Tecnologia de Defesa — Estudo Experimental da Capacidade de Blindagem de Kevlar, de Diferentes Pesos e Número de Camadas, com Projéteis de 9 mm

2.1. Gel balístico

O gel balístico foi feito de gelatina sem sabor. A densidade e a consistência do gel devem ser as mesmas utilizadas pelo Federal Bureau of Investigation (FBI). Para atingir a mesma consistência, as instruções fornecidas na Ref. [30] foram seguidos e testados de acordo com os padrões descritos na Ref. [31].

8 xícaras (250 ml) de gelatina em pó sem sabor (aproximadamente 1,25 kg) são misturadas com 8 L de água (1 parte de gelatina para cada 4 partes de água) até que todo o pó esteja dissolvido. Após a solução ser despejada nos recipientes (2 recipientes de 5 L foram usados ​​para a mistura acima), 5 gotas de óleo essencial (óleo essencial de folha de canela) foram derramadas sobre a solução e misturadas delicadamente. A finalidade do óleo essencial é permitir que as bolhas na solução se dissipem e dar ao gel balístico um aroma aprimorado. A solução é colocada nos recipientes e colocada na geladeira. O gel balístico estava pronto para ser usado 36 horas após sua preparação e, em seguida, foi embalado em papel celofane. Um vídeo mostrando os detalhes da preparação do gel balístico está disponível emhttps://www.youtube.com/watch?v=0nLWqJauFEw.

A densidade do gel balístico foi calculada em 996 km/m3(99,6% da densidade da água). A densidade média do sangue, gordura e músculo humanos [32], que é a consistência da carne humana, é 1004 kg/m3. Uma diferença de 0,8% nas densidades é considerada aceitável para que o gel balístico replique a carne de um corpo humano.

2.2.Kevlar amostras

Três pesos de tecido Kevlar foram utilizados nos testes: 160 GSM, 200 GSM e 400 GSM. Como o Kevlar pode ser usado como material têxtil, a maior resistência do material pôde ser utilizada na orientação de 0 a 90°. As amostras foram empilhadas na orientação -45°/+45° (quase isotrópica), que absorve mais energia no impacto do que as orientações de 0 a 90° empilhadas umas sobre as outras [33]. As amostras utilizadas nos testes foram feitas em múltiplos de 3 camadas, com cada amostra disposta na ordem de 90/±45/90. Quando duas ou três amostras foram sobrepostas, a sobreposição foi feita de forma que a última camada de uma amostra fosse posicionada a 45° em relação à camada seguinte da amostra seguinte.

As folhas de Kevlar foram divididas e cortadas em folhas de tamanho A4 para prepará-las para a colagem com a resina epóxi e o endurecedor recomendados. As amostras foram deixadas para secar. Após a cura da resina, as amostras foram cortadas e fixadas umas às outras, sendo colocadas em posição para a realização dos testes.

Testes balísticos foram realizados utilizando dois tipos diferentes de munição, a saber, munição full metal jacket (FMJ) e munição jacketed hollow point (JHP) do calibre 9 mm Parabellum (P ou Para, abreviado). O método utilizado para testar as amostras é descrito a seguir:

• 1)

• Um cronógrafo de arma de fogo foi instalado para medir a velocidade dos projéteis. O cronógrafo foi posicionado a 2 m do cano da arma para evitar que a chama do cano fornecesse leituras imprecisas.

• 2)

• Um teste de linha de base foi realizado para determinar a velocidade do projétil diretamente no gel balístico. A equação da energia cinética
  E=(1/2)mv2

  foi usado para determinar a energia e a distância de penetração no gel balístico.

• 3)

• OKevlarAs amostras foram então colocadas em frente ao gel balístico, a 1 m de distância do cronógrafo. A razão para a distância de 1 m é replicar o pior cenário, em que uma pessoa ou objeto é atingido a curta distância.

• 4)

• A amostra foi disparada com o projétil atravessando o cronógrafo para determinar sua velocidade inicial. Em seguida, a amostra é penetrada e o projétil é alojado no gel balístico. As velocidades dos testes foram utilizadas para obter umavelocidade médialeitura que foi usada para atualizar os valores na etapa 2.

