FR2723193A1 - Materiau de protection balistique - Google Patents

Abstract

Le blindage selon l'invention comprend l'association de plaques céramiques et d'un support de celles-ci, le support étant constitué d'un composite fibres/matrice vitreuse ou vitrocéramique.Le blindage selon l'invention présente, notamment, une meilleure atténuation des vitesses des projectiles.

Description

MATKRI AU DE PROTECTION BALISTIQUE
La présente invention concerne un nouveau matériau de protection contre les projectiles. Plus particulièrement, l'invention concerne les matériaux de protection contre les projectiles de faible masse, que nous désignerons dans la suite par "blindages légers".

Les blindages constitués, il y a encore quelques années, essentiellement de plaques métalliques se sont orientés vers des matériaux diversifiés et notamment vers des matériaux céramiques. L'intérêt de ces derniers réside notamment, pour une même réduction d'énergie du projectile, dans le fait que la masse nécessaire est sensiblement plus faible qu'avec des plaques métalliques. Cet élément est particulièrement important lorsqu'il s'agit d'équiper des véhicules et notamment des véhicules aériens.

Un autre avantage des blindages céramiques est, en raison de leur dureté, de briser le projectile. Cependant les matériaux céramiques sont fragiles. Ils résistent mal aux chocs. Sous l'impact d'un projectile, la plaque céramique se fissure et se fracture n'offrant plus alors une cohésion nécessaire.

Pour remédier à cette difficulté, il a été proposé de constituer la protection à l'aide d'un pavage de carreaux de céramique, de dimensions limitées, et d'un support sur lequel les carreaux sont fixés. Dans une telle configuration, l'impact n'endommage qu'un carreau, les autres continuant d'offrir la protection recherchée.

Une association a été proposée constituée de carreaux de céramique et d'un support à base de matériau composite constitué d'un tissu fibreux, par exemple de fibres aramides, dans une matrice polymère organique. Dans ce type d'association, la partie céramique reçoit l'impact, réduit fortement l'énergie et tend à fragmenter le projectile. La couche support composite maintient la structure d'ensemble en cas d'impact et contribue à l'absorption de l'énergie par la déformation de la structure fibreuse.

Une première difficulté, rencontrée avec ce type de blindage, est liée à la grande déformation des supports sous l'impact. Pour obtenir une protection satisfaisante dans ces conditions, le blindage doit être écarté de l'objet à protéger.

Une seconde difficulté des matériaux composites supports de nature organique est leur faible résistance à des températures élevées. Ces produits sont normalement détruits pour des températures supérieures à 300"C ce qui, pour certaines utilisations, peut s'avérer insuffisant.

Pour cette raison, l'invention se propose de fournir des matériaux de blindage qui associent des carreaux de céramique à un support offrant une meilleure résistance à la déformation et une bonne absorption de l'énergie du projectile. L'invention se propose également de fournir un blindage dont la tenue en température soit sensiblement supérieure à celle des matériaux support du type aramide.

Les inventeurs ont montré qu'un blindage répondant à ces caractéristiques peut être obtenu en associant, d'une part, des carreaux céramique sur la face exposée à l'impact des projectiles et, d'autre part, un support constitué d'un matériau composite comprenant un tissu, ou des fibres unidirectionnelles croisées, de fibres carbone ou céramiques dans une matrice vitreuse ou vitrocéramique.

Dans ce type de matériau de blindage, le matériau composite servant de support présente l'avantage certain d'une déformation limitée et d'une bonne résistance à la température. Pour cette dernière, les gains seront plus ou moins importants selon la nature des fibres utilisées mais, dans tous les cas, une amélioration très conséquente est atteinte par rapport aux supports organiques.

Pour obtenir le meilleur effet d'absorption d'énergie du support, les inventeurs ont également mis en évidence la nécessité d'établir entre les fibres et la matrice des liaisons faibles. Le matériau vitreux ou vitrocéramique de la matrice complète, d'une certaine façon, l'action des plaques céramiques de la face exposée à l'impact. Ce sont des matériaux qui absorbent l'énergie par une propagation de l'onde de choc très élevée aboutissant à une multifissuration importante. Les liaisons faibles entre les fibres et la matrice ont pour effet de ne pas s'opposer à ce rôle de la matrice.

Il est également important pour la cohésion du matériau support de mettre en oeuvre des fibres longues, quasi continues, et dans un arrangement de type tissage, ou unidirectionnel croisé, qui maintiennent la structure même après fissuration de la matrice. Dans ce sens aussi, la longueur des fibres conduit à porter l'effet sur une zone de plus grandes dimensions.

