. Las telas de tejido puro son preferidas y más preferidas son las telas de tejido simple que tienen un mismo recuento de urdimbre y de trama.

En una modalidad, la tela tiene, preferiblemente, entre aproximadamente 5.9 a aproximadamente 21.6 cabos por cm (entre aproximadamente 15 y aproximadamente 55 cabos por pulgada) en ambas direcciones de urdimbre y de relleno, y más preferiblemente entre aproximadamente 6.7 a aproximadamente 17.7 cabos por cm (entre aproximadamente 17 y aproximadamente 45 cabos por pulgada) . Los hilos tienen preferiblemente un denier de entre aproximadamente 375 a aproximadamente 1300. El resultado es una tela tejida que pesa preferiblemente entre aproximadamente 150 g/m2 y aproximadamente 700 g/m2 (entre aproximadamente 5 oz/yd2 y aproximadamente 19 oz/yd2) , y más preferiblemente entre aproximadamente 169.5 g/m2 a aproximadamente 373.0 g/m2 (entre aproximadamente 5 oz/yd2 y alrededor de 11 oz/yd2) . Ejemplos de dichos tejidos son los designados como estilos de tela SPECTRA® 902, 903, 904, 952, 955 y 960. Otros ejemplos incluyen los tejidos formados a partir de tejidos de cestas, como el estilo de tela SPECTRA ® 912. Ejemplos de tela de aramida son los designados como estilos de Kevlar ® 704, 705, 706, 708, 710, 713, 720, 745, y 755 y estilos de tela Twaron ® 5704, 5716, y 5931. Los tejidos anteriores están disponibles, por ejemplo, de Hexcel de Anderson, Carolina del Sur, E.U.A. Como apreciarán los expertos en la técnica, las construcciones de tela que se describen en la presente son solamente ilustrativas y no pretenden limitar la invención.

Como se mencionó anteriormente, la tela puede tener forma de un tejido de punto. Las estructuras de punto son construcciones compuestas por lazos de engrane, con los cuatro tipos principales de tricot, raschel, las estructuras de red y orientadas. Debido a la naturaleza de la estructura de bucle, los tejidos de punto de las tres primeras categorías no necesariamente toman ventaja completa de la fuerza de una fibra. Las estructuras de punto orientadas, sin embargo, utilizan hilos embutidos rectos en su lugar por finas puntadas de punto de denier. Los hilados son absolutamente rectos, sin el efecto de engarzado que se encuentra en tejidos debido al efecto de entrelazado sobre los hilos. Estos hilos previstos pueden ser orientados en una dirección monoaxial, biaxial o multiaxial dependiendo de los requisitos de ingeniería. Se prefiere que el equipo específico utilizado en tejido de punto por el que los hilados de soporte de carga sea tal que no se perforen los hilados .

Alternativamente, la tela de la pluralidad de capas fibrosas (por ejemplo, que tiene fibras de polietileno de alta tenacidad) , puede estar en la forma de una tela no tejida, tales como capas de fibras orientadas unidireccionalmente , o fibras que están en un fieltro orientación aleatoria. Cuando se emplean las fibras orientadas unidireccionalmente, preferiblemente se utilizan en una disposición de capa cruzada en la que una capa de fibras se extiende en una dirección y una segunda capa de fibras se extiende en una dirección de 90° a partir de las primeras fibras. Cuando las capas individuales son fibras orientadas unidireccionalmente, las capas sucesivas son preferiblemente giradas con respecto a la otra, por ejemplo en ángulos de 079ü°, 0°/9010°190 o 0 ° /45 ° / 90 ° /45 ° /O ° o en otros ángulos. Cuando las redes de fibras se encuentran en la forma de un fieltro, que puede ser de fieltros perforados por aguja. Un fieltro es una red no tejida de fibras orientadas al azar, preferiblemente al menos una de las cuales es una fibra discontinua, preferiblemente una fibra cortada que tiene una longitud que varia entre aproximadamente 0.64 cm (0.25 pulgadas) a aproximadamente 25 cm (10 pulgadas). Estos fieltros pueden estar formados por varias técnicas conocidas en la materia, tales como por colocación de cardado o líquido, soplado en fusión y girar por el que se. La red de fibras es consolidada mecánicamente tal como mediante punzonado, costura por cadeneta, hidro-enredado, enredado por aire, enlace de giro, encaje hilado o similar, químicamente tal como con un adhesivo, o térmicamente con una fibra a punto de unión o una fibra mezclada con una fusión de punto más bajo. El método preferido es la consolidación de punzonado con aguja sola o seguido por uno de los otros métodos. Se prefiere fieltro perforado por una aguja. Un fieltro que se aguja perfora en tela tejida puede también ser utilizado .

