Tecnologia de Defesa — Estudo Experimental das Capacidades de Proteção contra Balas do 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 FBI (Federal Bureau of Investigation). Para obter a mesma consistência, siga as instruções fornecidas na Ref. [30] foram seguidos e foi testado em relação aos 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), 5 gotas de óleo essencial (óleo essencial de folha de canela) são adicionadas e misturadas delicadamente. O óleo essencial serve para dissipar as bolhas na solução e para dar ao gel balístico um aroma mais agradável. A solução é então colocada nos recipientes e refrigerada. O gel balístico está pronto para uso 36 horas após o preparo e, em seguida, é embalado em filme plástico. Um vídeo com os detalhes da preparação do gel balístico está disponível em [link para o vídeo].https://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, da gordura e dos músculos humanos [32], que é a consistência da carne humana, é de 1004 kg/m3Uma diferença de 0,8% nas densidades é considerada aceitável para que o gel balístico reproduza a textura da carne de um corpo humano.

2.2.Kevlar amostras

Três gramaturas de tecido Kevlar foram utilizadas nos testes, a saber, 160 GSM, 200 GSM e 400 GSM. Como o Kevlar pode ser usado como um material tecido, a maior resistência do material pode ser aproveitada na orientação 0–90. As amostras foram empilhadas com uma orientação −45/+45 (quase isotrópica), que absorve mais energia no impacto do que as orientações 0–90 empilhadas umas sobre as outras.33As amostras utilizadas nos testes foram feitas em múltiplos de 3 camadas, onde cada amostra foi disposta na ordem 90/±45/90. Quando duas ou três amostras foram colocadas umas sobre as outras, a última camada de uma amostra foi posicionada a 45° em relação à camada seguinte da amostra subsequente.

As folhas de Kevlar foram divididas e cortadas em folhas de tamanho A4 para serem unidas com a resina epóxi e o endurecedor recomendados. As amostras foram deixadas secar. Após a cura da resina, as amostras foram cortadas, parafusadas umas às outras e posicionadas para a realização dos testes.

Foram realizados testes balísticos utilizando dois tipos diferentes de munição: munição de ponta oca encamisada (FMJ) e munição de ponta oca encamisada (JHP), ambas do calibre 9 mm Parabellum (P ou Para, abreviadamente). O método utilizado para testar as amostras é descrito a seguir:

• 1)

• Um cronógrafo para armas de fogo foi instalado para medir a velocidade dos projéteis. O cronógrafo foi posicionado a 2 metros da boca do cano da arma para evitar que a chama expelida pelo cano causasse leituras imprecisas.

• 2)

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

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

• 3)

• OKevlarAs amostras foram então colocadas em frente ao gel balístico, que por sua vez foi posicionado a 1 m do cronógrafo. A distância de 1 m tem como objetivo simular o pior cenário possível, em que uma pessoa ou objeto é atingido por um tiro a curta distância.

• 4)

• A amostra foi atingida por um projétil que passou pelo cronógrafo para determinar sua velocidade inicial. Em seguida, a amostra foi penetrada e o projétil ficou alojado no gel balístico. As velocidades dos testes foram usadas para obter umvelocidade 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 usada 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 viajasse em linha reta dentro do gel balístico ou se penetrasse a amostra de Kevlar em uma área considerada estruturalmente comprometida.

Com as amostras de 3 camadas, os projéteis FMJ de 9 mm Parabellum percorreram uma distância ligeiramente menor em comparação com o estojo sem Kevlar. Os projéteis de ponta oca percorreram uma distância maior em comparação com o estojo sem Kevlar. O projétil de 9 mm Parabellum (número 4) não sofreu muita deformação, mas a jaqueta de latão começou a se desprender do projétil.

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

Com as 9 camadas de Kevlar de 160 GSM, as distâncias percorridas pelos projéteis no gel balístico mostraram que os projéteis de número 1, 3 e 4 foram mais longe após atravessarem as 9 camadas de Kevlar de 160 GSM, em comparação com os projéteis disparados contra o gel balístico (sem Kevlar).

