FR2702272A1 - Composite material for mechanical armour - Google Patents
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Abstract
Description
Matériau composite pour blindage mécaniqueComposite material for mechanical shielding
La présente invention concerne un matériau composite pour le blin- The present invention relates to a composite material for the
dage mécanique de structures, infrastructures ou véhicules. mechanical aging of structures, infrastructures or vehicles.
Elle concerne, plus particulièrement, des matériaux de blindage pour la protection contre des objets à énergie cinétique élevée, tels que des projectiles de gros calibres, obus, balles, par exemple,qui comprennent des éléments en matériau à dureté élevée associés à des It relates, more particularly, to shielding materials for protection against objects with high kinetic energy, such as large caliber projectiles, shells, bullets, for example, which comprise elements of material of high hardness associated with
éléments à matériau de dureté plus faible. elements with lower hardness material.
Il est connu de réaliser des blindages pour véhicules, infrastruc- It is known to make armor plating for vehicles, infrastruc-
tures ou autres pouvant résister et arrêter des projectiles notam- tures or others that can resist and stop projectiles including
ment de gros calibres Ces blindages sont généralement constitués soit en métal tel qu'un acier allié au Nickel-Chrome-Molybdène commercialisé par la société "Creuset-Loire" sous la dénomination "Mars 240 " soit par un stratifié formé par une résine armée par des fibres ou un tissu tel que par exemple une résine époxy armée par des fibres "Kevlar" Ces matériaux présentent les inconvénients majeurs suivants d'une part d'avoir une "masse surfacique" élevée, et d'autre part d'être d'une mise en oeuvre relativement difficile notamment pour le blindage de structures existantes De plus, quand une partie de ce blindage est endommagée, sa remise en état est ment of large calibres These shields are generally made up either of metal such as a steel alloyed with Nickel-Chromium-Molybdenum marketed by the company "Creuset-Loire" under the name "Mars 240" or by a laminate formed by a resin reinforced by fibers or a fabric such as for example an epoxy resin reinforced by "Kevlar" fibers These materials have the following major drawbacks on the one hand of having a high "surface mass", and on the other hand of being a relatively difficult implementation in particular for the shielding of existing structures In addition, when part of this shielding is damaged, its restoration is
relativement difficile et coûteuse. relatively difficult and expensive.
On connaît également, notamment par les brevets français N O 1 581 760 et 1 604 806, des blindages mécaniques composites constitués par des éléments en matériau céramique noyés dans une résine synthétique qui Also known, in particular from French patents N 1,581,760 and 1,604,806, composite mechanical shields constituted by elements of ceramic material embedded in a synthetic resin which
est généralement renforcée Ces blindages qui ont une "masse surfa- is generally reinforced These shields which have a "surface mass
cique" plus faible que ceux décrits ci-dessus présentent également les inconvénients d'une mise en oeuvre difficile pour réaliser la protection de structures existantes, et d'une surface endommagée importante sous l'effet de l'impact d'un projectile entraînant une cique "weaker than those described above also have the disadvantages of a difficult implementation to achieve the protection of existing structures, and a large damaged area under the effect of the impact of a projectile causing a
réparation difficile et coûteuse.difficult and costly repair.
Par l'expression "masse surfacique", on entend la masse de la couche de blindage par unité de surface, nécessaire pour obtenir le degré de protection désiré Cette valeur est fonction donc de la densité des matériaux utilisés ainsi que de l'épaisseur nécessaire pour By the expression "surface mass" is meant the mass of the shielding layer per unit area, necessary to obtain the desired degree of protection. This value therefore depends on the density of the materials used as well as on the thickness necessary for
obtenir l'arrêt du projectile.get the projectile stopped.
La présente invention a notamment pour objet de remédier aux incon- The object of the present invention is in particular to remedy the inconveniences
vénients cités précédemment en proposant un matériau composite ayant des propriétés de protection élevées pour une masse surfacique faible, pouvant être disposé selon une technique simple et aisée sur previously mentioned by proposing a composite material having high protective properties for a low basis weight, which can be arranged using a simple and easy technique on
la structure à protéger De plus, le matériau proposé par l'inven- the structure to be protected In addition, the material proposed by the invention
tion n'est endommagé qu'à l'endroit de l'impact du projectile, et le tion is damaged only at the point of impact of the projectile, and the
blindage peut donc être réparé facilement, et de manière peu coûteuse. shielding can therefore be repaired easily, and inexpensively.