Las capas fibrosas comprenden fibras (por ejemplo, fibras de polietileno de alta tenacidad o de alta tenacidad fibras de aramida) que están en una matriz de resina. La matriz de resina para las capas de fibra puede ser formada a partir de una amplia variedad de elastómeros y otros materiales que tengan las características deseadas. En una modalidad, los materiales elastómeros utilizados en dicha matriz poseen módulo inicial de tracción (módulo de elasticidad) igual o inferior a aproximadamente 6.000 psi (41.4 MPa) , medido por ASTM D638. Más preferiblemente, el elastómero tiene módulo inicial a la tracción igual o menor que aproximadamente 2.400 psi (16.5 MPa). Más preferiblemente, el material elastomérico tiene módulo inicial a la tracción igual o menor que aproximadamente 1,200 psi (8.23 MPa). Estos materiales resinosos son típicamente de naturaleza termoplástica pero los materiales termoestables son también útiles.

La matriz de resina puede ser seleccionada para tener un módulo de tracción alto cuando se cura, tal como al menos 1 x 106 psi (6895 MPa), medido por ASTM D638. Ejemplos de tales materiales se describen, por ejemplo, en US 6,642,159, cuya descripción se incorpora expresamente aquí como referencia en la medida en que no sea incompatible con la misma.

La proporción de material de la matriz de resina de fibra en las capas fibrosas puede variar ampliamente dependiendo del uso final. El material de la matriz de resina comprende preferiblemente alrededor de 0 por ciento (es decir, sin resina) a aproximadamente 98 por ciento en peso, más preferiblemente de aproximadamente 5 a aproximadamente 95 por ciento en peso, aún más preferiblemente de aproximadamente 10 a aproximadamente 40 por ciento en peso, y lo más preferiblemente desde aproximadamente 15 a aproximadamente 25 por ciento en peso, del peso total de las fibras y la matriz de resina del material de refuerzo interior. Los porcentajes anteriores se basan en los tejidos consolidados .

Una amplia variedad de resinas se pueden utilizar en la matriz de resina, incluyendo resinas termoplásticas , resinas termoendurecibles , resinas mezcladas, y resinas híbridas. Por ejemplo, cualquiera de los siguientes materiales se pueden emplear: polibutadieno, poliisopreno, caucho natural, copolímeros de etileno-propileno , etileno-propileno-dieno, polímeros de polisulfuro, poliuretanos termoplásticos , elastómeros de poliuretano, polietileno clorosulfonado, policloropreno, cloruro de polivinilo plastificado utilizando plastificantes de ftalato de dioctilo u otros bien conocidos en la técnica, elastómeros de butadieno acrilonitrilo, poli ( isobutileno-co-isopreno) , poliacrilatos , poliésteres, poliéteres, fluoroelastómeros, elastómeros de silicona, elastómeros termoplásticos y copolímeros de etileno. Ejemplos de resinas termoestables incluyen aquellos que son solubles en disolventes carbono-carbono saturados tales como metil etil cetona, acetona, etanol, metanol, alcohol isopropílico, ciclohexano, acetona de etilo y combinaciones de los mismos. Entre las resinas termoestables están los ésteres de vinilo, copolímeros en bloque de estireno-butadieno, ftalato de dialilo, resinas fenólicas tales como fenol-formaldehído, butiral de polivinilo, resinas epoxi, resinas de poliéster, resinas de poliuretano y mezclas de los mismos, y similares. Se incluyen aquellas resinas que se describen en la mencionada US 6,642,159. Las resinas termoestables preferidas incluyen resinas epoxi, resinas fenólicas, resinas de ésteres vinilicos, resinas de uretano y resinas de poliéster y sus mezclas. Las resinas termoestables preferidas para tejidos de fibra de polietileno incluyen al menos un éster vinilico, ftalato de dialilo y opcionalmente un catalizador para el curado de la resina de éster vinilico.

Un grupo preferido de resinas son resinas termoplásticas de poliuretano. Un grupo preferido de materiales elastoméricos para la matriz de resina incluyen copolimeros de bloques de dienos conjugados y copolimeros vinilicos aromáticos. El butadieno e isopreno son elastómeros de dieno conjugados. El estireno, tolueno de vinilo y estireno t-butilo son monómeros aromáticos conjugados preferidos. Los copolimeros de bloques que incorporan poliisopreno pueden ser hidrogenados para producir elastómeros termoplásticos que tiene segmentos saturados de elastómeros hidrocarbonados . Los polímeros pueden ser copolimeros de tres bloques simples del tipo -(BA)X (x = 3-150); en la que A es un bloque de un monómero aromático de polivinilo y B es un bloque de un elastómero de dieno conjugado. Una matriz de resina preferida es un copolímero de bloque de isopreno-estireno-isopreno, tales como copolímero bloque isopreno-estireno-isopreno Kraton ® DI 107 disponible de Kraton Polímero LLC. Otro documento matriz de resina útil es un poliuretano termoplástico , tal como una mezcla de copolímero de resinas de poliuretano en agua.