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

Como visto emFigura 3A profundidade de penetração dos projéteis varia com o aumento do número de camadas, embora se observe uma diminuição entre 9 e 12 camadas em todos os casos. Observou-se que os projéteis de ponta oca penetraram as camadas de Kevlar e, nesse processo, a ponta oca foi bloqueada pelo material. Uma vez que esses projéteis de ponta oca atingem o gel balístico, seu comportamento é semelhante ao de um projétil FMJ. Devido ao exposto acima, com as amostras de Kevlar utilizadas, os projéteis penetraram mais profundamente no gel balístico em comparação com os testes realizados sem Kevlar. Somente após a penetração de camadas suficientes de Kevlar para absorver energia suficiente, o projétil apresentou características de penetração reduzida no gel balístico. Essa característica foi observada nos demais testes, com as diferentes gramaturas de Kevlar apresentadas neste artigo.

3.4. 200 GSMKevlar

Os testes com 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, optou-se por realizar os testes com 15 camadas. Os resultados da penetração no gel balístico são mostrados na Figura 1.Figura 4.

Os testes realizados com 3 camadas de Kevlar de 200 GSM mostraram que os projéteis FMJ de 9 mm Parabellum atravessaram o gel balístico e as distâncias percorridas, em comparação com o estojo sem Kevlar, não foram reduzidas. Os projéteis de ponta oca de 9 mm Parabellum expandiram-se como esperado, e o projétil de 9 mm Parabellum número 4 teve o revestimento de latão alojado no gel balístico, enquanto o projétil de chumbo continuou sua trajetória e parou conforme registrado emFigura 4.

Com 6 camadas de Kevlar de 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 profundamente no gel balístico em comparação com o caso sem Kevlar.

Os testes realizados com 9 camadas de Kevlar de 200 GSM mostraram 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 apresentavam Kevlar bloqueando a ponta oca, o que impediu sua deformação. Os projéteis 3 e 4 penetraram mais profundamente no gel balístico após atravessarem 9 camadas de Kevlar de 200 GSM em comparação com o projétil sem Kevlar.

Nos testes realizados com 12 camadas de Kevlar de 200 GSM, observou-se que os projéteis FMJ de 9 mm Parabellum, números 1 e 2, apresentaram uma cabeça mais achatada após a penetração. O projétil número 4, embora não tenha sofrido grande deformação com a ponta oca bloqueada por Kevlar, ficou mais achatado na cabeça. O projétil número 3 não sofreu grande deformação, mas houve indícios de deformação na ponta.

Os testes realizados com 15 camadas de Kevlar de 200 GSM mostraram que ambos os projéteis FMJ apresentaram sinais de deformação em forma de cogumelo. Os projéteis 1 e 2 mostraram 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 4Ao considerar as médias entre os pontos, observa-se um gradiente linear de diminuição da penetração no gel balístico, após atingir um pico em aproximadamente 6 camadas de Kevlar de 200 GSM. O Kevlar de 200 GSM apresenta um desempenho superior ao do Kevlar de 160 GSM, como esperado. Com 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 18 e 21 camadas de Kevlar de 200 GSM, respectivamente.

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

4. Análise e discussão dos resultados

Figura 6A figura mostra a comparação da profundidade de penetração de diferentes projéteis em 3 camadas de Kevlar de 160 GSM, 200 GSM e 400 GSM. Como visto emFigura 6Com projéteis de ponta oca de 9 mm Parabellum, 3 camadas de Kevlar de 200 GSM detiveram os projéteis na menor distância. 3 camadas de Kevlar de 400 GSM e 160 GSM detiveram os projéteis 1 e 2, respectivamente, com maior eficácia.

Figura 7,Figura 9Os resultados indicam que não há características semelhantes para projéteis diferentes com dois números diferentes de camadas de Kevlar de gramatura similar. Um exemplo disso 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 de Kevlar cada. Ao comparar essas duas amostras diferentes, observa-se que a redução na distância dos projéteis não é semelhante. Correlações e conclusões similares podem ser observadas em 3 camadas de Kevlar de 400 GSM e 6 camadas de Kevlar de 200 GSM. Cada um desses casos possui amostras de 1200 GSM, mas não apresentam características semelhantes nos resultados.