A cet effet, l'invention a pour objet un matériau composite pour le blindage mécanique d'une structure comprenant au moins un élément en matériau dur et une couche de matériau à dureté plus faible, cette couche de matériau de dureté plus faible étant constituée par un To this end, the subject of the invention is a composite material for the mechanical shielding of a structure comprising at least one element made of hard material and a layer of material of lower hardness, this layer of material of lower hardness being constituted by a
matériau à propriété viscoélastique. viscoelastic material.
L'élément en matériau dur est enrobé dans ladite couche de matériau viscoélastique. Le matériau viscoélastique est un matériau dont le coefficient intrinsèque d'amortissement représenté par la tg S est supérieure à 0,05. Par structure on entend toutes infrastructures, toutes structures de The element made of hard material is embedded in said layer of viscoelastic material. The viscoelastic material is a material whose intrinsic damping coefficient represented by the tg S is greater than 0.05. By structure is meant all infrastructure, all
véhicules, navires, aéronefs ou analogues. vehicles, ships, aircraft or the like.
Le matériau viscoélastique présentant un coefficient d'amortissement élevé, amortit l'onde de choc générée par l'impact d'un projectile sur l'élément en matériau dur, et répartit les contraintes engendrées par ce choc, pour éviter leur transmission aux éléments en matériau dur adjacents, et aux couches arrières du blindage si elles existent. The viscoelastic material having a high damping coefficient, dampens the shock wave generated by the impact of a projectile on the element made of hard material, and distributes the stresses generated by this shock, to avoid their transmission to the elements in adjacent hard material, and to the rear layers of the shielding if they exist.
Ainsi, les dommages causés par le projectile sont limités au voisi- Thus, the damage caused by the projectile is limited to the vicinity
nage du point de départ De plus, commes les contraintes sont ré- swim from the starting point Furthermore, as the constraints are re-
parties et absorbées par le matériau viscoélastique, l'épaisseur supplémentaire nécessaire de blindage constitué par des couches en matériau dur sera fortement diminuée, et même pour certains calibres parts and absorbed by the viscoelastic material, the additional necessary thickness of shielding constituted by layers of hard material will be greatly reduced, and even for certain sizes
de projectiles, ce blindage supplémentaire pourra être supprimé. of projectiles, this additional armor can be removed.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément en matériau According to another characteristic of the invention, the element made of material
dur est enrobé dans la couche de matière viscoélastique, à l'excep- hard is embedded in the layer of viscoelastic material, except
tion de la surface recevant l'impact du projectile. tion of the surface receiving the impact of the projectile.
Les matériaux durs convenables pour l'invention peuvent être les aciers, les métaux ou alliages à dureté élevée, des résines armées, The hard materials suitable for the invention can be steels, metals or alloys with high hardness, reinforced resins,
ou des céramiques.or ceramics.
Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les élé- According to a preferred characteristic of the invention, the elements
ments en matériau dur sont des éléments en céramique, avantageuse- hard material elements are ceramic elements, advantageous-
ment des carreaux de céramique.ceramic tiles.
Ainsi, chaque carreau de céramique est enrobé dans une couche de matériau viscoélastique et peut être posé, par exemple par collage, sur la structure à protéger, la surface de blindage étant formée par la pose de plusieurs carreaux côte à côte, d'une manière similaire Thus, each ceramic tile is coated with a layer of viscoelastic material and can be laid, for example by gluing, on the structure to be protected, the shielding surface being formed by laying several tiles side by side, in a manner similar
au carrelage des sols ou murs.the tiling of floors or walls.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les carreaux de céramique sont disposés côte à côte dans la couche de matériau viscoélastique non vulcanisé, les joints entre chaque carreau étant constitués par le matériau viscoélastique, le matériau de blindage According to yet another characteristic of the invention, the ceramic tiles are placed side by side in the layer of unvulcanized viscoelastic material, the joints between each tile being made up of the viscoelastic material, the shielding material.
étant obtenu par vulcanisation du matériau viscoélastique. being obtained by vulcanization of the viscoelastic material.
Avantageusement, la couche de matériau viscoélastique comportant les éléments en matériau dur, par exemple des carreaux de céramique ou les éléments en matériau dur enrobés par une couche de matériau viscoélastique sont disposés sur une plaque en matériau à dureté élevée, telle qu'une plaque métallique, une plaque en résine thermo- durcissable armée par des fibres, des tissus ou analogues, formant Advantageously, the layer of viscoelastic material comprising the elements of hard material, for example ceramic tiles or the elements of hard material coated with a layer of viscoelastic material are arranged on a plate of material with high hardness, such as a metal plate. , a plate of thermosetting resin reinforced by fibers, fabrics or the like, forming
ainsi une paroi de blindage arrière. thus a rear shielding wall.
