FR2685074A1 - Blindage stratifie. - Google Patents

Abstract

Un blindage stratifié comprend une première partie (11) placée du côté par lequel le blindage doit résister à une attaque et une seconde partie (12) qui a la même étendue que la première partie, dans lequel: i) la première partie comprend un stratifié de premières feuilles métalliques (1) ayant chacune une épaisseur moyenne (t2 ) et collées par des couches d'interface (8) ayant une épaisseur (t1 ) comprise entre 0,4 t2 et 0,9 t2 et un module d'Young à la compression perpendiculairement aux couches qui est inférieur à 4 GPa, ii) la seconde partie comporte un matériau qui est plus ductile que le métal des premières feuilles métalliques et comprend de préférence des secondes feuilles métalliques (2) qui sont collées, mutuellement et à la première partie du blindage (11), par un adhésif armé de fibres d'"Aramid".

Description

La présente invention concerne un blindage stratifié convenant à la protection contre les munitions de petit calibre pénétrant par leur énergie cinétique et en particulier contre une attaque par fragmentation, mais elle convient aussi comme dispositif de confinement dans le cas où il est possible que des fragments soient éjectés à grande vitesse, par exemple pendant le fonctionnement des turboréacteurs d'aéronefs.

L'expression "limite de protection V50" et l'expression "facteur de mérite" qui sont utilisées dans la description sont définies de la manière suivante
la limite de protection V50 (m/s) concerne l'attaque par un type particulier de projectile et représente la vitesse de choc qui donne une probabilité de 50 % pour la défaillance du blindage (par un mode quelconque de défaillance), et
le facteur de mérite est égal à V50/(masse surfacique du blindage) (m /kg.s).

Le facteur de mérite permet une normalisation des résultats donnés par V50, permettant la comparaison de blindages ayant des masses surfaciques différentes (NB une comparaison réaliste des blindages différents ne peut être réalisée avec un facteur de mérite que lorsque les masses surfaciques sont du même ordre de grandeur).

Lors d'une attaque par des munitions de perçage de blindage ou des fragments par exemple d'une bombe d'attaque par fragmentation, un blindage relativement léger est susceptible de présenter un certain nombre de modes différents de défaillance. Ceux-ci sont les suivants
a. le tamponnement dans lequel une défaillance locale par cisaillement dans toute ltépaisseur provoque l'extraction d'un tampon du matériau du blindage ayant un diamètre du même ordre de grandeur que celui du projectile.

Le tampon lui-même peut être éjecté avec une énergie cinétique résiduelle et peut constituer un projectile secondaire dangereux. Le tamponnement est un mécanisme à très faible absorption d'énergie car la déformation plastique du blindage est très faible et, pour cette raison, il est très souhaitable qu'il soit évité
b. la formation d'un disque ou d'une croûte qui comprend l'éjection d'un disque de matière arrachée à la surface arrière du blindage. Il s'agit aussi d'un mécanisme de défaillance de faible énergie et il doit être évité autant que possible car il ne permet pas l'exploitation de toutes les possibilités du blindage
c. la segmentation qui comprend la formation de fissures radiales délimitant des segments de blindage qui fléchissent vers l'arrière à distance du projectile qui attaque lors du passage dans le blindage.Comme ceci implique une amplitude considérable de déformation plastique et une fracture ductile, il s'agit d'un mécanisme de défaillance de plus grande énergie que le tamponnement ou la formation d'un disque.

Des systèmes de blindage à double dureté ont déjà été proposés et comportent une couche céramique dure destinée à émousser ou fragmenter le projectile du côté d'attaque du blindage, renforcée par une couche contenant une résine armée de fibres de verre qui est destinée à absorber l'énergie cinétique du projectile par déformation.

Des exemples de tels blindages sont décrits dans le brevet français N" 823 284 et le brevet des Etats-Unis d'Amérique N" 4 131 053. On a récemment proposé, dans le brevet européen N" 237 095, d'incorporer un stratifié de métal armé de fibres au système de blindage décrit précédemment.

Tous ces systemes de blindage sont cependant du type appliqué, c'est-à-dire qu'ils ne conviennent que lorsqu'ils sont appliqués sur une structure. Ils ne conviennent pas à une utilisation comme blindages de construction eux-mêmes.

