EP1412693A1 - Blindage composite milticouches - Google Patents

Blindage composite milticouches

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EP1412693A1
EP1412693A1 EP02791498A EP02791498A EP1412693A1 EP 1412693 A1 EP1412693 A1 EP 1412693A1 EP 02791498 A EP02791498 A EP 02791498A EP 02791498 A EP02791498 A EP 02791498A EP 1412693 A1 EP1412693 A1 EP 1412693A1
Authority
EP
European Patent Office
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cage
metal
alloy
ceramic
infiltration
Prior art date
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Application number
EP02791498A
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German (de)
English (en)
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EP1412693B1 (fr
Inventor
Pierre-François LOUVIGNE
Gottfried Rettenbacher
Josef Reiter
Franz Feuchtenschlager
Peter Schulz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH
ETAT FRANCAIS REPRESENTE PAR LE DELEGUE GENERAL
Original Assignee
ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH
Direction General pour lArmement DGA
Etat Francais
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH, Direction General pour lArmement DGA, Etat Francais filed Critical ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH
Publication of EP1412693A1 publication Critical patent/EP1412693A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1412693B1 publication Critical patent/EP1412693B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0414—Layered armour containing ceramic material
    • F41H5/0421—Ceramic layers in combination with metal layers
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10S428/911—Penetration resistant layer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249953—Composite having voids in a component [e.g., porous, cellular, etc.]
    • Y10T428/249955—Void-containing component partially impregnated with adjacent component
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/249956—Void-containing component is inorganic
    • Y10T428/249957—Inorganic impregnant
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    • Y10T428/249978—Voids specified as micro
    • Y10T428/24998—Composite has more than two layers

Definitions

  • the invention relates to the field of shields and more particularly relates to a multilayer shield comprising a composite layer containing a first material, for example a ceramic, and a second material such as a metal or a metal alloy.
  • Ceramics has been known for its ballistic performance for many years either as a material placed on the front of a shield or embedded in metallic material to increase the overall effectiveness of the shield.
  • the most significant work in the field of cast composite armorings has mainly concerned the production of plates comprising series of ceramic reinforcements distributed in a metal matrix, generally obtained by a process akin to foundry.
  • the cost of the protections thus obtained is generally high in comparison with the shields made of monolithic materials.
  • Me Dougal et al. propose, in their patent U .S. 3,705,558, a light shield consisting of a layer of ceramic balls arranged in contact but in such a way that a slight space between the balls allows the passage of the coating metal liquid.
  • Different configurations are then possible: either the ceramic balls are enclosed in a stainless steel pocket, or they are covered with a layer of nickel and then glued to an aluminum plate.
  • the technique proposed by Me Dougal et al. has been criticized for its difficulty in implementation and the risk inherent in the process of damaging the ceramic by thermal shock during the coating phase of the liquid metal. Furthermore, during the foundry stage, it appears that the technique recommended by Me Douglas sometimes leads to the unexpected displacement of one ball in relation to the other.
  • the objective of the present invention is to remedy the aforementioned difficulties by proposing a light, efficient shielding, easy to manufacture and having unparalleled flexibility of integration and no longer having weakness in the strength and resistance in the event of a crack.
  • the composite layer The solution provided is a multilayer shield comprising a composite layer containing a first material consisting of a metal or an alloy and a second material, the second material is porous and in that said metal or said metal alloy is infiltrated inside any or part of the pores of said second material and which is characterized in that a cage made up of plates having openings contains said first and second materials and in that the cage itself is coated, at least in part, in said metal or alloy infiltration, the melting temperature of the material constituting the cage being higher than that of said infiltrated metal or alloy.
  • the cage is fully coated in comprises at least one face covered by a layer made, in said metal or infiltration alloy.
  • the porosity rate of the ceramic is between 0.1% and 80%.
  • the ceramic consists, in whole or in part, of at least one of the following ceramics: (SiC) recrystallized, and / or other types of ceramic such as SiC-SiN, SiC-SiO 2 , SiN, AI 2 O 3> AIN, Si 3 N 4
  • the ceramic consists, in whole or in part, of recrystallized silicon carbide.
  • the cage contains several reinforcement bodies, superimposed or juxtaposed, made of porous infiltrated ceramic.
  • the cage is made of metal or an alloy.
  • the cage is made, in whole or in part, by one of the following metals or their alloys: iron, steel, copper, zinc, aluminum, magnesium, beryllium or titanium.
  • said metal or said alloy infiltrated inside the pores of the ceramic consists, in whole or in part, of aluminum, magnesium, beryllium or titanium, one of their alloys.
  • FIG. 1 is a perspective view of an example of a porous reinforcing body intended to enter into the composition of a shielding according to the invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of an example of a metal cage A intended to enclose the porous reinforcement body.
  • - Figure 3 is a vertical section of a first example of shielding in which the porous reinforcement body forms only one body in the cage.
  • FIG. 4 is a vertical section of a second example of shielding containing several juxtaposed porous reinforcing bodies.