• 5)

• A distância de penetração no gel balístico foi medida e registrada.

• 6)

• A etapa 2 foi repetida para cada tipo de munição utilizada nos testes. As etapas 3 a 5 foram repetidas para cada amostra de Kevlar. Um teste com munição específica foi repetido se o projétil não se deslocasse diretamente dentro do gel balístico ou se penetrasse a amostra de Kevlar em uma área considerada estruturalmente inadequada.

Com as amostras de 3 camadas, os projéteis de 9 mm Parabellum FMJ viajaram um pouco menos em comparação com a caixa sem Kevlar. Os projéteis de ponta oca viajaram mais em comparação com a caixa sem Kevlar. O projétil de 9 mm Parabellum (número 4) não se deformou muito, mas a capa de latão começou a rasgar o projétil.

Os testes conduzidos com 6 camadas de Kevlar 160 GSM indicaram que os projéteis de ponta oca Parabellum de 9 mm foram mais longe em comparação aos testes sem penetração de Kevlar, com o projétil número 4 percorrendo quase a mesma distância que um projétil FMJ.

Com as 9 camadas de Kevlar 160 GSM, as distâncias correspondentes percorridas pelos projéteis no gel mostraram que os projéteis de números 1, 3 e 4 foram mais longe depois de passarem pelas 9 camadas de Kevlar 160 GSM, em comparação aos projéteis disparados no gel balístico (sem Kevlar).

Os testes conduzidos com 12 camadas de Kevlar 160 GSM mostram que todos os projéteis apresentam uma tendência decrescente de profundidade de penetração em comparação com 9 camadas.

Como visto emFigura 3, as profundidades de penetração dos projéteis flutuam com a profundidade à medida que o número de camadas aumenta, mas uma diminuição é observada de 9 para 12 camadas em todos os casos. Foi observado que os projéteis de ponta oca penetraram as camadas de Kevlar e, no processo, a ponta oca foi bloqueada com o material de Kevlar. Uma vez que esses projéteis de ponta oca atingem o gel balístico, eles se comportam da mesma maneira que um projétil FMJ. Devido ao motivo acima mencionado com as amostras de Kevlar usadas, os projéteis penetraram mais no gel balístico em comparação com os testes realizados sem Kevlar. Somente quando camadas suficientes de Kevlar foram penetradas para absorver energia suficiente, o projétil mostrou características de uma penetração reduzida no gel balístico. Essa característica foi observada nos outros testes, com os diferentes pesos de Kevlar, conforme apresentado neste artigo.

3.4. 200 GSMKevlar

Os testes de Kevlar de 200 GSM foram realizados com amostras de 3, 6, 9, 12 e 15 camadas. Como o Kevlar de 200 GSM é comumente usado em coletes à prova de balas, decidiu-se realizar testes com 15 camadas. Os resultados da penetração no gel balístico são mostrados na Figura 1.Figura 4.

Os testes realizados com três camadas de Kevlar 200 GSM mostram que os projéteis de 9 mm Parabellum FMJ atravessaram o gel balístico e as distâncias percorridas em comparação com o projétil sem Kevlar não foram reduzidas. Os projéteis de ponta oca de 9 mm Parabellum se expandiram como esperado, e o projétil de 9 mm Parabellum número 4 teve a capa de latão alojada no gel balístico, mas o projétil de chumbo continuou e parou, conforme registrado emFigura 4.

Com 6 camadas de Kevlar 200 GSM, observou-se que a distância de penetração do projétil 1 no gel balístico diminuiu, enquanto os projéteis 2, 3 e 4 penetraram mais no gel balístico em comparação ao caso sem Kevlar.

Os testes realizados com 9 camadas de Kevlar de 200 GSM mostram que o projétil número 2 penetrou mais profundamente no gel balístico em comparação com o projétil sem Kevlar. Observou-se que os projéteis 3 e 4 apresentaram bloqueio de Kevlar na ponta oca, o que impediu sua expansão. Os projéteis 3 e 4 penetraram mais profundamente no gel balístico após penetrarem 9 camadas de Kevlar de 200 GSM em comparação com o projétil sem Kevlar.

