Comparación de la resistencia al impacto balístico en polímeros sintéticos y modificados por radiación gamma

Abstract

La presente Tesis doctoral analiza en profundidad los mecanismos de disipación de energía y daño estructural en materiales poliméricos sometidos a impactos balísticos de alta velocidad, con especial énfasis en el efecto de la irradiación gamma sobre sus propiedades mecánicas. Se seleccionaron tres sistemas poliméricos representativos: polietileno lineal de baja densidad (PELBD), polidimetilsiloxano elastomérico (PDMS-e) y polidimetilsiloxano lineal (PDMS), cuyas arquitecturas moleculares son semicristalina, reticulada y lineal, respectivamente, permitiendo evaluar comparativamente la influencia de la morfología y la estructura química en la respuesta frente a altas tasas de deformación. El objetivo principal fue caracterizar y comparar los mecanismos de deformación, fractura y disipación de energía de estos materiales antes y después de ser sometidos a irradiación gamma en dosis crecientes (25, 50, 100 y 200 kGy). Este tratamiento indujo entrecruzamientos covalentes entre cadenas poliméricas, modificando la morfología interna y las propiedades viscoelásticas de los polímeros. En particular, el PDMS lineal, originalmente un fluido viscoso, adquirió características sólidas elastoméricas tras la irradiación, lo que amplía significativamente su potencial como material funcional en aplicaciones de absorción de impacto. Para evaluar el comportamiento frente al impacto balístico, se diseñaron ensayos experimentales utilizando una pistola de gas ligero (PGL) desarrollada especialmente para esta Tesis. Se dispararon proyectiles esféricos sobre películas de los polímeros estudiados, determinándose parámetros críticos como la velocidad residual, el espesor crítico para la transición entre perforación y rebote, el área de interacción proyectil-objetivo y la energía cinética del proyectil disipada en el material. Estos resultados se complementaron con un análisis morfológico de las perforaciones o huellas de impacto, lo que permitió interpretar los mecanismos de deformación predominantes en cada caso. Los resultados revelaron diferencias significativas en la respuesta mecánica de los materiales. El PELBD, gracias a su estructura semicristalina, presentó una elevada tenacidad al impacto y una notable capacidad de deformación plástica localizada. Las regiones amorfas facilitaron la orientación de cadenas bajo tensión, mientras que las regiones cristalinas aportaron rigidez estructural, permitiendo soportar impactos balísticos sin fractura. En cambio, el PDMS-e, una red tridimensional entrecruzada covalentemente, mostró un comportamiento predominantemente elástico, con alta capacidad de recuperación tras la deformación. No obstante, su capacidad limitada de deformación plástica lo hace más susceptible a la fractura. El PDMS lineal, por su parte, evidenció un comportamiento viscoelástico con escasa resistencia mecánica al impacto. La ausencia de entrecruzamientos permitió el libre deslizamiento de cadenas durante el impacto, lo que resultó en una baja absorción energética y una alta propensión a la perforación. Tras la irradiación, este material sufrió una transformación estructural significativa, convirtiéndose en un elastómero con mejor desempeño balístico. Se evidenció que la estructura molecular del polímero y el entrecruzamiento inducido por irradiación son factores determinantes en su comportamiento bajo impacto. En el PELBD, la irradiación produjo un endurecimiento moderado y una disminución del área dañada. En el PDMS-e, se observó una mejora en la resistencia y una menor deformación inducida. En el PDMS lineal, la conversión a una red elastomérica incrementó de forma notoria su capacidad de disipar energía cinética. También se pudo determinar el espesor crítico de película necesario para la transición entre los regímenes de perforación y rebote, para cada material. El análisis de los resultados permitió identificar tendencias claras entre esta variable, la velocidad residual y la energía cinética del proyectil disipada en el material. Estos hallazgos constituyen una herramienta útil para el diseño de materiales poliméricos con capacidad de absorción balística. En conjunto, esta Tesis aporta evidencia experimental sobre la relación entre arquitectura molecular, modificación por radiación y respuesta mecánica frente a impacto. Los resultados obtenidos abren nuevas perspectivas para el desarrollo de polímeros funcionales con aplicaciones potenciales en los sectores aeroespacial, defensa, protección personal y electrónica flexible.

This doctoral Thesis presents an in-depth analysis of energy dissipation mechanisms and structural damage in polymeric materials subjected to high-velocity ballistic impacts, with particular emphasis on the effects of gamma irradiation on their mechanical properties. Three representative polymer systems were selected: linear low-density polyethylene (LLDPE), elastomeric polydimethylsiloxane (PDMS-e), and linear polydimethylsiloxane (PDMS), whose molecular architectures— semicrystalline, crosslinked, and linear, respectively—enabled a comparative evaluation of how morphology and chemical structure influence the mechanical response under high strain rates. The primary objective was to characterize and compare the deformation, fracture, and energy dissipation mechanisms of these materials before and after gamma irradiation at increasing doses (25, 50, 100, and 200 kGy). The irradiation process induced covalent crosslinking between polymer chains, modifying the internal morphology and viscoelastic properties of the materials. Notably, linear PDMS, originally a viscous fluid, acquired elastomeric solid-like properties after irradiation, significantly expanding its potential as an impact-absorbing material. Ballistic performance was evaluated through controlled experiments using a light gas gun (LGG) specifically developed for this research. Spherical projectiles were accelerated at various speeds and launched against polymer films. Critical parameters such as residual velocity, critical thickness for penetration-rebound transition, damage area, and dissipated energy were determined. These results were complemented by morphological analyses of impact marks, allowing the identification of dominant deformation mechanisms in each material. The findings revealed significant differences in the mechanical responses of the studied polymers. LLDPE, due to its semicrystalline structure, exhibited high impact toughness and a strong ability to dissipate energy via localized plastic deformation. Amorphous regions facilitated chain alignment under stress, while crystalline domains provided additional stiffness, enabling the material to withstand ballistic impacts without catastrophic failure. In contrast, PDMS-e, with its covalently crosslinked network, displayed a predominantly elastic response and excellent shape recovery after deformation. However, its limited plastic deformation capacity reduced its ability to dissipate energy, making it more prone to fracture under certain conditions. Linear PDMS exhibited typical viscoelastic behavior, with minimal mechanical resistance to impact. The lack of crosslinking allowed polymer chains to slide past each other during impact, resulting in low energy absorption and high susceptibility to perforation. After irradiation, this material underwent a structural transformation into an elastomeric network, substantially improving its ballistic resistance. The study demonstrated that the molecular architecture and irradiation-induced crosslinking are critical factors governing the impact behavior of polymers. In LLDPE, gamma irradiation resulted in moderate hardening and reduced damage area. In PDMS-e, it enhanced mechanical resistance and reduced deformation. In linear PDMS, the induced crosslinking led to a remarkable improvement in kinetic energy dissipation capacity. Another contribution of this Thesis was the identification of the critical film thickness required to induce the transition between perforation and rebound regimes, for each material. The analysis of the results allowed us to identify clear trends between this variable, the residual velocity and the kinetic energy of the projectile dissipated in the material. In summary, this Thesis provides experimental evidence on how molecular structure and radiation-induced modifications can be strategically leveraged to optimize the mechanical performance of polymers under ballistic impact. The findings open new ways for the development of functional polymers with potential applications in aerospace, defense, personal protection, and flexible electronics.