  • FIG. 5 is a vertical section of a third example of shielding containing several superimposed porous reinforcement bodies.
  • FIG. 6 shows an application of the invention for the protection of a person
  • FIG. 7 shows an application of the invention to a car for the protection of its occupants
  • FIG. 8 shows an application of the invention to an armored vehicle for the protection of its occupants.
  • FIG. 1 is a perspective view of an example of a body 1 of porous reinforcing material B intended to enter into the composition of the shielding.
  • This body 5 has a parallelepiped shape and is a ceramic. It is made of recrystallized silicon carbide. Its porosity rate is 15%.
  • This body has two transverse surfaces 2 of large dimension and lateral surfaces 3 of small dimension.
  • FIG 2 is a perspective view of an example of a metal cage 4 for enclosing said body 1 of porous reinforcing material.
  • This cage 4 is composed of plates 5 made of steel and having circular openings 6 regularly arranged. These plates 5 are assembled by welding to form a cage 4 inside which the body 1 of porous reinforcing material can be positioned, at least one of the faces of the parallelepiped being welded after the porous body 1 has been put in place. inside the cage 4.
  • FIG. 3 is a vertical section of an exemplary shield 19 in which the face subjected to the aggression of the ammunition is called the front face 10, while the opposite face 12 is called the rear face.
  • This shielding is of the composite multilayer type. It comprises a first layer 13, fine, of the order of a few millimeters, of infiltration metal, in this case aluminum, then a composite 15 consisting of a cage 14 containing a porous reinforcing body 11 made of silicon carbide recrystallized infiltrated and coated with said infiltration metal and finally a third layer 16, thick, of the order of several centimeters, consisting of infiltration metal.
  • the metal for infiltration of the porous ceramic infiltrates the pores of the latter but in addition coats the composite 15, the thickness of this coating being small on the front 10 and lateral 17 sides of the cage 14 and thick at the rear face 12 of the shield.
  • FIG. 4 is a vertical section of another example of shielding 29 according to the invention.
  • the face subjected to the aggression of the ammunition is called the front face 20, while the opposite face 22 is called the rear face.
  • This shielding is of the composite multilayer type. It comprises a first layer 23, fine, of the order of a few millimeters, of infiltration metal, in this case magnesium, then a composite consisting of a cage 24 containing several porous bodies 21 juxtaposed in alumina Al 2 0 3 infiltrated and coated with said infiltration metal and finally a third layer 16, thick, of the order of several centimeters, consisting of infiltration metal.
  • FIG. 5 is a vertical section of another example of shielding 39 according to the invention.
  • the face subjected to the aggression of the ammunition is called the front face 30, while the opposite face 32 is called the rear face.
  • This shielding is of the composite multilayer type. It comprises a first layer 33, fine, of the order of a few millimeters, of infiltration metal, in the occurrence of titanium, then a composite consisting of a cage 34 containing several superposed porous bodies 31, one of recrystallized silicon carbide with a porosity rate of 21% and the other of Si 3 N 4 with a rate of porosity of 11%, both being infiltrated and coated with said infiltration metal and finally a third layer 36, thick, of the order of several centimeters, consisting of infiltration metal.
  • the constituents used in the manufacture of the invention are voluntarily chosen from the family of industrial products of large production in order to achieve the objective of low cost, while respecting the objectives of performance, weight, ease of integration and multi-impact resistance capacity presented above.
  • the material of the porous ceramic reinforcement body may for example be recrystallized silicon carbide (SiC), but also other types of ceramics such as SiC-SiN, SiC-Si0 2 , SiN, AI 2 O 3 , AIN, If 3 N 4 .
  • the porosity of this reinforcement body must allow the infiltration metal to penetrate most, if not all, the pores in order to create an intimate bond between the two components and establish a state of local residual stresses generated by the differences in coefficient of thermal expansion. between ceramic and metal infiltration.
  • the coefficient of expansion of the ceramic being extremely low (some 10 "6 .K " 1 )
  • the ceramic material infiltrated by a metal sees its coefficient of expansion practically exclusively fixed by the ceramic, which generates internal tensions in the material.
  • the porosity rate can typically be of the order of 10 to 20%, but advantageous performances can also be achieved with lower porosity rates, typically 10% and up to levels below 0.1%, or, on the contrary, higher, for example from 20 to 40%.
  • the porosity rate as explained above, will be directly linked to the level of internal stresses reached in the ceramic after infiltration by the metal and therefore linked, to a certain extent, to the ballistic performance of the armor ammunition given.
  • the reinforcing material is contained in a cage. It is expected that this cage is made of a metal alloy of steel type so that the manufacture of the cage is easy (in particular that the material is weldable) and inexpensive. However, other metals such as copper, zinc, iron, aluminum, magnesium, beryllium, titanium or any other similar metal or an alloy of these metals can be used to manufacture said cage provided that the chemical and physical compatibilities between the reinforcement material, the cage and the infiltration metal allow this.
