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ANÁLISE DO DANO POR IMPACTO DE PROJÉTIL CALIBRE 7,62 mm (308 WINCHESTER) EM VIDROS BLINDADOS PARA VEÍCULOS DE TRANSPORTE
DE VALORES
G.C.P. Branco1; E.G. Basile1; R.G. Morrone1; H.F. Viana1; G. Divino1; H.N. Yoshimura2
Av. Prof. Almeida Prado, 532, São Paulo, SP, 05508-901, [email protected] 1 – Gepco Indústria e Comércio Ltda.
2 – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. – IPT
RESUMO
Neste trabalho investigou-se o comportamento balístico de vidros blindados
utilizados em veículos de transporte de valores. Os parâmetros investigados foram
energia do projétil e seqüência das lâminas de vidro. Foram preparadas amostras
com quatro lâminas de vidro (uma de 5 mm e três de 8 mm) e duas lâminas de
policarbonato (uma de 6 mm e outra de 3 mm). Foram preparadas amostras com
diferentes seqüências de vidro, onde se variou a ordem de posição da lâmina de 5
mm. Os conjuntos foram laminados com filmes de PVB e PU em uma autoclave. Os
laminados (50x50 cm2) foram submetidos ao ensaio balístico utilizando projétil
calibre 7,62 mm (308 Winchester, nível III da norma NIJ 0108.01). As imagens
digitalizadas das amostras ensaiadas foram analisadas em um programa de análise
de imagens para quantificação dos danos (área esbranquiçada e diâmetro da cratera
do vidro), cujos resultados foram correlacionados com os parâmetros estudados.
Palavras-chave: Vidro blindado, compósito laminado, impacto, balística
INTRODUÇÃO
A crescente onda de violência tem aumentado a demanda por estruturas
blindadas para proteção do indivíduo e para transporte de valores. A blindagem, no
entanto, causa um aumento no peso do veículo, o que acarreta, entre outros fatores,
em aumento do consumo de combustível, que tem o agravante de aumentar a
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emissão de poluentes na atmosfera. Esforços têm sido empenhados no sentido de
se diminuir o peso da blindagem por meio do desenvolvimento de materiais e
sistemas de montagem (1-3).
O vidro blindado para automóveis e veículos de transporte de valores consiste
basicamente de um conjunto laminado de lâminas de vidros com uma lâmina ou
mais de policarbonato (PC) no lado interno, em referência ao veículo. Este
compósito combina uma camada externa dura com uma camada interna mais
flexível e tenaz, conjugando sinergisticamente as suas propriedades e obtendo um
desempenho balístico superior ao de seus componentes isolados. De um modo
geral, a face de impacto (primeira lâmina de vidro) têm a função de achatar o projétil
e eliminar a sua conicidade e o seu movimento rotatório, para diminuir a sua
capacidade de perfuração. As lâminas intermediárias de vidro atuam no sentido de
absorver a energia cinética do projétil e diminuir a sua velocidade. A(s) lâmina(s) de
PC atua(m) no sentido de impedir a perfuração do projétil e o lançamento de
perigosos estilhaços de vidro para dentro do veículo. O principal mecanismo de
absorção de energia cinética do projétil pelas lâminas de vidro é a geração de
superfícies de fratura frágil, enquanto pela(s) lâmina(s) de PC é a deformação
plástica. Outro mecanismo importante do compósito pode ser a delaminação entre
as lâminas, que depende das características dos filmes poliméricos adesivos
utilizados para a união das lâminas de vidro e de PC, sendo os mais utilizados o
polivinil butiral (PVB) e o poliuretano (PU) (4).
A compreensão dos mecanismos de dano envolvidos no impacto de projéteis
de armas de fogo em proteções balísticas é fundamental para o avanço no
desenvolvimento de estruturas blindadas mais leves. Este trabalho tem como
objetivo avançar na compreensão do comportamento balístico de vidros blindados
por meio da análise dos danos causados pelo impacto de projétil de arma de fogo.
Os parâmetros investigados foram a energia do projétil, a seqüência de tiros e a
seqüência de montagem das lâminas de vidro.
METODOLOGIA
A preparação das amostras de vidro blindado envolveu a utilização de lâminas
de vidro plano de 5 e 8 mm de espessura (Cebrace vidro Float), placas de
policarbonato (PC) de 3 e 6 mm de espessura (GE Lexan) e filmes de polivinil butiral
(PVB) e de poliuretano (PU) de 0,38 mm de espessura. Foram preparadas amostras
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com montagem de quatro lâminas de vidro e duas placas de PC na face oposta à
direção de impacto do projétil, sendo que entre as lâminas de vidro foi utilizado um
filme de PVB e entre o vidro e o PC e entre as lâminas de PC um filme de PU. Os
conjuntos foram montados manualmente, colocados dentro de bolsas de vácuo e
submetidos a ciclo de vácuo, pressão e temperatura em uma autoclave. Os
laminados foram preparados com área de 50 x 50 cm2.