El material de resina se puede componer con cargas tales como negro de carbón, sílice, etc., y puede extenderse con aceites y vulcanizado por sistemas de curado de azufre, peróxido, óxido metálico o radiación utilizando métodos bien conocidos por los técnicos de caucho. Las mezclas de diferentes resinas también pueden ser utilizadas.

Preferiblemente, cada uno de la pluralidad de capas fibrosas se reviste o impregna con la matriz de resina antes del moldeo, así como para formar telas preimpregnadas . En general, las capas fibrosas de la invención se forman preferiblemente mediante la construcción inicial de una red de fibra (por ejemplo, comenzando con una capa de tela tejida) y luego recubrimiento de la red con la composición de la matriz. Tal como se usa en la presente, el término "recubrimiento" se utiliza en un sentido amplio para describir una red de fibra en la que las fibras individuales tienen una capa continua de la composición de la matriz que rodea las fibras o bien una capa discontinua de la composición de la matriz sobre la superficie de las fibras. En el primer caso, se puede decir que las fibras están totalmente incorporadas en la composición de la matriz. Los términos revestimiento e impregnación se utilizan indistintamente en este documento. Aunque es posible aplicar la matriz de resina de capas fibrosas libres de resina, mientras que en el molde, esto es menos deseable ya que la uniformidad del revestimiento de resina puede ser difícil de controlar .

La composición de resina de matriz se puede aplicar de cualquier manera adecuada, tal como, una solución de dispersión o emulsión, sobre las capas fibrosas. La red de fibra matriz recubierta se seca a continuación. La solución, dispersión o emulsión de la resina de matriz puede ser rociada sobre los filamentos. Alternativamente, la estructura de la capa fibrosa puede ser recubierta con la solución de dispersión o emulsión acuosa por inmersión o por medio de un revestidor de rodillo o similar. Después del recubrimiento, la capa fibrosa revestida puede entonces pasar a través de un horno para el secado en el que la capa de red o capas de fibra revestida se somete a calor suficiente para evaporar el agua u otro líquido en la composición de la matriz. La red fibrosa recubierta se puede colocar entonces en un velo portador, que puede ser un papel o un sustrato de película, o las telas inicialmente pueden ser colocadas en una banda portadora antes del recubrimiento con la resina de matriz. El sustrato y la matriz de resina que contiene la capa de tejido o capas pueden ser disueltas en un rollo continuo de una manera conocida.

Las redes de fibra pueden ser construidas a través de una variedad de métodos. En el caso de las redes de fibra unidireccionalmente alineadas, los haces de hilos de los filamentos de alta tenacidad pueden ser suministrados desde un carrete y conducido a través de guias y una o más barras separadoras en un peine de colimación antes del revestimiento con el material de matriz. El peine colimador alinea los filamentos coplanares y de una manera sustancialmente unidireccional .

Siguiendo recubrimiento de las capas de tela con la matriz de resina, las capas se consolidan preferiblemente de una manera conocida para formar un producto preimpregnado . Por "consolidación" se entiende que el material de la matriz y la capa de fibras de la red se combinan en una sola capa unitaria. La consolidación puede ocurrir a través de secado, enfriamiento, calentamiento, presión o una combinación de los mismos .

El número de capas fibrosas del material de soporte interior puede variar ampliamente, dependiendo del tipo de casco que se desea, el rendimiento deseado, y el peso deseado. Por ejemplo, el número de capas puede variar de aproximadamente 2 a aproximadamente 250 capas, más preferiblemente de aproximadamente 5 a aproximadamente 150 capas, y más preferiblemente de aproximadamente 10 a aproximadamente 100 capas. Las capas pueden ser de cualquier espesor adecuado. Por ejemplo, cada capa de la pluralidad de capas fibrosas pueden tener un espesor de aproximadamente 25 µp? a aproximadamente 1016 µ?? (alrededor de 1 mil a aproximadamente 40 milésimas de pulgada) , más preferiblemente de aproximadamente 76 ym a 762 ym (alrededor de 3 a aproximadamente 30 milésimas de pulgada) y más preferiblemente de aproximadamente 127 ym a 508 ym (aproximadamente 5 a aproximadamente 20 milésimas de pulgada) . El espesor de cada capa de la pluralidad de capas fibrosas puede ser igual o puede variar.