  • the cage must be designed in such a way that it contains the reinforcement material and that it easily allows the passage of liquid metal during the infiltration phase and the melting point of the material which constitutes it must be higher than the temperature of metal or infiltration alloy melting.
  • the role of the cage is twofold: it allows, on the one hand, during the shielding manufacturing phase to locate the reinforcement material in a part of the mold, and on the other hand to prevent the bursting of the material reinforcement by a containment effect when the shielding is impacted by the aggressor.
  • a projectile hits the ceramic / metal or alloy composite, it can crack.
  • the presence of the constitutive plates of the cage makes it possible to limit the expansion of the composite therefore its probability of cracking and even though it would crack, the cage produces a deviation from the cracking then a propagation of the latter until the opening from the nearest cage. Cracking is then very limited, the strength of the shielding is therefore not affected.
  • the infiltration material is preferably a metal or an alloy of this low density metal such as aluminum, magnesium or beryllium but, for certain shielding configurations, it may be advantageous to use other metals or alloys of these metals.
  • the invention provides that the cage containing the reinforcement material is completely embedded in the infiltration material. It is preferable to locate the cage containing the reinforcement material close to the front face of the shielding (i.e. the face which is supposed to be subjected to the aggression of the ammunition) while taking care to spare a thin layer of material of infiltration between the surface of the shielding and the cage.
  • the shielding can be designed with a volume of more or less infiltration material on the rear face (that is to say on the side opposite to the attacked face) so that this material can, by a process of plastic deformation, deform and finish consuming the incident energy provided by the projectile.
  • the shielding presented here is manufactured by any of the known infiltration methods such as, for example, squeeze casting, casting or pressure infiltration methods (by piston or by gas). In all these processes, the infiltration material is first heated until it melts to acquire sufficient fluidity, then it is brought into contact with the cage containing the reinforcement material.
  • the application of pressure as well as the preheating of the reinforcement material are two methods which make it possible to facilitate the infiltration of the metal into the reinforcement.
  • a method of manufacturing a shield 19 according to the invention may be the following.
  • the cage is obtained by folding and welding a weldable steel sheet pierced with circular holes and a thickness equal to 2mm.
  • the dimensions of the cage are 152mmx77mmx26mm, so that it can accommodate the three ceramic plates.
  • the infiltration material used is a conventional foundry alloy of aluminum-silicon type.
  • the implementation technique used for the foundry stage is squeeze casting.
  • An armor according to the invention can be dimensioned to directly protect a person by being used, for example, as a bullet-proof vest, and as a helmet as shown in FIG. 6, or to protect land systems, such as wheeled vehicles, tracked vehicles, shelters, infrastructure, mobile bridges etc. as shown in Figure 7, or flying systems such as planes, helicopters, drones, missiles etc. or even marine systems such as surface vessels, submarines, crossing equipment, etc. in the face of all types of projectiles, fragments and shards.
  • land systems such as wheeled vehicles, tracked vehicles, shelters, infrastructure, mobile bridges etc. as shown in Figure 7, or flying systems such as planes, helicopters, drones, missiles etc. or even marine systems such as surface vessels, submarines, crossing equipment, etc. in the face of all types of projectiles, fragments and shards.
  • the invention thus includes any type of composite shielding and ballistic shielding containing one or more bodies of porous ceramic enclosed in a metal cage, the whole infiltrated by a metal.
  • the constituents of the invention make it possible to place the shield in the range of light shields which can be compared in terms of performance to the aluminum of standard shield (alloy 7020).
  • Current conventional protection solutions suitable for light vehicles such as automobiles, combat vehicles, transport vehicles, airplanes, helicopters, etc., use steel panels a few millimeters thick or titanium, therefore heavier than the proposed solution.
  • the second advantage lies in the performance of the invention in the face of a wide range of threats.
  • the formulation chosen for the shielding it will be more or less optimized in the weight / performance ratio when faced with a type of threat, however, for a standard formulation, such as that
  • the aforementioned shielding provides total protection against projectiles of any mass and animated with an impact speed of between 500 and 1000 meters per second.
  • this formulation is far below the range of 40 to 100 kg / m 2. This range corresponds to the weight of the protections usually used on light vehicles.
  • the shield can adopt all the usual configurations for integrating a conventional shield, namely: the shield can be used as “applied”, that is to say that it is applied to the structure to be protected by all conventional techniques such as welding, gluing, bolting, hanging, etc. as shown in figure 8, the shielding can be directly integrated into the structure for the parts manufactured by a foundry technique such as openings, hoods, hulls, fenders, doors, roofs, floors, rims of wheels, etc.

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Description

Blindage composite milticouches
L'invention concerne le domaine des blindages et a plus particulièrement pour objet un blindage multicouche comportant une couche composite renfermant un premier matériau, par exemple une céramique, et un second matériau tel un métal ou un alliage métallique.