As amostras foram submetidas ao ensaio balístico com base na norma
americana NIJ 0108.01 (1985) (5), utilizando como sistema de disparo uma estativa
fixa com mira laser. A amostra foi fixada em um suporte metálico com vão de ~40 x
40 cm2 com os apoios revestidos de borracha e posicionada frontal e
perpendicularmente à estativa, a uma distância de 15 m. A velocidade do projétil foi
determinada em todos os tiros por meio de um cronógrafo (Crony F-1), com distância
entre sensores de 0,305 m, posicionada à frente e a 2,0 m da estativa. A cada
disparo, montava-se a bala com uma determinada massa de pólvora (CBC ref. 102),
pesada em uma balança digital semi-analítica (Gehaka BG 200), que era inserida
em um estojo com espoleta e fechada com um projétil calibre 7,62mm (308
Winchester); na seqüência este conjunto era calibrado em um dispositivo apropriado.
O comprimento do cartucho fechado (bala) foi de cerca de 51 mm. Os disparos
foram realizados dentro de um túnel balístico com sistema de segurança para
acionamento.
A primeira série de estudo envolveu laminados com um vidro de 5 mm na face
de impacto, seguido de três vidros de 8 mm de espessura, uma placa de PC de 6
mm e uma placa de PC de 3 mm (amostra 5888-63). Nesta série verificou-se o efeito
da energia cinética (E = mv2/2) do projétil na evolução do dano da estrutura
blindada, variando-se a velocidade v do projétil. A massa m de cada projétil também
foi medida por meio da balança digital semi-analítica (a massa média do projétil foi
de (9,6 ± 0,2) g, próxima ao valor nominal especificado de 9,7 g (5)). Em cada
amostra foi realizado um disparo no seu centro.
Na segunda série foram preparadas amostras similares às da primeira série,
mas variando-se a posição do vidro de 5 mm na seqüência de lâminas de vidro.
Foram preparadas as amostras 5888-63, 8588-63, 8858-63 e 8885-63. Realizou-se
o ensaio balístico tipo III da NIJ 0108.01 (1985) (5), onde foram disparados cinco tiros
em cada laminado, sendo que as posições de impacto dos quatro primeiros
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formavam um quadrado de lado 200 mm centrado na amostra e o último tiro foi dado
no centro desta figura.
Após cada disparo, registrou-se com uma câmara digital as imagens frontal e
de trás da amostra. As imagens digitalizadas ou copiadas foram analisadas em um
analisador de imagens (Leica QWin) para quantificação dos danos. Nas amostras da
primeira série os padrões de trinca gerados por cada uma das lâminas de vidro
foram copiados separadamente em folhas de acetato. Em cada padrão de fratura
foram traçados círculos com raios de 10, 15 e 20 cm centrados na posição de
impacto e contadas o número de trincas radiais e a quantidade bifurcação (ou
ramificação) destas trincas. As amostras da primeira série foram seccionadas ao
meio em uma cortadeira com disco diamantado para análise do seu perfil.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A espessura média dos vidros blindados preparados foi de (39,2 ± 0,2) mm e a
massa média de (20,72 ± 0,06) kg. Uma característica importante de blindagens
balísticas é a densidade superficial (areal density), razão entre a massa e a área do
laminado, que possibilita comparar blindagens com diferentes materiais e
montagens. A densidade superficial média dos vidros blindados preparados foi de
(82,9 ± 0,3) kg/m2.
A Fig. 1 apresenta os resultados de velocidade e de energia cinética do projétil
calibre 7,62 mm (308 Winchester) em função da massa de pólvora utilizada.
v = 265x + 119
Ec = 158x2 + 990x - 511
0
200
400
600
800
1000
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
Massa de pólvora (g)
Velo
cida
de (m
/s)
0
1000
2000
3000
4000
5000
Ener
gia
ciné
tica
(J)
VelocidadeEnergia cinética
Fig. 1 – Velocidade e energia cinética do projétil calibre 7,62 mm (308 Winchester)
em função da massa de pólvora.
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Observou-se relação linear entre a velocidade do projétil e a massa de pólvora
e, em conseqüência, relação parabólica da energia cinética. Na segunda série, a
velocidade do projétil foi mantida constante em (840 ± 20) m/s, próximo da faixa
especificada para o ensaio balístico tipo III da NIJ 0108.01 (1985) (5) de
(838 ± 15) m/s. A energia cinética média do projétil desta série foi de
(3,4 ± 0,2)x103 J.