Del mismo modo, los pesos de cada capa de la pluralidad de capas fibrosas del material de soporte interior puede variar ampliamente, pero éstos se eligen generalmente de modo que el peso total del casco está dentro de un rango aceptable tanto para la comodidad como protección del usuario. Por ejemplo, el peso de cada capa puede variar de aproximadamente 5 a aproximadamente 200 gramos, más preferiblemente desde aproximadamente 10 hasta aproximadamente 100 gramos, y más preferiblemente de aproximadamente 20 a aproximadamente 75 gramos. Del mismo modo, la densidad de área de cada capa de la pluralidad de capas fibrosas puede variar ampliamente, pero normalmente se elige también para obtener una mezcla deseable de peso, la comodidad y cualidades de protección. Por ejemplo, la densidad de área de cada capa puede variar preferiblemente desde aproximadamente 33.9 g/m2 a aproximadamente 3051 g/m2 (aproximadamente 1 oz/yd2 a aproximadamente 90 oz/yd2) sobre 169.5 g/m2 a aproximadamente 2203.5 g/m2 (aproximadamente 5 oz/yd2 a aproximadamente 65 oz/yd2) , y más preferiblemente de aproximadamente 169.5 g/m2 a aproximadamente 847.5 g/m2 (aproximadamente 5 g/m2 hasta aproximadamente 25 oz/yd2) . Los espesores y densidades ' de área de cada una de las capas fibrosas del material de soporte interior puede ser el mismo o diferente.

La relación en peso de la capa externa que comprende cerámica y el material de soporte interior puede variar según se desee. El exterior de cerámica que contiene la capa puede estar presente en una cantidad de aproximadamente 20% a aproximadamente 90% en peso, basado en el peso total de la protección del casco, más preferiblemente de aproximadamente 30% a aproximadamente 85% en peso, y lo más preferiblemente desde aproximadamente 45% a aproximadamente 70% en peso. Correspondientemente, el material de soporte interior puede estar presente en una cantidad de aproximadamente 5% a aproximadamente 80% en peso, basado en el peso total de la protección del casco, más preferiblemente de aproximadamente 10% a aproximadamente 50% en peso, y lo más preferiblemente desde aproximadamente 35% a aproximadamente 45% en peso.

La densidad total de área de la cubierta también puede variar ampliamente dependiendo de la aplicación específica deseada. Típicamente, sin embargo, la densidad de cubierta de área es menor que aproximadamente 48.9 kg/m2 (10 lb/pie2) y puede estar en el intervalo de aproximadamente 14.7 kg/m2 (3 lb/pie2) a aproximadamente 48.9 kg/m2 (10 lb/pie2) . Preferiblemente, la densidad total de área de las conchas casco oscila desde aproximadamente 14.7 kg/m2 (3 lb/pie2) a aproximadamente 24.4 kg/m2 (5 lb/pie2).

Algunos de los cascos de los militares estadounidenses que han sido ampliamente utilizados en aplicaciones militares son conocidos por las siglas PASGT (Sistema de Armadura Personal para Tropas de Tierra) , ICH (casco de Combate Integrado para Misiones), ACH (Casco para Combate Avanzado) y ECH (Casco para Combate Mejorado) . Las formas preferidas casco pueden variar según el país. Por ejemplo, los países de Europa, Asia y América del Sur tienden a tener diferentes formas, preferidas. Deseablemente, dichos cascos medianos tienen un peso en el intervalo de aproximadamente 750 a aproximadamente 1500 gramos, y más preferiblemente de aproximadamente 800 a aproximadamente 1100 gramos .

Para formar las cubiertas de casco de la presente invención, la cerámica (ya sea como un monolito o como múltiples piezas o tejas) de la capa externa, junto con materiales preimpregnados de las dos o más tipos de capas fibrosas del material de refuerzo interior, son aplicada a un molde. Por ejemplo, después de suministrar la capa externa que comprende cerámica a un molde adecuado, el número deseado de las capas fibrosas individuales del material de soporte interno (por ejemplo, que comprende fibras de poliolefina o aramida) en una matriz de resina posteriormente se coloca en el molde en una posición para formar el material de refuerzo interior. El molde puede ser de cualquier tipo deseado, tal como un molde que tiene secciones de matriz emparejadas opuestas, macho y hembra coincidentes, con lo cual la capa exterior que comprende cerámica se coloca inicialmente en contacto con la sección de matriz hembra emparejada, seguido por las capas fibrosas del material de refuerzo interior. El orden de colocación puede ser revertido en función de las posiciones deseadas, relativas de los componentes, bóveda. Deseablemente, la resina de la matriz de resina se elige de manera que es no pegajoso cuando se coloca en el molde. Esto permite que las capas individuales se deslicen unas sobre otras con el fin de llenar completamente el molde y formar la forma deseada casco. No se requiere adhesivo para ser utilizado entre las capas fibrosas individuales, dado que la resina o resinas de las capas individuales generalmente proporcionan la unión necesaria entre las capas. Sin embargo, una capa adhesiva separada o capas múltiples pueden usarse si se desea.