La céramique est connue pour ses performances balistiques depuis de nombreuses années soit en tant que matériau placé en face avant d'un blindage soit noyé dans de la matière métallique pour augmenter l'efficacité globale du blindage. Les travaux les plus significatifs dans le domaine des blindages composites coulés ont porté principalement sur la réalisation de plaques comprenant des séries de renforts céramiques répartis dans une matrice métallique, en général obtenue par un procédé apparenté à la fonderie.
Ces blindages, même s'ils présentent des performances intéressantes, sont en général difficiles à fabriquer et ne présentent pas une efficacité de protection garantie et identique pour tous les angles d'attaque, pour tous les points d'impact sur la face avant et présentent par ailleurs de faibles performances au multi-impact
(deux tirs successifs sur la même zone d'impact).
Par ailleurs, compte tenu de la nature et de la forme des corps de renfort utilisé, et compte tenu des difficultés de mise en œuvre, le coût des protections ainsi obtenues est en général élevé en comparaison des blindages constitués de matériaux monolithiques.
Enfin, les performances exceptionnelles de résistance en compression des céramiques ne sont pas pleinement mises à profit en raison des configurations de confinement préconisées par les différents inventeurs, qui ne présentent pas une configuration optimale.
Par exemple, Me Dougal et al. proposent, dans leur brevet U .S. 3 705 558, un blindage léger constitué d'une couche de boules de céramique disposées en contact mais de telle sorte qu'un léger espace entre boule autorise le passage du métal liquide d'enrobage. Différentes configurations sont alors possibles : soit les boules de céramiques sont enfermées dans une poche en acier inoxydable, soit elles sont recouvertes d'une couche de nickel puis collées sur une plaque d'aluminium. La technique proposée par Me Dougal et al. a été critiquée pour sa difficulté de mise en œuvre et le risque inhérent au procédé d'endommager la céramique par choc thermique pendant la phase d'enrobage du métal liquide. Par ailleurs, lors de l'étape de fonderie, il ressort que la technique préconisée par Me Douglas conduit parfois au déplacement inopiné d'une boule par rapport à l'autre. Ce déplacement fortuit affecte localement l'efficacité du blindage ; C'est pourquoi Huet a proposé dans son brevet US 4 534 266 une méthode permettant d'obtenir un réseau régulier de sphères métalliques interconnectées destinées à recevoir des inserts céramiques noyés par la suite par le métal liquide pendant l'étape de fonderie.
D'autres brevets comme par exemple les brevets US. 5194202, US4415632, DE3924267 et DE3837378 décrivent des plaques de blindage comportant une couche composite renfermant un premier matériau constitué par un métal ou un alliage métallique et un second matériau et caractérisé en ce que le second matériau est poreux et en ce que ledit métal ou ledit alliage est infiltré à l'intérieur de tout ou partie des pores dudit second matériau.
Toutefois un tel blindage soumis à un projectile se fissure et quand d'autres plaques, par exemple en métal lui sont associé par collage ou soudage il se produit alors des décollements entre les plaques prédommageables à la tenue et à la résistance de l'ensemble ou des ruptures des soudures dues aux forces de cisaillement, conduisant là encore à une diminution de la tenue et de la résistance de l'ensemble.
L'objectif de la présente invention est de remédier aux difficultés précitées en proposant un blindage léger, efficace, de fabrication aisée et présentant une souplesse d'intégration sans équivalent et ne présentant plus de faiblesse dans la tenue et la résistance en cas de fissure de la couche composite. La solution apportée est un blindage multicouche comportant une couche composite renfermant un premier matériau constitué par un métal ou un alliage et un second matériau, le second matériau est poreux et en ce que ledit métal ou ledit alliage métallique est infiltré à l'intérieur de tout ou partie des pores dudit second matériau et qui est caractérisé en ce que une cage constituée de plaques présentant des ouvertures renferme lesdits premier et second matériaux et en ce que la cage elle-même est enrobée, au moins en partie, dans ledit métal ou alliage d'infiltration, la température de fusion du matériau constitutif de la cage étant supérieure à celle dudit métal ou alliage infiltré.
Selon une autre caractéristique additionnelle, la cage est entièrement enrobée dans comporte au moins une face recouverte par une couche réalisée, dans ledit métal ou alliage d'infiltration.
Selon une autre caractéristique, le taux de porosité de la céramique est compris entre 0,1% et 80%.
Selon une autre caractéristique, la céramique est constituée, en tout ou partie, par au moins l'une des céramiques suivantes : (SiC) recristallisé, et/ou d'autres types de céramiques comme le SiC-SiN, SiC- SiO2, SiN, AI2O3> AIN, Si3N4
Selon une caractéristique particulière, la céramique est constituée, en tout ou partie, par du carbure de silicium recristallisé.
Selon une autre caractéristique, la cage renferme plusieurs corps de renfort, superposés ou juxtaposés, en céramique poreuse infiltrée. Selon une autre caractéristique, la cage est en métal ou en alliage.
Selon une caractéristique particulière, la cage est constituée, en tout ou partie, par l'un des métaux suivants ou de leurs alliages : le fer, l'acier, le cuivre, le zinc, l'aluminium, le magnésium, le béryllium ou le titane.