1a Série: Efeito da energia cinética (velocidade) do projétil calibre 7,62 mm
A Fig. 2 apresenta imagens da região próxima ao ponto de impacto, onde
ocorreu intenso dano, ilustrando os diversos defeitos observados. As trincas cônicas
se formam a partir da região de impacto e são aproximadamente concêntricas ao
eixo de impacto, sendo que a base maior destas trincas define a área
esbranquiçada. Esta área é parte opaca e parte translúcida em decorrência do
espalhamento de luz causado pela região intensamente danificada do vidro. Nesta
região observam-se muitas trincas radiais, laterais, circunferenciais e cônicas. O
encontro destas trincas formam pedaços de vidro soltos, que se destacam
facilmente na primeira lâmina de vidro na região próxima à posição de impacto.
(a) frontal (b) verso (c) seção transversal
Fig. 2 – Imagens da região próxima ao ponto de impacto da amostra 5888-63
submetida à velocidade do projétil de 906 m/s (3903 J). CR - cratera, AE - área
esbranquiçada, PC – plug cônico, TR - trinca radial, TL - trinca lateral, TCi -
trinca circunferencial e TC - trinca cônica.
Na menor velocidade (348 m/s, 568 J), o dano causado pelo impacto do projétil
foi superficial, causando uma marca na posição de impacto e a formação de duas
trincas radiais na primeira lâmina de vidro (5 mm de espessura). Na velocidade de
463 m/s (1052 J), o dano ficou restrito nas duas primeiras lâminas de vidro, onde se
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observou trincas radiais, laterais, circunferenciais e cônicas. Observou-se também
cominuição parcial e lascamento da primeira lâmina de vidro na região próxima ao
impacto. Com o aumento da velocidade do projétil, a área e a profundidade do dano
se intensificaram e as quantidades das trincas aumentaram. A partir da velocidade
de 529 m/s (1305 J), o dano foi observado nas quatro lâminas de vidro. Até a
velocidade de 657 m/s (2117 J) não se observou perfuração da primeira lâmina de
vidro (Fig. 3a), que se iniciou a partir de 740 m/s (2544 J) (Fig. 3b), com a formação
da cratera (Fig. 2a). Exceto na menor velocidade, o impacto do projétil causou a
formação do plug cônico (ou conoid (6)) em cada lâmina de vidro danificada, com o
seu centro alinhado ao eixo de impacto. Este plug cônico tem geometria de domo
com superfície esférica constituído de partículas de vidro com formato colunar
aderidas ao filme de PVB voltado para o lado do impacto (4). Em velocidade
suficientemente alta, o plug cônico é cominuído no impacto. Na Fig. 2c, observa-se
que os plugs cônicos das duas primeiras lâminas de vidro foram cominuídos,
restando os plugs das duas últimas lâminas de vidro. A formação do plug cônico
também é observada em materiais cerâmicos e decorre de tensão de tração similar
ao dano por contato de Hertz (7). Note que a região cominuída ao redor dos plugs
forma um perfil de cone com a base menor sendo a cratera e a base maior a área
esbranquiçada (Fig. 2c).
(a) (b)
Fig. 3 – Imagens da amostra 5888-63 submetida às velocidades do projétil de (a)
586 m/s (1681 J) e (b) 740 m/s (2544 J).
As trincas circunferenciais, que ficaram restritas à região delimitada pela área
esbranquiçada, e as trincas radiais foram perpendiculares à superfície do vidro. A
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formação de trincas radiais na região fora da área esbranquiçada indica que estas
se propagaram mais rapidamente (e provavelmente se formaram antes) do que as
trincas circunferenciais (observou-se também que as trincas circunferenciais eram
descontínuas na interseção com as trincas radiais). Na Fig. 3a, observam-se trincas
com padrão aproximadamente circulares concêntricas à posição de impacto,
defletidas ou bifurcadas a partir de trincas radiais, fora da área esbranquiçada, e que
aparentam serem “largas” em decorrência de estarem inclinada em relação ao plano
do vidro. Estas trincas têm sido denominadas de wing cracks, com inclinação de 45o
em relação à superfície do vidro, e aparentam ser uma forma de trinca de
cisalhamento resultante da reação com as ondas de tensão refletidas nas bordas
das lâminas de vidro (8). As wing cracks foram observadas principalmente na
segunda lâmina de vidro das amostras ensaiadas com velocidades de 529 a 657 m/s
(1305 a 2117 J), que correspondem às amostras que sofreram danos nas quatro
lâminas de vidro sem a perfuração da primeira lâmina.