Se debe tener cuidado para completar y llenar uniformemente el molde y colocar todos los componentes, bóveda en la orientación correcta. Esto asegura un rendimiento uniforme en toda la protección del casco. Si el volumen combinado de los componentes es más de lo que el molde casco puede manejar, el molde no se cierra y por lo tanto, el casco no se moldea. Si el volumen combinado es menor que el volumen del molde, aunque el molde se cierra el material no se puede moldear debido a la falta de presión de moldeo .

Una vez que el molde está adecuadamente cargado con la cantidad deseada de cerámica, número deseado y el tipo de capas fibrosas y la matriz de resina de la capa interior de material y otros componentes opcionales, la protección del casco puede ser moldeada en las condiciones de moldeo deseados. Una temperatura de moldeo representante puede variar de aproximadamente 65°C (149°F) a aproximadamente 250°C (482°F), más preferiblemente de aproximadamente 90°C (194°F) a aproximadamente 330°C (626°F), y más preferiblemente de aproximadamente 120 ° C (248 0 F) a aproximadamente 320°C (608°F). La presión de moldeo abrazadera puede variar, por ejemplo, desde alrededor de 10,2 toneladas métricas a alrededor de 1020 toneladas métricas (desde alrededor de 10 toneladas a alrededor de 1000 toneladas), preferiblemente desde alrededor de 50.8 toneladas métricas a alrededor de 356 toneladas métricas (desde alrededor de 50 toneladas a aproximadamente 350 toneladas) y más preferiblemente de aproximadamente 102 toneladas métricas a alrededor de 306 toneladas métricas (de aproximadamente 100 toneladas a alrededor de 300 toneladas) . Los tiempos de moldeo puede variar de aproximadamente 5 a aproximadamente 60 minutos, más preferiblemente de aproximadamente 10 a aproximadamente 35 minutos, y lo más preferiblemente desde aproximadamente 15 a aproximadamente 25 minutos.

Bajo las condiciones deseadas de moldeo, la resina o resinas presentes en las redes fibrosas se consolidan para resinas termoplásticas y curadas en el caso de resinas termoestables . Esto da como resultado una fuerte unión de las capas individuales y grupos de capas en la forma deseada casco como una moldura integral, monolítica. Se cree gue las resinas termoestables de cada ensamble de tejidos están unidas en sus interfaces por reticulación de las resinas. Para resinas termoplásticas gue el casco se enfría por debajo de la temperatura de reblandecimiento de la resina y luego sacó del molde. Bajo calor y presión, el flujo de resinas termoplásticas entre las capas de tela, también resulta en una moldura integral, monolítica. Durante el enfriamiento de la presión de moldeo se mantiene. El producto moldeado se toma a partir de entonces del molde y la parte se recorta, si es necesario.

En un proceso de moldeo alternativo, el encintado de la capa externa gue comprende cerámica y las capas fibrosas del material de refuerzo, opcionalmente con adhesivo y/u otras capas de materiales como se describe aquí, puede ser colocado en un autoclave. El calor y/o la presión puede acompañar de moldeo en autoclave, con temperaturas representativas en los rangos como se discutió anteriormente con respecto a matriz de moldeo y presiones absolutas representativas típicamente en el intervalo desde aproximadamente 5 bares (73 psi) a aproximadamente 30 bar (435 psi). La presuri zación , por ejemplo, usando uno o más gases inertes tales como helio o nitrógeno, generalmente promueve densidades más altas. Presurización adicional externa de hasta una atmósfera puede ser suministrada por bolsas de vacío de las capas. Usando esta técnica, un ensamble de purga para ajustar la presión de vacío dentro de la bolsa y un paño de liberación o revestimiento para evitar la unión de la colocación en la superficie de la herramienta son generalmente empleados. El uso de presión externa, opcionalmente combinado con bolsas de vacío, puede proporcionar una serie de funciones benéficas incluyendo flexibilidad de inductor para aliviar las imperfecciones superficiales, la eliminación de materiales volátiles, eliminando el aire atrapado entre las capas, compactando capas de fibra para la transmisión de fuerza eficiente entre haces de fibras, para prevenir el desplazamiento de la orientación de las fibras durante la curación o consolidación y/o reducir la humedad.