Selon une caractéristique, ledit métal ou ledit alliage infiltré à l'intérieur des pores de la céramique est constitué, en tout ou partie, par de l'aluminium, du magnésium, du béryllium ou du titane un de leurs alliages.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description de différents modes de réalisation de l'invention, en regard des figures annexées parmi lesquelles :
- La figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de corps de renfort poreux destiné à rentrer dans la composition d'un blindage selon l'invention.
- La figure 2 est une vue en perspective d'un exemple de cage métallique A destinée à renfermer le corps de renfort poreux. - La figure 3 est une coupe verticale d'un premier exemple de blindage dans lequel le corps de renfort poreux ne forme qu'un seul corps dans la cage.
- La figure 4 est une coupe verticale d'un second exemple de blindage renfermant plusieurs corps de renfort poreux juxtaposés.
- La figure 5 est une coupe verticale d'un troisième exemple de blindage renfermant plusieurs corps de renfort poreux superposés.
- La figure 6 montre une application de l'invention pour la protection d'une personne,
- La figure 7 montre une application de l'invention à une voiture pour la protection de ses occupants,
- La figure 8 montre une application de l'invention à un véhicule blindé pour la protection de ses occupants.
La figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de corps 1 de matière de renfort poreuse B destiné à rentrer dans la composition du blindage. Ce corps 5 à une forme parallélépipède et est une céramique. Il est réalisé en carbure de silicium recristallisé. Son taux de porosité est de 15%. Ce corps présente deux surfaces transversales 2 de grande dimension et des surfaces latérales 3 de faible dimension.
La figure 2 est une vue en perspective d'un exemple de cage métallique 4 destinée à renfermer ledit corps 1 de matière de renfort poreuse. Cette cage 4 est composée de plaques 5 réalisées en acier et présentant des ouvertures circulaires 6 régulièrement disposées. Ces plaques 5 sont assemblées par soudage pour former une cage 4 à l'intérieur de laquelle peut être positionné le corps 1 de matière de renfort poreuse, l'une au moins des faces du parallélépipède étant soudée après mise en place du corps poreux 1 à l'intérieur de la cage 4.
Les dimensions de la cage 4 et du corps poreux 1 sont telles qu'il subsiste un jeu de plusieurs millimètres, voire plus, entre l'une des faces transversales 2 du corps poreux et la face latérale intérieure correspondante de la cage 4. Par contre le jeu est pratiquement nul entre les surfaces latérales 3 du corps poreux 1 et les surfaces intérieures correspondantes de la cage 4. La figure 3 est une coupe verticale d'un exemple de blindage 19 dans lequel la face soumise à l'agression de la munition est appelée face avant 10, tandis que la face opposée 12 est appelée face arrière.
Ce blindage est de type multicouche composite. Il comporte une première couche 13, fine, de l'ordre de quelques millimètres, en métal d'infiltration, en l'occurrence en aluminium, puis un composite 15 constitué par une cage 14 renfermant un corps poreux de renfort 11 en carbure de silicium recristallisé infiltré et enrobé par ledit métal d'infiltration et enfin une troisième couche 16, épaisse, de l'ordre de plusieurs centimètres, consistant en du métal d'infiltration.
On constate que le métal d'infiltration de la céramique poreuse d'une part infiltre les pores de cette dernière mais en plus enrobe le composite 15, l'épaisseur de cet enrobage étant faible sur les faces avant 10 et latérale 17 de la cage 14 et épais au niveau de la face arrière 12 du blindage.
La figure 4 est une coupe verticale d'un autre exemple de blindage 29 selon l'invention.
La face soumise à l'agression de la munition est appelée face avant 20, tandis que la face opposée 22 est appelée face arrière.
Ce blindage est de type multicouche composite. Il comporte une première couche 23, fine, de l'ordre de quelques millimètres, en métal d'infiltration, en l'occurrence en magnésium, puis un composite constitué par une cage 24 renfermant plusieurs corps poreux 21 juxtaposés en alumine Al203 infiltrés et enrobés par ledit métal d'infiltration et enfin une troisième couche 16, épaisse, de l'ordre de plusieurs centimètres, consistant en du métal d'infiltration.
La figure 5 est une coupe verticale d'un autre exemple de blindage 39 selon l'invention.
La face soumise à l'agression de la munition est appelée face avant 30, tandis que la face opposée 32 est appelée face arrière.
Ce blindage est de type multicouche composite. Il comporte une première couche 33, fine, de l'ordre de quelques millimètres, en métal d'infiltration, en l'occurrence en titane, puis un composite constitué par une cage 34 renfermant plusieurs corps poreux 31 superposés, l'un en carbure de silicium recristallisé avec un taux de porosité de 21% et l'autre en Si3N4 avec un taux de porosité de 11%, l'un et l'autre étant infiltrés et enrobés par ledit métal d'infiltration et enfin une troisième couche 36, épaisse, de l'ordre de plusieurs centimètres, consistant en du métal d'infiltration.