Nos testes realizados com 12 camadas de Kevlar 200 GSM, observou-se que os projéteis Parabellum FMJ de 9 mm, números 1 e 2, apresentaram a cabeça mais achatada após a penetração. O projétil número 4, embora não tenha se expandido muito com a ponta oca bloqueada com Kevlar, apresentou a cabeça mais achatada. O projétil número 3 não se expandiu muito, mas havia evidências de deformação na ponta da cabeça.

Nos testes realizados com 15 camadas de Kevlar de 200 GSM, ambos os projéteis FMJ apresentaram sinais de formação de cogumelo. Os projéteis 1 e 2 apresentam uma diminuição na profundidade de penetração no gel balístico em comparação com o caso sem Kevlar. No presente caso, os projéteis 3 e 4 foram detidos pelas camadas de Kevlar.

Como visto emFigura 4Considerando as médias entre os pontos, parece indicar a ocorrência de um gradiente linear de penetração decrescente no gel balístico, uma vez atingido o pico em aproximadamente 6 camadas de Kevlar de 200 GSM. O Kevlar de 200 GSM apresenta um desempenho superior ao Kevlar de 160 GSM, como esperado. Em 15 camadas de Kevlar de 200 GSM, os projéteis 3 e 4 foram detidos, mas não os projéteis 1 e 2. Seguindo o gradiente médio, estima-se que os projéteis 1 e 2 serão detidos com, possivelmente, 18 e 21 camadas de Kevlar de 200 GSM, respectivamente.

• Os testes de Kevlar de 400 GSM foram realizados utilizando amostras de 3, 6, 9 e 12 camadas, conforme indicado pelos resultados mostrados naFigura 5.

4. Análise e discussão dos resultados

Figura 6mostra a comparação das profundidades de penetração de diferentes projéteis em 3 camadas de Kevlar de 160 GSM, 200 GSM e 400 GSM. Como visto emFigura 6, com os projéteis de ponta oca Parabellum de 9 mm, 3 camadas de Kevlar de 200 GSM pararam os projéteis na menor distância. 3 camadas de Kevlar de 400 GSM e 160 GSM pararam os projéteis 1 e 2 na maior parte do tempo, respectivamente.

Figura 7,Figura 9indicam que não há características semelhantes com projéteis diferentes para dois números diferentes de camadas de GSM semelhante. Um exemplo são 12 camadas de Kevlar de 200 GSM e 6 camadas de Kevlar de 400 GSM. Ambas as amostras têm um total de 2400 GSM Kevlar cada. Ao comparar essas duas amostras diferentes, elas não diminuem a distância dos projéteis em uma quantidade semelhante. Correlações e conclusões semelhantes podem ser observadas a partir de 3 camadas de Kevlar de 400 GSM e 6 camadas de Kevlar de 200 GSM. Cada um desses casos tem amostras de 1200 GSM, mas não têm características semelhantes nos resultados.

Curvas médias para os projéteis 1 e 2, mostradas emFigura 4, indicam que os projéteis seriam paralisados ​​com 6 e 7 camadas de 3 camadas de Kevlar de 200 GSM, respectivamente (ou seja, 18 e 21 camadas de Kevlar de 200 GSM). Há uma tendência de aproximadamente dobrar o número de camadas de Kevlar necessárias, em comparação com o Kevlar realmente danificado, para deter os projéteis. Com 18 e 21 camadas de Kevlar de 200 GSM, os projéteis 1 e 2 seriam paralisados ​​em aproximadamente 9 e 10 camadas de Kevlar. Esse número de camadas se correlaciona com o número de camadas de Kevlar que os coletes à prova de balas comercialmente disponíveis, feitos exclusivamente de Kevlar, contêm.