En un proceso de autoclave de moldeo representativo, por lo tanto, las capas fibrosas del material de soporte se colocan dentro de una primera capa exterior que comprende cerámica, que puede ser en forma de un monolito que tiene la forma de la protección del casco. El montaje cuidadoso de las capas fibrosas puede ayudar a minimizar la superposición entre las capas. El material de cerámica y el respaldo se colocan en una bolsa de vacio y el medio ambiente que rodea la colocación es parcial o casi completamente evacuada. Cuando se crea suficiente vacio y se mantiene dentro de la bolsa, se desconecta de la bomba de vacio y se transfiere a la autoclave para la consolidación o el curado como se discutió anteriormente. Las mismas técnicas se pueden utilizar cuando la cerámica está en la forma de una pluralidad de placas o tejas, como se describe aquí, que están unidos mecánicamente y/o quimicamente (por ejemplo, con un adhesivo) .

De acuerdo con otros métodos para formar cubiertas de casco aquí descrito, solo puede ser utilizada temperatura elevada (por ejemplo, en un horno) para unir la capa exterior que comprende cerámica con el material de refuerzo interior. El calentamiento del horno puede ser utilizado con bolsas de vacio para proporcionar calor, junto con hasta una presión ambiente externa. De lo contrario, un adhesivo tal como cemento de contacto, con o sin calentamiento externo, puede proporcionar unión suficiente para formar la protección del casco. Las combinaciones de métodos también pueden ser utilizados. Por ejemplo, según un método representativo, las capas fibrosas de material de soporte pueden ser consolidadas o curadas inicialmente en un molde igualado como se discutió anteriormente. Este material de soporte, ahora tiene la forma de la protección del casco, a continuación, puede revestirse con una capa de adhesivo en su superficie exterior, seguido por el montaje del material de soporte interior con la capa externa que comprende cerámica. La disposición arriba puede ser transferida a una bolsa de vacio, como se ha descrito anteriormente, antes de la aplicación de calor en un horno o de la aplicación y el calor y la presión adicional en un autoclave, efectuando de este modo la consolidación o curado (por ejemplo, de una resina de matriz termoendurecible) .

Los tejidos utilizados en las capas fibrosas individuales del material de soporte interno son en general relativamente delgados y muy fuertes. Los espesores preferidos de las capas individuales son de aproximadamente 25 ym a aproximadamente 911 ym (aproximadamente 1 a aproximadamente 36 milésimas de pulgada) , más preferiblemente de aproximadamente 127 ym a aproximadamente 711 ym (aproximadamente 5 a aproximadamente 28 milésimas de pulgada) , y más preferiblemente de aproximadamente 254 ym a 584 pm (aproximadamente 10 a aproximadamente 23 milésimas de pulgada ) .

Como se mencionó anteriormente, las conchas de cascos como los aquí descritos son resistentes a, o capaz de impedir la penetración de los fragmentos de alta energía y balas tales como balas de fusil. Estos fragmentos y las balas tienen niveles de energía muy altos. Los cascos de la presente invención son capaces de prevenir la penetración de los fragmentos y las balas que tienen niveles de energía de al menos aproximadamente 1600 julios (1180 pies-libra), más preferiblemente desde aproximadamente 1600 (1180 pies-libra) a aproximadamente 4000 julios (2950 pies-libra) , y más preferiblemente de aproximadamente 1700 julios (1250 pies-libra) a aproximadamente 3000 julios (2200 pies-libra). En consecuencia, los aspectos de la invención están asociados con el descubrimiento de que cerámico puede ser empleado en cascos para proporcionar este nivel de resistencia a la penetración usando casco general comercialmente factible espesores y pesos. Por ejemplo, la protección efectiva puede ser proporcionada para cascos con cerámica que tiene un espesor, ya sea empleado en forma de monolito o en forma de piezas múltiples, en el intervalo de aproximadamente 4 mm (0.16 pulgadas) a aproximadamente 6 mm (0.24 pulgadas), como discutido anteriormente. El espesor total de la concha casco es ventajosamente menor que aproximadamente 18 mm (0.71 pulgadas) (por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 6 mm (0.24 pulgadas) a aproximadamente 18 mm (0.71 pulgadas)), normalmente menos de aproximadamente 14 mm (0.55 pulgadas) (por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 8 mm (0.31 pulgadas) a aproximadamente 14 mm (0.55 pulgadas)) y, a menudo menos de aproximadamente 12 mm (por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 10 mm (0.39 pulgadas) a aproximadamente 12 mm (0.47 pulgadas)). La densidad total de área de la protección del casco es ventajosamente menor que aproximadamente 8 lb/pie2 (39.2 kg/m2) (por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 3 lb/pie2 (14.7 kg/m2) a aproximadamente 8 lb/pie2 (39.2 kg/m2), como se discutió anteriormente) y, a menudo menos de aproximadamente 5 lb/pie2 (24.5 kg/m2) (por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 3 lb/pie2 (14.7 kg/m2) a aproximadamente 5 lb/pie2 (24.5 kg/m2) , como se discutió anteriormente) .