D'autres caractéristiques, avantages et buts de l'invention appa- Other characteristics, advantages and aims of the invention appear
raitront plus clairement au vu de la description détaillée qui va will appear more clearly in view of the detailed description which will
suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'illustration, et dans lesquels: la figure 1 est une coupe transversale schématique d'un premier mode de réalisation d'un matériau de blindage conforme à l'invention, la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une structure protégée par un blindage conforme au premier mode de réalisation de l'invention; et la figure 3 est une coupe transversale schématique d'un second mode de réalisation d'un matériau de blindage conforme à l'invention. Selon un premier mode de réalisation d'un matériau de blindage 1 follow made with reference to the accompanying drawings given solely by way of illustration, and in which: FIG. 1 is a schematic cross section of a first embodiment of a shielding material according to the invention, FIG. 2 is a schematic sectional view of a structure protected by shielding according to the first embodiment of the invention; and Figure 3 is a schematic cross section of a second embodiment of a shielding material according to the invention. According to a first embodiment of a shielding material 1
conforme à l'invention, illustré à la figure 1, un élément en maté- according to the invention, illustrated in FIG. 1, an element made of
riau dur 2 est enrobé dans une couche 3 de matériau à dureté moins hard riau 2 is coated in a layer 3 of material with less hardness
élevée et possédant des propriétés viscoélastiques. high and having viscoelastic properties.
L'élément 2 a avantageusement une forme de plaque ou de carreau. Element 2 advantageously has the form of a plate or a tile.
Les matériaux durs convenables sont les métaux, tels que acier, alliages, par exemple, des résines armées par des tissus ou des Suitable hard materials are metals, such as steel, alloys, for example, resins reinforced by fabrics or
fibres, ou des céramiques.fibers, or ceramics.
De préférence, les éléments 2 sont des carreaux de céramique dont Preferably, the elements 2 are ceramic tiles of which
l'épaisseur est déterminée en fonction du degré de protection re- the thickness is determined according to the degree of protection re-
cherché. Comme céramique convenable on peut citer, à titre d'exemple, les céramique à base d'oxyde d'aluminium, des céramique à base d'oxyde de beryllium ou d'oxyde de zirconium, de carbure de silicium, ou de sought. As suitable ceramics, mention may be made, by way of example, of ceramics based on aluminum oxide, ceramics based on beryllium oxide or on zirconium oxide, on silicon carbide, or on
carbure de bore.boron carbide.
Les céramiques préférées de l'invention sont celles à base d'oxyde d'aluminium, comme par exemple la céramique commercialisée par la The preferred ceramics of the invention are those based on aluminum oxide, such as for example the ceramic sold by the
société française "Desmarquet" sous l'appelation "AF 920/S". French company "Desmarquet" under the name "AF 920 / S".
Le matériau viscoélastique constituant la couche 3 de dureté plus faible est une résine élastomère de tgc supérieure à 0,05 et ayant avantageusement une dureté inférieure à 60 sh A. A titre d'exemple de matériaux viscoélastiques on peut citer les élastomères polyisoprènes, et plus particulièrement les élastomères The viscoelastic material constituting layer 3 of lower hardness is an elastomer resin of tgc greater than 0.05 and advantageously having a hardness less than 60 sh A. By way of example of viscoelastic materials, mention may be made of polyisoprene elastomers, and more especially elastomers
commercialisés par la demanderesse sous la marque "Népurane". marketed by the applicant under the brand "Népurane".
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1, le carreau de céramique 2 est enrobé totalement dans une couche 3 d'élastomère viscoélastique, cette couche pouvant avoir une épaisseur variable In the embodiment illustrated in FIG. 1, the ceramic tile 2 is completely coated in a layer 3 of viscoelastic elastomer, this layer being able to have a variable thickness.
selon la face du carreau recouvert Ainsi, selon un mode de réali- according to the face of the covered tile Thus, according to a mode of realization
sation préféré de l'invention, l'épaisseur de la couche sur les quatre côtés du carreau (dont deux 2 c, 2 d seulement sont visibles) est légèrement inférieure à celle de la couche recouvrant les deux preferred sation of the invention, the thickness of the layer on the four sides of the tile (of which two 2 c, 2 d only are visible) is slightly less than that of the layer covering the two
grandes faces 2 a, 2 b du carreau 2. large faces 2 a, 2 b of square 2.