Curvas médias para os projéteis 1 e 2, mostradas emFigura 4Os resultados indicam que os projéteis seriam parados por 6 e 7 múltiplos de 3 camadas de Kevlar de 200 GSM, respectivamente (ou seja, 18 e 21 camadas de Kevlar de 200 GSM). Há uma tendência de que o número de camadas de Kevlar necessárias para deter os projéteis seja aproximadamente o dobro da quantidade de Kevlar danificada. Com 18 e 21 camadas de Kevlar de 200 GSM, os projéteis 1 e 2 seriam parados por aproximadamente 9 e 10 camadas de Kevlar, respectivamente. Esse número de camadas corresponde à quantidade de camadas de Kevlar presentes nos coletes à prova de balas disponíveis comercialmente, feitos exclusivamente de Kevlar.

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

Comparação entre 160 GSM, 200 GSM e 400 GSMKevlarTestes de impacto balístico foram realizados com munição 9 mm Parabellum e com diferentes números de camadas de Kevlar. Observou-se que poucas camadas de Kevlar não são eficazes para deter os projéteis, mas sim os forçam a penetrar mais profundamente no gel balístico. Somente com o aumento do número de camadas foi observada a diminuição da penetração do projétil no gel balístico. A razão para esse pico de penetração, especialmente com projéteis de ponta oca, foi o preenchimento do orifício com o material Kevlar, fazendo com que o projétil se comporte como um projétil FMJ (munição totalmente revestida). Gradientes negativos médios semelhantes foram observados entre os projéteis FMJ e de ponta oca, após o pico de penetração ser atingido.

Resumindo as contribuições deste artigo, podemos concluir o seguinte:

• 1)

• Investigou-se a eficácia de diferentes camadas de Kevlar de 160 GSM, 200 GSM e 400 GSM, intercaladas com gel balístico, e constatou-se que o Kevlar de 200 GSM foi mais eficaz para deter um projétil de 9 mm Parabellum.

• 2)

• Constatou-se que não existe uma relação linear entre dois tipos diferentes de Kevlar com pesos diferentes (como Kevlar de 200 GSM e 400 GSM), dispostos em camadas de forma a terem o mesmo peso combinado.

• 3)

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

• 4)

• Foi avaliado que, para uma munição de 9 mm Parabellum, a mais comumente usada no mundo, são necessárias no mínimo 21 camadas de Kevlar de 200 g/m² 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 sobre as características das camadas de Kevlar de diferentes gramaturas, espera-se que essas características possam ser utilizadas 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 necessárias em comparação com a quantidade real de camadas danificadas merece ser explorada em pesquisas futuras com diferentes munições. Pesquisas futuras também poderão indicar o efeito de penetração que projéteis e munições de menor calibre têm sobre o Kevlar, em comparação com a munição 9 mm Para. Da mesma forma, pesquisas futuras poderão identificar como diferentes munições e projéteis penetram o Kevlar de 200 GSM, como o Kevlar usado exclusivamente em coletes à prova de balas. Com as características observadas nos projéteis de ponta oca, que penetram mais profundamente no gel balístico após a ponta oca ser bloqueada pelo Kevlar, pesquisas futuras permitirão identificar se um efeito semelhante ocorreria em um cenário onde o projétil penetrasse a roupa antes de penetrar a pele.

Agradecimentos

A pesquisa foi parcialmente financiada porFundação Nacional de Pesquisa. Agradecemos às seguintes empresas e indivíduos pela assistência, orientação e utilização das suas instalações, por ordem alfabética: Borrie Bornman, John Evans, Firearm Competency Assessment and Training Centre (+27 39 315 0379;fcatc1@webafrica.org.za), Henns Arms (Comerciante de armas de fogo e armeiro;www.hennsarms.co.za;info@hennsarms.co.za), Fazenda e Reserva Natural do Vale do Rio (+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), Southern Sky Operations (+27 31 579 4141;www.skyops.co.za;mike@skyops.co.za), Louis e Leonie Stopforth. Deve-se notar que as opiniões dos autores neste artigo não são necessariamente as opiniões das empresas, organizações e indivíduos mencionados acima. Os autores não receberam nenhum ganho financeiro pelos testes realizados.