La siguiente es una lista de varias balas y sus niveles de energía, con las velocidades y energía medidas en la boca del arma. Se puede observar que las balas de los fusiles tienen mucho más altos niveles de energía que las balas de arma de fuego y por tanto es más difícil de penetrar los cascos.

TABLA 1 - Energía Cinética de Balas La estructura del casco, que comprende una protección del casco como se describe aquí, puede ser adaptada para recibir una variedad de accesorios según se desee. Por ejemplo, el casco puede estar formado con ranuras o construido en canales para facilitar la unión de engranaje deseada .

Una cubierta de casto representativa se exhibe en la Figura 1. Como se muestra en esta modalidad, la bóveda 100 comprende seis materiales. Las capas 2, 12 interior y exterior pueden ser amortiguadores de capas de material (por ejemplo, que comprende una espuma de celdas cerradas) o capas de materiales que proporcionan otras funciones de protección, tales como la humedad y/o resistencia a la flama, solo o en combinación con la resistencia al choque. La capa exterior 8 que comprende cerámica (por ejemplo, como un monolito o en forma de un número de placas discretas) está dispuesta más cerca de la protección del casco exterior de material de soporte interior 4, que comprende una pluralidad de capas fibrosas. Las capas de adhesivo 6, 10 se muestran entre 4 interior material de soporte y la capa exterior 8 y también entre esta capa exterior 8 y la capa exterior 12.

Los aspectos generales de la presente invención se asocian con el fragmento de alta energía y de los cascos de bala resistentes que comprenden una capa exterior que contiene cerámica y un material de soporte interna que comprende capas fibrosas. Los que tienen experiencia en la técnica, con el conocimiento obtenido de la presente descripción, se reconoce que varios cambios se pueden hacer en estos cascos y los métodos de su fabricación, sin apartarse del alcance de la presente descripción. El objeto descrito aquí es por lo tanto, representativo de la presente invención y sus ventajas asociadas y no debe interpretarse como una limitación del alcance de la invención como se establece en las reivindicaciones anexas.

Los siguientes ejemplos se exponen como representativos de la presente invención. Estos ejemplos no deben interpretarse como limitación del alcance de la invención como éstas y otras modalidades equivalentes serán evidentes a la vista de la presente descripción y reivindicaciones anexas.

EJEMPLO 1 Una protección del casco se moldea utilizando un molde de dado de metal igualado, diseñado para moldear piezas de tamaño medio en forma de casco ACH con espesor de la pared de 7.87 mm (0.310 pulgadas) . Los materiales de capas de Spectra Shield ® II SR-3124 fueron cortados de 1.6 metro (63) de ancho. Se utilizó un patrón perno-rueda. Cada patrón de pero-rueda se diseñó de tal manera que cubre completamente el molde macho. Un total de 28 capas de perno-rueda se pre-forma en un cubo sin fondo, y, al mismo tiempo, se inició el calentamiento el molde. Una vez que el molde alcanza una temperatura de 125 ± 5°C (257 ± 9°F) una capa de liberación del molde se aplica sobre las partes macho y hembra del molde. Las capas preformadas de Spectra Shield ® II SR-3124 se transfirieron entonces al molde. Se tuvo cuidado de que no había pliegues o arrugas generadas en la pre-forma durante la transferencia al molde. Una presión de calibre de 190 Ton se aplicó durante 20 minutos. Después de 20 minutos, el ciclo de enfriamiento se inició. Durante el ciclo de moldeo presión de enfriamiento no se ha eliminado. Una vez que el molde se enfría a aproximadamente 35°C (77°F), se abrió el molde y se eliminó la protección moldeada.