Par ailleurs, l'épaisseur de la couche 3 est de l'ordre de 1 à quelques millimètres, généralement Toutefois, cette épaisseur n'est Furthermore, the thickness of layer 3 is of the order of 1 to a few millimeters, generally However, this thickness is
pas critique et sera déterminée en fonction du degré désiré d'amor- not critical and will be determined based on the desired degree of amor-
tissement et de répartition des contraintes. stress distribution and distribution.
Il est également possible, sans pour cela sortir du cadre de l'in- It is also possible, without going beyond the scope of the information.
vention, de ne pas recouvrir une des grandes faces du carreau 2. Be careful not to cover one of the large faces of the tile 2.
Toutefois cette face non recouverte est celle qui reçoit l'impact du However, this uncovered face is the one that receives the impact of the
projectile, en d'autres termes la face avant du blindage. projectile, in other words the front of the armor.
Pour réaliser le blindage d'une structure 8, comme illustré à la figure 2, avec un matériau de l'invention, on colle chaque élément 1, sur l'une des faces de la structure pour réaliser un revêtement To make the shielding of a structure 8, as illustrated in FIG. 2, with a material of the invention, each element 1 is glued on one of the faces of the structure to make a coating.
de cette face sous forme d'un carrelage. of this face in the form of a tiling.
La colle convenable pour réaliser ce revêtement est tout adhésif compatible avec le matériau viscoélastique formant la couche 3 et The adhesive suitable for making this coating is any adhesive compatible with the viscoelastic material forming layer 3 and
bien entendu le matériau formant la structure 8. of course the material forming the structure 8.
Les colles convenables sont, par exemple, les colles araldites, Suitable glues are, for example, araldite glues,
néoprènes, polyuréthannes, telle que par exemple la colle commer- neoprenes, polyurethanes, such as for example commercial glue
cialisée par la demanderesse sous la marque "Népurane". specialized by the plaintiff under the brand "Népurane".
Il est également possible, dans le cadre de l'invention, de réaliser It is also possible, within the framework of the invention, to produce
le blindage de la structure 8 en collant plusieurs couches super- the shielding of structure 8 by bonding several super layers
posées d'éléments 1.asked of elements 1.
Selon une autre variante, les éléments 1 de blindage conforme à l'invention peuvent former la paroi avant d'un blindage comprenant en paroi arrière une ou plusieurs plaques de métal ou de résine According to another variant, the shielding elements 1 according to the invention can form the front wall of a shield comprising on the rear wall one or more plates of metal or resin
renforcée, selon le même procédé de pose que celui cité précédemment. reinforced, using the same installation process as that mentioned above.
Cette paroi avant permet d'une part de diminuer l'épaisseur néces- This front wall allows on the one hand to reduce the thickness required
saire des plaques arrières en matériau dur et donc de diminuer la masse surfacique, et d'autre part de protéger ces plaques arrières to attach rear plates made of hard material and therefore to reduce the surface mass, and on the other hand to protect these rear plates
contre des dégâts importants, en répartissant et limitant les con- against significant damage, by distributing and limiting the
traintes engendrées par le choc du projectile sur le carreau de tracks caused by the impact of the projectile on the glass
céramique 2.ceramic 2.
Ainsi pour remettre en état ce blindage, il sera uniquement néces- So to restore this shielding, it will only be necessary
saire de remplacer le ou les carreaux endommagés par le choc. replace the damaged tile (s).
Selon un second mode de réalisation de l'invention, illustré à la figure 3,le blindage est formé par une première couche 4 réalisée en un matériau à dureté élevée, tel que du métal ou une résine armée, et une seconde couche 5 constituée par des éléments 6 à dureté According to a second embodiment of the invention, illustrated in FIG. 3, the shield is formed by a first layer 4 made of a material with high hardness, such as metal or a reinforced resin, and a second layer 5 constituted by elements 6 with hardness
élevée enrobés dans une couche de matériau viscoélastique 7. high coated in a layer of viscoelastic material 7.
Les éléments 6 sont réalisés dans le même matériau, décrit précé- The elements 6 are made of the same material, described above.
demment, que les éléments 2 de la figure 1. demment, that the elements 2 of figure 1.