On a déjà proposé des blindages de construction à double ductilité, comprenant une couche dure à la surface d'attaque renforcée par une couche ductile destinée à empêcher la séparation interne. Pour qu'un tel blindage ne se déforme pas sous l'action d'efforts, la couche arrière d'un métal ductile de faible résistance mécanique occupe habituellement au moins 50 % du volume du blindage avec une réduction correspondante du facteur de mérite du blindage.

L'invention a pour objet la réalisation d'un blindage de construction ayant une résistance élevée à la pénétration par les fragments.

Les inventeurs ont constaté que, lorsque la face d'attaque d'un blindage stratifié composite était constituée de feuilles métalliques séparées par des couches d'interface, l'épaisseur et l'élasticité des couches d'interface avaient un effet prononcé sur le facteur de mérite du matériau de blindage de construction. La sélection d'une épaisseur de couche d'interface comprise dans une plage particulière et la sélection d'un matériau de couche d'interface ayant un module d'Young suffisamment faible permettent une optimisation du facteur de mérite.

Ainsi, l'invention concerne un blindage stratifié comprenant une première partie placée du côté du blindage par lequel celui-ci doit résister à une attaque et une seconde partie qui a la même étendue que la première partie, dans lequel
i) la première partie comprend un stratifié de premières feuilles métalliques ayant chacune une épaisseur moyenne t et collées par des couches d'interface ayant une épaisseur comprise entre 0,4 t et 0,9 t et un module d'Young à la compression, mesuré perpendiculairement aux couches, inférieur à 4 GPa, et
ii) la seconde partie comporte au moins une feuille métallique qui est plus ductile que le métal des premières feuilles métalliques.

L'épaisseur et le faible module d'Young des couches d'interface de la première partie permettent à la première partie du blindage d'utiliser au maximum les possibilités d'absorption d'énergie des premières feuilles métalliques tout en permettant un degré élevé d'indépendance de la déformation. La propagation des fissures perpendiculairement aux premières feuilles métalliques (qui pourrait provoquer ultérieurement un tamponnement) peut être limitée aux premières feuilles métalliques si bien que la seconde partie du blindage est libre pour l'absorption de l'énergie résiduelle éventuelle et aussi pour éviter la formation d'un disque. Le délitement du blindage contribue aussi à l'absorption d'énergie, par étalement de la zone dans laquelle l'énergie est absorbée par déformation plastique.

De préférence, les couches de la première partie ont un module d'Young à la compression, mesuré perpendiculairement aux couches, qui est inférieur à 3,5 GPa.

Comme les fibres polymères d'armature habituelles augmentent le module d'Young d'un liant résineux habituel, les couches d'interface de la première partie ne contiennent pas de fibres de préférence.

La seconde partie du blindage peut comporter une feuille unique d'un métal ductile, mais elle comprend de préférence au moins deux feuilles d'un métal ductile collées l'une à l'autre et à la première partie du blindage avec un adhésif armé de fibres d'"Aramid". L'incorporation de fibres dans la seconde partie du blindage augmente notablement ces possibilités d'absorption d'énergie. La ductilité des feuilles permet aux fibres qui constituent de préférence une étoffe de s'étirer et, ce faisant, d'absorber de l'énergie par frottement entre les mèches. En outre, l'utilisation d'au moins deux feuilles d'un métal ductile et de couches adhésives armées de fibres provoque une augmentation imprévue du facteur de mérite du blindage par rapport à l'utilisation d'une seule feuille ductile et d'une seule couche d'adhésif armé de fibres.

L'incorporation sélective de fibres dans la seconde partie du blindage peut aussi augmenter la capacité d'encaissement des forces de traction de la seconde partie, dans le même ordre que la première partie. Le résultat est la possibilité de production d'un matériau équilibré de construction qui risque moins de se déformer sous charge.

Un avantage supplémentaire de cette caractéristique est qu'un pourcentage accru de blindage peut être constitué d'un métal ayant une plus grande résistance mécanique (plus faible ductilité) avec une augmentation correspondante du facteur de mérite du blindage. La première partie occupe de préférence au moins 75 % du volume du blindage. Pour que la formation de disques soit évitée, les systèmes de blindage à ductilité double de la technique antérieure ont utilisé de façon générale des faces arrières ductiles relativement épaisses qui ont occupé habituellement 50 % ou plus du volume du blindage. Ceci provoque une réduction correspondante du facteur de mérite du blindage, car la résistance à la pénétration du blindage n'est pas accrue au maximum.