Alguns itens para sua referência:

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/military-vip-police-concealable-light-weight.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/high-quality-military-use-tactical-armor.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/military-ballistic-nij-iiia-pe-or-kevlar.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/bulletproof-vest-fdy3r-sk15.html

Vídeos para sua referência:

https://www.youtube.com/watch?v=Zc-HYAXSaqs

https://www.youtube.com/watch?v=YtBaebU7CTw

5. Conclusões

Comparações de 160 GSM, 200 GSM e 400 GSMKevlarsob impacto balístico foram feitos com os testes balísticos realizados com munição 9 mm Parabellum e com diferentes números de camadas de Kevlar. Foi observado que algumas camadas de Kevlar não são eficazes em parar os projéteis, mas forçam os projéteis a viajar mais para dentro do gel balístico. Somente quando o número de camadas é aumentado, a diminuição na penetração do projétil no gel balístico foi observada. A razão para este pico na penetração, especialmente com os projéteis de ponta oca, foi devido ao preenchimento do buraco com material de Kevlar e fazendo com que ele funcione como um projétil FMJ. Gradientes negativos médios semelhantes foram observados entre os projéteis FMJ e de ponta oca, uma vez que o pico foi atingido.

Resumindo as contribuições deste artigo, pode-se concluir:

• 1)

• Foi investigada a eficácia de diferentes camadas de Kevlar de 160 GSM, 200 GSM e 400 GSM cobertas com gel balístico, e descobriu-se que o Kevlar de 200 GSM foi mais eficaz para parar um projétil Parabellum de 9 mm.

• 2)

• Foi descoberto que não há relação linear entre dois tipos diferentes de Kevlar com pesos diferentes (como Kevlar de 200 GSM e 400 GSM), dispostos em camadas de forma que tenham o mesmo peso combinado.

• 3)

• Quatro tipos diferentes de munição 9 mm Parabellum foram testados, e suas profundidades de penetração no gel balístico foram identificadas para diferentes camadas de Kevlar.

• 4)

• Foi avaliado que, para uma munição Parabellum de 9 mm, a mais comumente utilizada em todo o mundo, são necessárias, no mínimo, 21 camadas de Kevlar 200 GSM para deter o projétil. Sugere-se que, como medida de segurança, seja incluído um fator de segurança adicional, visto que a penetração também depende do perfil do projétil.

Com base nos resultados apresentados acima para as características das camadas de Kevlar de diferentes pesos, espera-se que essas características possam ser usadas para desenvolver e projetar coletes à prova de balas seguros e eficazes.

A tendência geral de que o dobro da quantidade de camadas de Kevlar é necessária em comparação com a quantidade real de camadas danificadas valeria a pena ser explorada em pesquisas futuras com diferentes munições. Pesquisas futuras também seriam capazes de indicar o efeito de penetração que projéteis e munições de calibre menor têm no Kevlar em comparação com a munição 9 mm Para. Da mesma forma, pesquisas futuras serão capazes de identificar como diferentes munições e projéteis penetram o Kevlar de 200 GSM, como o Kevlar usado apenas em coletes à prova de balas. Com as características observadas com os projéteis de ponta oca penetrando mais profundamente no gel balístico, após a ponta oca ser bloqueada com Kevlar, pesquisas futuras permitiriam identificar se um efeito semelhante seria experimentado em um cenário em que o projétil penetrasse a roupa, antes de penetrar a carne.

Agradecimentos

A pesquisa foi parcialmente financiada pelaFundação Nacional de Pesquisa. As seguintes empresas e indivíduos são reconhecidos por sua assistência, orientação e uso de suas instalações, em ordem alfabética: Borrie Bornman, John Evans, Centro de Avaliação e Treinamento de Competência em Armas de Fogo (+27 39 315 0379;fcatc1@webafrica.org.za), Henns Arms (Revendedor de armas de fogo e armeiro;www.hennsarms.co.za;info@hennsarms.co.za), River Valley Farm & Nature Reserve (+27 82 694 2258;https://www.rivervalleynaturereserve.co.za/;info@jollyfresh.co.za), Marc Lee, David e Natasha Robert, Simms Arms (+27 39 315 6390;https://www.simmsarms.co.za;simmscraig@msn.com), Operações da Southern Sky (+27 31 579 4141;www.skyops.co.za;mike@skyops.co.za), Louis e Leonie Stopforth. É importante ressaltar que as opiniões dos autores deste artigo não refletem necessariamente as opiniões das empresas, organizações e indivíduos mencionados acima. Os autores não receberam nenhum ganho financeiro pelos testes realizados.