Formación de chorro no cohesivo de revestimientos de carga en forma de aleación amorfa a base de Zr: un modelo predictivo

Por qué romper un chorro metálico puede ser algo bueno

Se utilizan explosivos con frecuencia para perforar orificios estrechos y profundos en blindajes o hormigón, comprimiendo un cono metálico hasta convertirlo en un chorro rápido y en forma de aguja. Este estudio examina una nueva manera de conformar esos chorros empleando un metal “amorfo” especial a base de zirconio. En lugar de formar una única punta lisa, este material se rompe de forma natural en un rocío de fragmentos a alta velocidad. Ese intercambio —algo menos de profundidad, pero un orificio mucho más ancho— podría ser valioso para ojivas y tecnologías de protección de próxima generación.

Un tipo distinto de metal explosivo

Las cargas formadas tradicionales usan metales dúctiles como el cobre, que colapsan en un chorro largo y cohesivo que penetra profundamente por una trayectoria estrecha. Los ingenieros han descubierto que los chorros “no cohesivos”, es decir, los que se fragmentan rápidamente en muchas piezas, pueden ser mejores cuando se desea dañar una superficie mayor; por ejemplo, para abrir un túnel ancho para una segunda carga o para desbaratar estructuras complejas. La mayoría de los chorros no cohesivos actuales dependen de mezclas ligeras de metal y plástico, que no penetran muy lejos. Las aleaciones amorfas a base de Zr, a veces llamadas vidrios metálicos masivos, combinan alta densidad con alta resistencia y reactividad química, lo que las convierte en candidatas prometedoras para chorros potentes pero de amplia dispersión. Pruebas anteriores mostraron que estas aleaciones producen chorros discretos, casi como partículas, pero hasta ahora no existía una teoría predictiva que explicara por qué.

Modelando cómo colapsa el cono

Los autores construyen un modelo matemático que se centra en la pequeña región donde el revestimiento metálico es comprimido hacia el interior por el explosivo. Cerca del eje, el flujo del metal se desvía alrededor de un pequeño “núcleo de estancamiento”, siguiendo trayectorias curvadas en lugar de líneas rectas. El modelo trata esa región como un flujo circular compresible y emplea una descripción del material adaptada a sólidos frágiles y vidriosos (el modelo JH‑2). Al resolver las ecuaciones de balance de masa y momento en esta zona de flujo curvo, y al hacerlas coincidir con el resto del cono en colapso, el modelo predice cómo cambian la presión, la densidad y la velocidad de flujo desde las líneas de corriente internas hasta las externas. Estas predicciones se conectan entonces con una cuestión clave: en qué punto las velocidades locales de flujo alcanzan o superan la velocidad del sonido en el material, una condición que tiende a desestabilizar el chorro y a impulsar las partículas lateralmente en lugar de hacia adelante.

Un límite oculto: el ángulo máximo de colapso

Cuando el cono colapsa, cada anillo de material se cierra a un ángulo y a una velocidad particulares. El nuevo modelo muestra que para la aleación amorfa a base de Zr existe un ángulo máximo de colapso: más allá de ese valor, las ecuaciones que describen un flujo estacionario y bien comportado dejan de tener solución. Físicamente, esto significa que el metal se fragmenta temprano, la región de flujo curvo no puede permanecer estable y se desarrollan fuertes velocidades laterales (radiales). Los investigadores derivan una velocidad crítica de entrada para el metal que entra en esa región y muestran cómo depende de la geometría y de la velocidad del sonido del material. También refinan una razón geométrica que caracteriza el tamaño de la región de flujo, llevando las predicciones numéricas del modelo a un acuerdo muy cercano (dentro de aproximadamente medio por ciento) con sus cálculos detallados.

Ver en tiempo real cómo el chorro se desintegra

Para comprobar su teoría, el equipo construyó cargas formadas reales con un revestimiento de aleación amorfa Vit1 y las detonó mientras grababan el chorro con cámaras de rayos X de alta energía. Aproximadamente 30 microsegundos después de la detonación, el chorro se parecía mucho al convencional: largo y casi continuo, con solo un engrosamiento en forma de bulbo en la punta donde las partículas se acumulaban. Sin embargo, a los 60 microsegundos, la cabeza del chorro ya se había abierto en una cavidad en forma de trompeta y grupos de material se estaban desprendiendo radialmente, señales claras de un chorro no cohesivo. Simulaciones computacionales usando las mismas leyes del material reprodujeron estas características —la punta abultada, la cavidad creciente y la nube de fragmentos— confirmando que el modelo capturó la física clave.

De elementos diminutos al comportamiento global del chorro

Porque el modelo vincula cada pequeño segmento del revestimiento con su movimiento eventual en el chorro, los autores pueden mapear qué regiones del cono producen segmentos cohesivos y cuáles generan partículas sueltas. Encuentran que el material cercano a la punta del cono y a su base tiende a permanecer cohesivo, alimentando la cabeza del chorro y el “taco” trasero, mientras que el material de la región media es el que con mayor probabilidad se vuelve no cohesivo. Este patrón coincide con las imágenes de rayos X, donde el cuerpo del chorro termina mostrando una fuerte fragmentación mientras la cola permanece relativamente sólida. Es importante: el modelo explica por qué esta fragmentación ocurre aun cuando las velocidades de colisión en la aleación amorfa todavía están por debajo del umbral tradicional de velocidad del sonido que funciona para el cobre: el carácter frágil y tipo vidrio de la aleación y la existencia del ángulo máximo de colapso impulsan conjuntamente la fragmentación del chorro.

Qué significa esto en la práctica

Para no especialistas, la conclusión principal es que la forma en que un cono metálico falla bajo carga explosiva —si fluye suavemente o se hace añicos— puede predecirse y diseñarse. Este trabajo proporciona una herramienta basada en la física que los diseñadores pueden usar para elegir formas de revestimiento y materiales que produzcan penetración profunda y estrecha o una apertura más amplia y destructiva, manteniendo al mismo tiempo una buena impulsión hacia adelante. En particular, muestra que las aleaciones amorfas a base de Zr favorecen de forma natural la ruptura controlada del chorro, ofreciendo una vía hacia dispositivos compactos que puedan abrir pasajes grandes o producir daños internos amplios con una sola carga.

Cita: Niu, Y., Ji, L., Jia, X. et al. Non-cohesive jet formation of Zr-based amorphous alloy shaped charge liners: a predictive model. Sci Rep 16, 5647 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35608-0

Palabras clave: chorros de cargas formadas, aleaciones amorfas, chorros no cohesivos, revestimientos de vidrio metálico, penetración explosiva