L'épaisseur t de chaque première feuille métallique est de préférence inférieure à 2 mm pour la résistance à l'attaque par des petits fragments habituels. L'épaisseur t peut cependant atteindre 6 mm pour la résistance à l'attaque par des fragments plus gros. Des feuilles sont de préférence sélectionnées indépendamment parmi l'aluminium, le titane, le magnésium et leurs alliages. La première partie du blindage comporte de préférence quatre à dix premières feuilles métalliques.

L'armature de fibres de la seconde partie est de préférence constituée par deux ensembles de fibres entrelacées et orthogonales. Dans cette configuration d'armature, les risques de formation de fissures et de propagation de celles-ci dans les couches adhésives sont réduits au minimum.

On décrit maintenant l'invention à titre purement illustratif en référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure I est un graphique montrant comment le facteur de mérite d'un blindage construit selon l'invention varie avec l'épaisseur de la couche d'interface du blindage
la figure 2 est une coupe d'un blindage selon l'invention ; et
la figure 3 est une coupe schématique du blindage selon l'invention après une attaque par un fragment émoussé à grande vitesse qui simule une munition.

La plaque de blindage représentée sur la figure 2 est réalisée de la manière suivante.

a) Six premières feuilles métalliques 1 d'un alliage d'aluminium 7075 T6 (épaisseur 1,02 mm) et deux secondes feuilles métalliques 2 d'un alliage d'aluminium plus ductile 5083 (1,0 mm d'épaisseur) sont dégraissées et subissent un traitement préalable à température ambiante pendant une heure dans un bain de carbonate de sodium (Na2CO3 à 80 g/l dans de l'eau déminéralisée),
b) les feuilles 1 et 2 sont rincées pendant 10 minutes à l'eau du robinet,
c) les feuilles 1 et 2 sont immergées pendant 4 heures dans une solution d'attaque préparée avec des ions cuivre H2S04 (densité 1,84, 150 cm3/l), Na2Cr207.2H2O (75 g/l), CuSO4.5H2O (4 g/l), portée à 1 1 avec de l'eau déminéralisée,
d) puis elles sont rincées à l'eau du robinet,
e) et séchées à l'air tiède,
f) le collage est réalisé moins de 6 heures après les étapes de traitement préalable (a) à (e),
g) des morceaux d'une étoffe 4 sous forme d'un tissu à armure toile de "Kevlar" (RTM) 4 préalablement dégraissée afin que l'apprêt d'ensimage utilisé pour le tissage soit chassé, sont découpés à la dimension,
h) des quantités égales d'adhésif sont étalées sur les grandes faces de chaque feuille (résine époxyde à deux composants renforcés ("Hysol-Dexter" 9309.3 (NA)),
i) une couche unique d'étoffe de "Kevlar" est placée entre les deux secondes feuilles métalliques 2 d'alliage d'aluminium 5083 et sur ces feuilles,
j) les premières feuilles métalliques 1 sont alors rassemblées comme représenté sur la figure 2. Tous les joints sont munis d'entretoises 5 permettant le réglage de 1 'épaisseur.

L'épaisseur i1 (0,51 mm) de chaque couche d'interface 8 avec les premières feuilles métalliques 1 correspond à 50 % de l'épaisseur i2 des premières feuilles métalliques.

L'épaisseur i3 de la couche adhésive séparant les secondes feuilles métalliques l'une de l'autre et du reste du blindage est de 0,5 mm, cette épaisseur étant suffisante pour l'occupation des fibres décrites précédemment.

(k) La plaque de blindage est alors placée sous une pression de 0,20691 mPa (30 psi) dans une presse et est chauffée à 60"C pendant 1 heure afin que la fluidité de l'adhésif soit facilitée et que celui-ci imprègne profondément l'étoffe.