Les constituants entrant dans la fabrication de l'invention sont volontairement choisis dans la famille des produits industriels de grande production afin d'atteindre l'objectif de faible coût, tout en respectant les objectifs de performance, de poids, de facilité d'intégration et de capacité de résistance au multi-impactage présenté ci avant.
Ainsi, la matière du corps de renfort en céramique poreuse peut par exemple être du carbure de silicium (SiC) recristallisé, mais aussi d'autres types de céramiques comme le SiC-SiN, SiC- Si02, SiN, AI2O3, AIN, Si3N4. La porosité de ce corps de renfort doit permettre au métal d'infiltration de pénétrer la plupart, voire tous les pores afin de créer un lien intime entre les deux composants et établir un état de contraintes résiduelles local généré par les différences de coefficient de dilatation thermique entre la céramique et le métal d'infiltration. En effet, le coefficient de dilatation de la céramique étant extrêmement bas (quelques 10"6.K"1), il résulte que la matière céramique infiltrée par un métal (dont le coefficient de dilatation est entre 2 et 10 fois plus élevé) voit son coefficient de dilatation pratiquement exclusivement fixé par la céramique, ce qui génère des tensions interne à la matière. Le taux de porosité peut être typiquement de l'ordre de 10 à 20 %, mais des performances intéressantes peuvent également être atteintes avec des taux de porosité plus faible, typiquement de 10% et jusqu'à des niveaux inférieurs à 0,1%, ou, au contraire, plus élevés comme par exemple de 20 à 40%. Le taux de porosité, comme nous l'avons explicité ci-dessus, sera directement lié au niveau de contraintes internes atteint dans la céramique après infiltration par le métal et donc lié, dans une certaine mesure, à la performance balistique du blindage face à une munition donnée. L'optimisation du blindage face à tel ou tel agresseur doit donc passer par le choix de la porosité la plus adaptée. La matière de renfort est contenue dans une cage. Il est prévu que cette cage soit constituée d'un alliage métallique de type acier de telle sorte que la fabrication de la cage soit aisée (en particulier que la matière soit soudable) et peu onéreuse. Toutefois, d'autres métaux tels que le cuivre, le zinc, le fer, l'aluminium, le magnésium, le béryllium, le titane ou tout autre métal semblable ou un alliage de ces métaux peuvent être utilisés pour fabriquer ladite cage pour peu que les compatibilités chimiques et physiques entre la matière de renfort, la cage et le métal d'infiltration le permettent. La cage doit être conçue de telle sorte qu'elle contienne la matière de renfort et qu'elle permette aisément le passage du métal liquide pendant la phase d'infiltration et la température de fusion du matériau qui la constitue doit être supérieure à la température de fusion du métal ou de l'alliage d'infiltration.
Le rôle de la cage est double : elle permet, d'une part, pendant la phase de fabrication du blindage de localiser la matière de renfort dans une partie du moule, et d'autre part d'empêcher l'éclatement de la matière de renfort par un effet de confinement lorsque le blindage est impacté par l'agresseur. En effet, lorsqu'un projectile impacte le composite céramique/métal ou alliage, celui-ci peut se fissurer. Or la présence des plaques constitutives de la cage permet de limiter l'expansion du composite donc sa probabilité de fissuration et quant bien même il se fissurerait, la cage produit une déviation de la fissuration puis une propagation de cette dernière jusqu'à l'ouverture de la cage la plus proche. La fissuration étant alors très limitée, la tenue du blindage n'en est donc pas affectée.
Il est à noter que pour que la déviation de la fissuration se produise, il faut que le rapport entre la surface des ouvertures 4 sur celle de la cage, c'est-à-dire de ses faces avant, arrière et latérales, soit inférieur à 75%. La matière d'infiltration est préférentiellement un métal ou un alliage de ce métal à faible densité comme l'aluminium, le magnésium ou le béryllium mais, pour certaines configuration de blindage, il peut être intéressant d'utiliser d'autres métaux ou alliages de ces métaux.
L'invention prévoit que la cage contenant la matière de renfort soit entièrement noyée dans la matière d'infiltration. Il est préférable de localiser la cage contenant la matière de renfort proche de la face avant du blindage (c'est à dire de la face qui est supposée être soumise à l'agression de la munition) tout en prenant gare de ménager une fine couche de matière d'infiltration entre la surface du blindage et la cage. Le blindage peut être conçu avec un volume de matière d'infiltration plus ou moins important en face arrière (c'est à dire du côté opposé à la face agressée) de telle sorte que cette matière puisse, par un processus de déformation plastique, se déformer et finir de consommer l'énergie incidente apportée par le projectile.