A las 24 horas después del moldeo, el casco moldeado fue cubierto con una película adhesiva y se dejó caer dentro de una cubierta de ACH monolítica en forma de casco de cerámica que corresponde a la forma exterior de la protección del casco moldeado. La cerámica con capa de adhesivo y protección pre-moldeada del casco se transfirieron a una bolsa de autoclave que tiene una abertura en un lado solamente. Finalmente, el lado abierto se cerró herméticamente y un vacio se generó dentro de la bolsa mediante una bomba de vacio portátil. Una vez que la bomba de vacio se detuvo, lo que confirma que el vacio se obtuvo la totalidad, la bolsa se transfirió a un autoclave. La puerta de autoclave se cerró y en la bolsa se aplicó una presión de moldeo de 10 bar (145 psi) . Inmediatamente después de aplicar presión, el calor de autoclave se enciende para alcanzar una temperatura de 125 ± 5°C (257 ± 9°F). Esta temperatura se mantuvo durante 45 minutos, de manera que el adhesivo se curó completamente. Después de 45 minutos, un ciclo de enfriamiento se inició. Una vez que la temperatura indicada autoclave 35°C (77°F), la presión fue liberada y se abrió la puerta de autoclave. La bolsa que contiene el casco de cerámica con material de apoyo se retiró. El casco se ha retirado y trasladado a un laboratorio de balística durante al menos 24 horas antes de la prueba de acondicionamiento.

Protocolo de prueba: Después de fijar el casco, con un espesor total de aproximadamente 12 mm (0.47 pulgadas) de un soporte que sostiene el casco a partir de dos secciones del oído, la prueba se realizó de acuerdo con la norma MIL-STD-662F, con M-855 bala de la OTAN pesa 62 granos. Cuatro balas fueron disparadas en cuatro cuadrantes iguales de los cascos de cerámica cara (frente, atrás ya los lados dos). La velocidad de las balas fue variada para lograr un 2 X 2 (dos balas penetraron y dos balas se detuvo en el casco) , un V50 de 905 metros por segundo (2968 pies por segundo) se logró en una cerámica de ACH frente al casco pesa 5.05 libras.

EJEMPLO 2 Otro casco de cerámica se fabricó de una manera similar a la descrita en el Ejemplo 1 y se probaron contra una bala AK 47. Un V50 de 614 metros por segundo (2013 pies por segundo) se logró en un medio de cerámica ACH frente al casco pesa 5.36 libras.

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Un casco que es resistente a los fragmentos de alta energía y balas, el casco incluyendo una protección que comprende desde el exterior al interior: (a) una capa externa que comprende una cerámica, y (b) un material de soporte interna que comprende una pluralidad de capas fibrosas.

2. - El casco de la reivindicación 1, en donde la cerámica es en forma de un monolito que se ajusta a una forma curva de la cubierta.

3. - El casco de la reivindicación 1, en donde la cerámica tiene forma de una pluralidad de placas de cerámica que se ajustan a una forma curva de la cubierta.

4. - El casco de la reivindicación 3, en donde al menos una porción de las placas de cerámica están equipadas mecánica o químicamente unidas entre sí.

5. - El casco de la reivindicación 3 o 4, en donde algunas o todas las placas de cerámica tienen una forma no plana .

6. - El casco de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la cerámica tiene un espesor de aproximadamente 2 mm (0.079 pulgadas) a aproximadamente 12 mm (0.47 pulgadas) .

7. - El casco de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la cerámica comprende un compuesto seleccionado del grupo que consiste en óxido de aluminio reforzado o no reforzado, carburo de boro, carburo "de silicio, nitruro de silicio y diboruro de titanio.

8. - El casco de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde las capas fibrosas comprender fibras de alta tenacidad en una matriz de resina.

9. - Un método para formar una cubierta para un casco que es resistente a los fragmentos de alta energía y balas, comprendiendo el método de: (a) proporcionar, a un molde, una capa exterior que comprende una cerámica, un material de soporte interna que comprende una pluralidad de capas fibrosas, y una capa adhesiva a un molde, en donde la capa de adhesivo está dispuesta entre la capa exterior y el material de refuerzo interior, y (b) aplicar calor y presión para la capa exterior, material de refuerzo interior, y el adhesivo para unir la cerámica al material de soporte interior y formar la cubierta .

10. - Una protección del casco moldeado preparado de acuerdo con el método de la reivindicación 9. RESUMEN Se describen cascos para aplicaciones militares y otra que requieren resistencia a fragmentos de alta energía y balas de rifle. Los casos se fabrican con una combinación de cerámica, ya sea como un monolito o como una pluralidad de piezas discretas y un material de refuerzo interno que tiene una pluralidad de capas fibrosas tales como capas de fibra de poliolefina y/o aramida.