Un certain nombre de plaques différentes de blindage construites essentiellement comme décrit précédemment ayant chacune une épaisseur différente t1 de couche d'interface ont alors été éprouvées pour la détermination du facteur de mérite du blindage par choc par des fragments à grande vitesse 13, ayant des vitesses variables. Les résultats sont indiqués sur la figure 1 qui est un graphique repré 3 sentant la variation du facteur de mérite MR-m /kg.s (en fonction du rapport t1/t2) (épaisseur de la couche d'interface divisée par l'épaisseur de la première feuille métallique). Le facteur de mérite est optimisé dans la région t1/t2 = 0,5 et ne diminue pas notablement dans la plage comprise entre 0,4 et 0,9.Le facteur de mérite diminue nettement lorsque la fraction t1/t2 est réduite au-dessous de 0,4, à proximité du cas dans lequel les couches dtinter- face sont suffisamment épaisses pour permettre une indépendance notable de la déformation des premières feuilles métalliques 1, et, en conséquence, une défaillance par tamponnement à travers l'épaisseur avec une faible absorption d'énergie se produit. Lorsque le blindage ayant le rapport optimal t1/t2 a tout juste résisté à la défaillance complète, le mode de détérioration était celui qui est représenté sur la figure 3. Les premières feuilles métalliques 1 ont absorbé une grande quantité d'énergie par déformation plastique en 9. Ceci est possible (a) à cause de l'épaisseur des couches d'interface 8, et (b) à cause du faible module d'Young des couches d'interface 8 (3 GPa).

Des secondes feuilles métalliques 2, en combinaison avec l'étoffe 4 de fibres d'"Aramid" ont empêché la formation d'un disque et ont aussi absorbé de l'énergie par déformation plastique et par frottement entre les mèches.

Un délitement accru de la plaque de blindage est produit par la formation des fissures 10 étant donné que le tamponnement à travers l'épaisseur est évité. Ceci présente l'effet avantageux d'élargir la zone du blindage qui agit pendant l'absorption de l'énergie du projectile.

Les facteurs résultants de mérite peuvent tous être comparés favorablement à ceux d'un blindage monolithique d'aluminium ayant une masse surfacique comparable et dont le facteur de mérite est indiqué par le point A sur la figure 1.

Pour que la plaque de blindage puisse constituer un matériau équilibré de construction utile séparément, la première partie du blindage 11 et la seconde partie 12 ont été réalisées de maniere qu'elles répondent de maniere analogue aux forces appliquées si bien que la tendance à la déformation du blindage est réduite au minimum.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Blindage stratifié comprenant une première partie disposée du côté du blindage qui doit résister à une attaque et une seconde partie qui a la même étendue que la premiere partie, dans lequel

i) la première partie est un stratifié de premieres feuilles métalliques ayant chacune une épaisseur moyenne t, collées par des couches d'interface ayant une épaisseur comprise entre 0,4 et 0,9 t et un module d'Young, par compression perpendiculaire aux couches, qui est inférieur à 4 GPa, et

ii) la seconde partie comporte au moins une seconde feuille métallique qui est plus ductile que le métal des premières feuilles métalliques.

2. Blindage selon la revendication 1, dans lequel les couches d'interface de la première partie ont un module d'Young à la compression perpendiculairement aux couches qui est inférieur à 3,5 GPa.

3. Blindage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les couches d'interface de la première partie sont formées d'une résine dépourvue de fibres.

4. Blindage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur t de chaque première feuille métallique est inférieure à 6 mm.

5. Blindage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première partie comprend de 4 à 10 premières feuilles métalliques.

6. Blindage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la déformation à la limite de rupture des premieres feuilles métalliques est inférieure à 14 t et celle du matériau contenu dans la seconde partie du blindage est supérieure à 14 *.

7. Blindage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la seconde partie est un stratifié d'au moins deux secondes feuilles métalliques qui sont plus ductiles que les premières feuilles métalliques.

8. Blindage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les feuilles métalliques sont sélectionnées indépendamment parmi l'aluminium, le titane, le magnésium et leurs alliages.

9. Blindage selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les secondes feuilles métalliques sont collées par un adhésif armé, mutuellement et à la première partie du blindage.

10. Blindage selon la revendication 9, dans lequel l'armature est formée de fibres.

11. Blindage selon la revendication 10, dans lequel les fibres sont des fibres d'"Aramid".

12. Blindage selon la revendication 10 ou 11, dans lequel l'armature de fibres comprend deux arrangements de fibres alignées qui sont perpendiculaires l'un à l'autre.

13. Blindage selon la revendication 10 ou 11, dans lequel l'armature de fibres comporte au moins deux arrangements entrelacés de fibres.

14. Blindage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première partie occupe au moins 75 du volume du blindage.

15. Blindage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première et la seconde partie ont pratiquement les mêmes caractéristiques d'en caissement des forces de traction appliquées à leur structure.