Le blindage présenté ici est fabriqué par un quelconque des procédés d'infiltration connus comme par exemple le squeeze casting, les procédés de coulée ou d'infiltration sous pression (par piston ou par gaz). Dans tous ces procédés, la matière d'infiltration est d'abord chauffée jusqu'à la fusion pour acquérir une fluidité suffisante puis elle est mise en présence de la cage contenant la matière de renfort. L'application d'une pression ainsi que le préchauffage de la matière de renfort sont deux méthodes qui permettent de faciliter l'infiltration du métal dans le renfort. Une méthode de fabrication d'un blindage 19 selon l'invention peut-être la suivante.
Chauffage du métal aluminium dans un four jusqu'à fusion du métal, Préparation d'une cage métallique en deux demi-coques en acier soudable, percée d'une multitude de trous, - Découpe d'une plaque de céramique SiC recristallisée poreux à des dimensions légèrement inférieures à celles de la cage
Insertion de la plaque de carbure de silicium SiC dans la cage puis fermeture de cette dernière par quelques points de soudure,
Préchauffage dans un four de l'ensemble cage + plaque de SiC - Insertion de l'ensemble cage + plaque de SiC dans un moule de squeeze casting
Coulée du métal liquide sur l'ensemble cage + plaque de SiC et application de la pression pour faciliter la pénétration du métal liquide dans les pores de la plaque de carbure de silicium et au travers de la cage - Refroidissement de l'ensemble dans des conditions de température contrôlées,
Démoulage de l'ensemble. Cette procédure a aussi été appliquée pour la réalisation d'un blindage selon la présente invention dans un objectif de protection d'une partie de véhicule léger. La matière de renfort utilisée se présente sous la forme de trois plaques de céramique poreuse dont les caractéristiques sont données ci-dessous :
- Nature de la céramique : carbure de silicium (SiC) recristallisé
- Masse volumique : 2,6 à 2,7 g.cm3
- Taux de porosité : 15 à 19 %
- Résistance à la rupture à 20°C : 90 à 100 MPa - Résistance à la rupture à 1300°C : 100 à 110 MPa
- Module d'Young : 230 GPa
- Conductivité thermique : 30 W.m"1.K"1
- Coefficient de dilatation thermique : 10"6.K"1
- Dimension des plaques : 150mmx75mmx8mm Cette céramique est un produit de grande diffusion utilisée en particulier comme matériau d'abrasion pour les meules dans le domaine de l'outillage industriel.
La cage est obtenue par pliage et soudage d'une tôle en acier soudable percée de trous circulaires et d'épaisseur égale à 2mm. Les dimensions de la cage sont de 152mmx77mmx26mm, de telle sorte que celle-ci puissent accueillir les trois plaques de céramique.
La matière d'infiltration utilisée est un alliage de fonderie classique de type aluminium-silicium. La technique de mise œuvre utilisée pour l'étape de fonderie est le squeeze casting.
Un blindage selon l'invention peut être dimensionné pour protéger directement une personne en étant utilisé, par exemple, comme gilet pare-balles, et comme casque comme montré sur la figure 6, ou pour protéger des systèmes terrestres, tels des véhicules à roues, des véhicules à chenilles, des abris, des infrastructures, des ponts mobiles etc. comme montré sur la figure 7, ou encore des systèmes volants tels des avions, des hélicoptères, des drones, des missiles etc. ou encore des systèmes marins tels des bâtiments de surface, des sous-marins, des matériels de franchissement etc. face à tout type de projectiles, fragments et éclats.
L'invention inclus ainsi tout type de blindage composite et blindage balistique contenant un ou plusieurs corps de céramique poreuse enfermée dans une cage métallique, le tout infiltré par un métal.
En fonction de l'application envisagée, le dimensionnement de la solution peut combiner des variantes des paramètres suivants : nature de la matière métallique d'infiltration nature de la matière poreuse de renfort - nature de la matière métallique constituant la cage dimensions de la matière poreuse de renfort nombre d'éléments de matière poreuse de renfort enfermés dans la cage dimensions de la cage (l'épaisseur des parois de la cage peut être infiniment fine) proportions des différents constituants en masse et volume géométrie du blindage (celle-ci peut-être parallélépipédique, curviligne, tubulaire ou quelconque)
Plusieurs éléments sont à prendre en considération pour illustrer l'intérêt de la présente invention.
Tout d'abord un avantage en terme de poids. En effet, les constituants de l'invention permettent de placer le blindage dans la gamme des blindages légers qui peuvent être comparés en terme de performance à l'aluminium de blindage de référence (alliage 7020). Les solutions actuelles de protection classiques convenant pour les engins légers tels que les automobiles, les véhicules de combats, les véhicules de transport, les avions, les hélicoptères etc., mettent en œuvre des panneaux d'acier de quelques millimètres d'épaisseur ou de titane, donc plus lourds que la solution proposée.
Le second avantage réside dans les performances de l'invention face à une gamme de menace étendue. Bien sur, en fonction de la formulation retenue pour le blindage, celui-ci sera plus ou moins optimisé dans le rapport poids/performance face à un type de menace, toutefois, pour une formulation standard, telle que celle citée précédemment, le blindage fourni une protection totale face à des projectiles de masse quelconque et animés d'une vitesse d'impact comprise entre 500 et 1000 mètre par seconde. De plus, cette formulation est très en deçà de la gamme des 40 à 100 kg/m2- Cette gamme correspond au poids des protections usuellement mis en œuvre sur les véhicules légers.