Em todas as amostras ensaiadas, não se observou deformação plástica das
placas de PC (Fig. 2c). A máxima velocidade que se alcançou nesta série (906 m/s,
3903 J) correspondeu à carga máxima de pólvora que se conseguiu colocar no
estojo do cartucho. A Fig. 4 apresenta os resultados de área esbranquiçada e área
da cratera em função da energia do projétil.
0
100
200
300
400
500
0 1000 2000 3000 4000 5000
Energia cinética (J)
Área
esb
ranq
uiça
da (c
m²)
0
5
10
15
20
25
30
Área
da
crat
era
(cm
²)
Área esbranquiçadaÁrea da cratera
PC CR
Fig. 4 – Resultados de área esbranquiçada e área da cratera (CR) da amostra 5888-
63 em função da energia cinética do projétil. (Na faixa indicada com PC, é
apresentada a área do plug cônico da primeira lâmina de vidro.)
Observou-se que a área esbranquiçada inicialmente aumentou rapidamente
com o aumento da energia cinética até um valor máximo em 3287 J (841 m/s) e
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acima deste valor apresentou tendência de saturação (Fig. 4). Entre as energias de
1305 e 2117 J (529 e 657 m/s), a área do plug cônico apresentou ligeira tendência
de aumento com o aumento da energia cinética. A partir de 2544 J (740 m/s)
observou-se que a área da cratera aumentou rapidamente com o aumento da
energia cinética. A continuidade dos resultados nas faixas de área do plug cônico e
da cratera (Fig. 4) sugere que o plug cônico é precursor de formação da cratera.
A Fig. 5 apresenta os padrões de trinca de cada um das quatro lâminas de
vidro da amostra 5888-63 submetida a diferentes velocidades de impacto do projétil.
1o vidro (5 mm) 2o vidro (8 mm) 3o vidro (8 mm) 4o vidro (8 mm)
(a) 529 m/s – 1305 J
(b) 740 m/s – 2544 J
(c) 906 m/s – 3903 J Fig. 5 – Padrões de trincas das quatro lâminas de vidro da amostra 5888-63
submetida a diferentes velocidades de impacto do projétil. O 1o vidro é a face
de impacto. (Não foi possível copiar as trincas próximas da região de impacto
principalmente nos 3os e 4os vidros devido ao intenso dano nesta região.)
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Observaram-se basicamente dois tipos de padrões de trincas nas amostras
que apresentaram danos nos quatro vidros. Na faixa de velocidade de 529 a 657 m/s
(1305 a 2117 J), que corresponde às amostras que não apresentaram perfuração da
primeira lâmina de vidro, a quantidade de trincas radiais aumentou gradativamente
do primeiro vidro (face de impacto) ao quarto vidro (Fig. 5a). A partir da velocidade
de 740 m/s (2544 J), que corresponde ao início da formação da cratera,
praticamente não houve diferenças das quantidades de trincas entre as quatro
lâminas de vidro (Fig. 5b). As quantidades de trincas radiais total (soma dos quatro
vidros) na circunferência de raio de 15 cm e de bifurcações/ramificações
aumentaram rapidamente com o aumento da energia cinética do projétil (Fig. 6). A
partir da velocidade de 841 m/s (3287 J) observou-se deflexão da parte das trincas
radiais e a formação de trincas circunferenciais entre as trincas radiais, fora da
região esbranquiçada (Fig. 5c). Algumas trincas defletidas eram ligeiramente
inclinadas, mas a maioria era perpendicular à superfície do vidro. As trincas
circunferenciais também eram perpendiculares à superfície. Estas trincas não
parecem ser de mesma natureza que as wing cracks, e parecem ter sido formadas
em decorrência da deflexão do vidro, quando o laminado é impactado com elevada
energia cinética do projétil (4). A presença de trincas radiais defletidas e não
defletidas indica que estas trincas podem ter diferentes velocidades de propagação
ou que passaram em tempos diferentes no momento da deflexão.
020406080
100120140160
0 1000 2000 3000 4000 5000
Energia do projétil (J)
No. R
amifi
caçõ
es
(a) (b)
0
100
200
300
400
500
0 1000 2000 3000 4000 5000
Energia do projétil (J)
No. T
rinca
s Ra
diai
s
Fig. 6 – Quantidades de trincas radiais, que cruzaram o círculo de raio 15 cm, e de
ramificações destas trincas, na seção circular entre os raios de 10 e 20 cm, da
amostra 5888-63 em função da energia cinética do projétil.