La première couche 4 peut être constituée par exemple par de l'acier tel que l'acier "Mars 240 " cité précédemment, ou une résine armée, The first layer 4 can be constituted for example by steel such as the "Mars 240" steel mentioned above, or a reinforced resin,
telle qu'une résine époxyde armée par un tissu ou des fibres ara- such as an epoxy resin reinforced by a fabric or ara fibers
mides commercialisées sous la marque "Kevlar". mides marketed under the brand name "Kevlar".
Pour réaliser la couche 5, on dispose dans un moule une résine élastomère à propriété viscoélastique, non vulcanisée, formant la couche 7 Puis les carreaux 6 sont disposés dans cette résine, de telle manière que les joints entre deux carreaux adjacents soient formées par la résine non vulcanisée Les carreaux sont soit posés dans la résine, la face supérieure n'étant pas recouverte, soit To make layer 5, an elastomeric resin with a viscoelastic property, not vulcanized, is placed in a mold, forming layer 7. Then the tiles 6 are arranged in this resin, so that the joints between two adjacent tiles are formed by the resin. not vulcanized The tiles are either laid in the resin, the upper side not being covered, or
noyés totalement dans celle-ci.totally drowned in it.
La résine est alors vulcanisée par la chaleur par exemple L'ensem- The resin is then vulcanized by heat, for example.
ble ainsi réalisé est collé sur la couche 4 par une colle de type polyuréthanne, commercialisée par la demanderesse sous la marque "Népurane". Bien entendu, il est possible de coller directement la couche 5 sur ble thus produced is bonded to layer 4 with a polyurethane type adhesive, marketed by the applicant under the brand "Népurane". Of course, it is possible to directly glue layer 5 on
une structure à protéger, si son pouvoir de protection est suffisant. a structure to be protected, if its protective power is sufficient.
La résine constituant la couche 7 est une résine analogue à celle formant l'enveloppe 3 de l'élément 1 illustré à la figure 1, par exemple un élastomère polyisoprène, commercialisé sous la marque The resin constituting layer 7 is a resin similar to that forming the envelope 3 of element 1 illustrated in FIG. 1, for example a polyisoprene elastomer, sold under the brand
"Népurane" par la demanderesse."Népurane" by the plaintiff.
Comme dans le premier mode de réalisation, il est possible de dis- As in the first embodiment, it is possible to
poser plusieurs couches 5 superposées. apply several superimposed layers 5.
Des essais de tir montrent que sous l'impact du projectile, le carreau 2 ou 6 ayant supporté l'impact est détruit, les carreaux Firing tests show that under the impact of the projectile, the square 2 or 6 having supported the impact is destroyed, the squares
adjacents ne sont pas endommagés.are not damaged.
Ce résultat prouve l'effet d'amortissement et de répartition des contraintes du matériau viscoélastique, ce qui diminue de manière This result proves the damping and stress distribution effect of the viscoelastic material, which decreases so
importante le coût de réparation des blindages. important the cost of repairing the shields.
En outre, avec un blindage conforme au second mode de réalisation illustré à la figure 2, dont l'épaisseur de l'élément 6 en céramique est de 4 millimètres, l'épaisseur de l'élastomère 7 étant d'un millimètre, et l'épaisseur de la couche 4 en résine armée par un In addition, with a shield according to the second embodiment illustrated in FIG. 2, the thickness of the ceramic element 6 is 4 millimeters, the thickness of the elastomer 7 being one millimeter, and l thickness of layer 4 in resin reinforced by a
tissu en fibres Kevlar est de 18 millimètres, on obtient une dimi- Kevlar fiber fabric is 18 millimeters, we get a dimi-
nution de la masse surfacique de l'ordre de 50 % par rapport à celle d'un blindage réalisé en acier "Mars 240 " pour un degré de protection nution of the surface mass of the order of 50% compared to that of a shield made of "Mars 240" steel for a degree of protection
équivalent contre un projectile de calibre 5,56. equivalent against a 5.56 caliber projectile.
On obtient des diminutions de masse surfacique du même ordre pour une We obtain decreases in surface mass of the same order for a
protection contre des projectiles de calibre 7,62 et 12,7. protection against 7.62 and 12.7 caliber projectiles.
Par ailleurs, comme le matériau de blindage de l'invention se pré- Furthermore, since the shielding material of the invention is pre-
sente sous forme d'éléments de faible dimension, il est très facile feels in the form of small elements, it is very easy
de disposer ces éléments sur des structures ayant des formes com- to place these elements on structures having com-
pliquées.plicated.
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