Le troisième avantage porte sur la souplesse d'intégration de l'invention. Dans sa formulation standard, le blindage peut adopter toutes les configurations usuelles d'intégration d'un blindage classique, à savoir : le blindage peut être utilisé comme « appliqué », c'est à dire qu'il est appliqué sur la structure à protéger par toutes les techniques classiques telle le soudage, le collage, le boulonnage, l'accrochage etc. comme présenté sur la figure 8, le blindage peut être directement intégré dans la structure pour les pièces fabriquée par une technique de fonderie telles les ouvrants, les capots, les coques, les ailes, les portes, les toits, les planchers, les jantes de roues, etc.
Dans le cas d'application du type « gilet pare-balles » ou « blindage souple », la protection peut être aisément intégrée dans une configuration classique de vêtements par une mosaïque de plaques par exemple, comme montré sur la figure 5. Le quatrième avantage de l'invention est lié au coût. En effet, l'invention utilise des composants, une technique et une procédure d'élaboration à faible coût autorisant des productions massives sans contraintes particulières de production.
Le cinquième avantage réside dans la capacité de l'invention à fournir une protection totale même dans le cas d'impacts successifs sur la même zone du blindage (multi-impactage).
Concernant le cas particulier des blindages souples du type « gilet pare- balles » tels que décrit par exemple dans les brevets U.S. Pat. N°. 4,090,005 ou 5,972,819, il est connu que pour les niveaux d'agression les plus élevés les risques de dommage sont important pour le porteur de la protection bien que la munition soit arrêtée. Ces dommages sont dus à des effets d'indentation du gilet dan le corps causés par une répartition en surface insuffisante de l'effort impact. La présente invention limite ces risques de dommage en face arrière à répartissant largement l'effort d'impact.
Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation précédemment décrit sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, il est prévu d'utiliser une cage métallique d'une épaisseur de paroi extrêmement fine et il est possible de choisir le même métal ou alliage de métal pour la matière d'infiltration et pour la cage.

Claims

REVENDICATIONS
1 Blindage multicouche comportant une couche (15, 25, 35) composite renfermant un premier matériau constitué par un métal ou un alliage et un second matériau(1, 11, 21, 31), le second matériau est poreux et en ce que ledit métal ou ledit alliage métallique est infiltré à l'intérieur de tout ou partie des pores dudit second matériau (1, 11, 21, 31) et qui est caractérisé en ce que une cage (4,14,24,34) constituée de plaques (5) présentant des ouvertures (6) renferme lesdits premier et second matériaux et en ce que la cage (4,14,24,34) elle-même est enrobée, au moins en partie, dans ledit métal ou alliage d'infiltration, la température de fusion du matériau constitutif de la cage étant supérieure à celle dudit métal ou alliage d'infiltration.
2 Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cage (4,14,24,34) est entièrement enrobée dans comporte au moins une face recouverte par une couche réalisée, dans ledit métal ou alliage d'infiltration. 3 Blindage selon la revendication 2 dans lequel la cage présente deux faces principales 10 et 12 et des faces latérales 17, caractérisé en ce que l'épaisseur de cet enrobage est plus importante sur l'une des faces principales 10 que sur l'autre face principale 12 ainsi que sur les faces latérales 17.
4 Blindage selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'épaisseur d'enrobage la plus épaisse est de quelques centimètres.
5 Blindage selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'épaisseur d'enrobage sur les faces latérales 17 et sur l'une des surfaces principales est de quelques millimètres.
6 Blindage selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le rapport entre la surface des ouvertures 4 sur celle de la cage est inférieur à
75%.
7 Blindage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le taux de porosité de la céramique est compris entre 0,1% et 80%.
8 Blindage selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la céramique est constituée, en tout ou partie, par au moins l'une des céramiques suivantes : (SiC) recristallisé, et/ou d'autres types de céramiques comme le SiC-SiN, SiC- Si02, SiN, AI2O3, AIN, Si3N4
9 Blindage selon la revendication 7, caractérisé en ce que la céramique est constituée en tout ou partie par du carbure de silicium recristallisé. 10 Blindage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la cage renferme plusieurs corps de renfort (21 ; 31), superposés ou juxtaposés, en céramique poreuse infiltrée.
11 Blindage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la cage (4, 14, 24, 34) est constituée, en tout ou partie, par l'un des métaux suivants ou de leurs alliages : le fer, l'acier, le cuivre, le zinc, l'aluminium, le magnésium, le béryllium ou le titane.
12 Blindage selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit métal ou ledit alliage infiltré à l'intérieur des pores du second matériau est constitué, en tout ou partie, par de l'aluminium, du magnésium, du béryllium ou du titane.
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