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2a Série: Efeito da seqüência de montagem das lâminas de vidro
Nesta série, a posição da lâmina de vidro de 5 mm foi variada no conjunto
laminado e o ensaio foi realizado na velocidade constante de (840 ± 20) m/s com
cinco tiros. Todas as amostras ensaiadas (5888-63, 8588-63, 8858-63 e 8885-63)
passaram no ensaio balístico nível III da NIJ 0108.01 (5), pois nenhuma apresentou
perfuração e nem mesmo deformação das placas de PC. A Fig. 7 apresenta a
seqüência de tiros na amostra 8588-63. Também não se observou diferenças
significativas de desempenho entre estas amostras (Fig. 11), resultado diferente do
trabalho anterior (4), onde se observou influência da seqüência de vidros no
desempenho balístico de nível III-A.
Fig. 10 – Seqüência de tiros da amostra 8588-63.
0
300
600
900
1200
1500
1800
1 2 3 4 5
Sequência de tiro
Área
esb
ranq
uiça
da
acum
ulad
a (c
m2 )
0
3
6
9
12
15
18
1 2 3 4 5
Sequência de tiro
Área
da
crat
era
(cm
2 )
5888-638588-638858-638885-63
(a) (b)
Fig. 11 – Área da cratera individual (a) e área esbranquiçada acumulada (b) das
amostras com diferentes seqüências de lâminas de vidro.
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CONCLUSÕES
Nas condições deste trabalho, observou-se que :
1) Na série de variação de energia cinética Ec do projétil calibre 7,62 mm (308
Winchester), onde se variou a velocidade de 348 a 906 m/s (568 a 3903 J), na
montagem do vidro blindado 5888-63:
dano no PC (área esbranquiçada) iniciou em ~1000 J e aumentou rapidamente
com a Ec até um máximo a ~3000 J.
A formação da cratera nas lâminas de vidro foi observada a partir de ~1300 J. A
área da cratera aumentou rapidamente a partir de ~2000 J.
Não se observou penetração (deformação plástica) do PC.
A quantidade de trinca radial e suas ramificações aumentaram rapidamente com
a energia cinética do projétil.
2) Na série com diferentes seqüências de lâminas de vidro, nas montagens do vidro
blindado 5888-63, 8588-63, 8858-63 e 8885-63:
Não se observou diferenças significativas de desempenho balístico, segundo
nível III da NIJ, quando se variou a posição do vidro de 5 mm.
AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a G.R. Siqueira, A.A. Siqueira, E.E. Cunha e G. Gomes pelo
auxílio na análise de imagens.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. C.A. Smith, Patente US 5.567.529, 1996.
2. H. Charrue, F. Rifqi, R. Crepet, C. Guillement, Patente US 5.773.148, 1998.
3. J.R. Manheim, Patente US 4.879.183, 1989.
4. G.C.P. Branco, E.G. Basile, R.G. Morrone, H.F. Viana, A.V.D. Cardoso, F.B.
Furtado, H.N. Yoshimura, Anais do 47° Congresso Brasileiro de Cerâmica, São
Paulo, SP, junho de 2003, ref. 13-01, p. 2003.
5. NIJ 0108.01 (1985), Ballistic Resistant Protective Materials.
6. V.D. Frechette, C.F. Cline, Ceramic Bulletin 49, 11 (1970) 994.
7. D. Sherman, D.G. Brandon, J. Mater. Res. 12, 5 (1997) 1335.
8. R.C. Bradt, M.E. Barkey, S.E. Jones, M.E. Stevenson, The Glass Researcher, 11,
2 (2002) 20.
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ANALYSIS OF 44 MAGNUM PROJECTILE IMPACT DAMAGE ON THE
BULLETPROOF GLASS WITH 21 mm THICKNESS
ABSTRACT
In this work, the ballistic behavior of bulletproof glasses used in armored vehicle was
investigated. The parameters investigated were the kinetic energy of projectile and
the sequence of glass laminae. Samples with four glass laminae (one of 5 mm and
three of 8 mm) and two PC laminae (one of 6 mm and another of 3 mm) were
prepared. Samples with different glass sequence, varying the position of the 5 mm
lamina, were prepared. The assembles were laminated with PVB and PU films in an
autoclave. The prepared laminates (50x50cm²) were subjected to a ballistic test
using the 7.62 mm projectile (308 Winchester, level III of NIJ 0108.01 standard). The
digitized images of tested samples were analyzed with an appropriated software to
evaluate their damage. The results were correlated to the parameters investigated.
Key-words: Bulletproof glass, laminated composite, impact, ballistic
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