De préférence, les fibres entrant dans la constitution du composite sont en carbure de silicium (SiC). Ces fibres sont connues pour offrir une très grande résistance à la rupture et, de surcroît, résistent bien aux compositions oxydes des matrices vitreuses et vitrocéramiques. Ces fibres offrent encore l'avantage de ne pas donner de liaisons fortes avec les matrices choisies selon l'invention.

Les fibres utilisées peuvent aussi être en carbone.

Les propriétés mécaniques sont satisfaisantes. Leur utilisation est limitée par leur température de mise en oeuvre.

En milieu oxydant, cette température ne peut dépasser 6000C. Pour des mises en oeuvre à température plus élevée, on opérera en milieu non oxydant.

Les fibres peuvent encore être choisies parmi les céramiques, par exemple les fibres d'alumine ou à base d'alumine du type A1203-SiO2-B203. Ces fibres pourraient, à terme, présenter l'avantage d'un coût sensiblement moindre que celui des fibres SiC. Elles doivent cependant être mises en oeuvre dans des conditions qui permettent d'éviter les interactions fortes avec la matrice. Une façon d'aboutir à ce résultat consiste à utiliser des fibres revêtues d'un film très mince de composés non-oxydes, par exemple de nitrure de bore, de carbure de silicium, de carbure de titane, de carbone, de métaux...

Comme indiqué précédemment, l'aptitude du matériau composite à propager les chocs dépend de la structure fibreuse. Les fibres ne peuvent être en vrac. Elles sont présentes de façon alignée ou, mieux, de façon croisée. Le plus habituellement, pour la commodité de mise en oeuvre, on utilise un tissu ou des fibres unidirectionnelles croisées. L'utilisation du tissu ne constitue pas nécessairement l'optimum pour la résistance du matériau du fait de l'accroissement des contraintes qui peut se manifester au chevauchement des fils.

Les fibres utilisées ont, ordinairement, un diamètre de l'ordre de 10 à 30 micromètres et sont rassemblées en mèches des plusieurs dizaines ou même plusieurs centaines de fibres pour faciliter leur mise en oeuvre.

Le choix de la matrice est déterminé, comme nous l'avons indiqué, par les propriétés d'absorption d'énergie et de résistance à la température. En outre, la matrice ne doit pas dégrader les fibres.

Si, à des degrés divers, les verres usuels et vitrocéramiques sont utilisables, on préfère ces dernières en raison de leur meilleure tenue en température. Les vitrocéramiques du type LAS (Li2O-Al203-n SiO2 avec n de 2 à 6) conviennent particulièrement bien pour ces applications, notamment les spodumènes (Li2O-Al203-4 Six2). Conviennent aussi les cordérites, osmélites, dévitrites, etc...

Les verres peuvent être préférés comme constituants de la matrice lorsque les conditions de mise en oeuvre des blindages ne nécessitent pas une résistance aux températures très élevées ou, lorsqu'utilisant des fibres de carbone, la préparation du composite doit être effectuée à des températures relativement basses en milieu oxydant ou nécessiter une élaboration en milieu non oxydant. Dans ce cas, on utilise avantageusement une matrice en borosilicate ou en verre E.

Selon la nature des fibres et celle de la matrice, les modalités aboutissent à la constitution du composite peuvent varier. Lorsque la matrice est suffisamment fluide à une température suffisamment faible pour que les fibres ne soient pas dégradées, il est possible d'opérer par imprégnation d'un canevas de fibres au moyen du matériau fluide.

L'opération peut se faire par injection ou toute autre technique usuelle de constitution de composite matricefibres.

Lorsque la nature des matériaux ne permet pas d'opérer par imprégnation directe, l'opération habituelle est du type frittage. La préparation d'abord une fusion des matières premières conduisant au verre de la matrice. La fusion est conduite de manière à obtenir un produit parfaitement homogène. Le verre préparé et solidifié est ensuite réduit en poudre fine par broyage. La granulométrie de la poudre est telle qu'elle permette une bonne pénétration des grains dans le canevas des fibres. A titre indicatif, la dimension des grains est choisie de l'ordre de grandeur des diamètres des fibres. Une granulométrie plus fine est, bien entendu, utilisable mais plus onéreuse à obtenir sans conduire à une amélioration sensible des propriétés finales du composite.

L'imprégnation des fibres par la poudre de matrice est conduite dans un cycle de traitement thermique sous pression. La température est choisie de manière à conduire la matrice dans un état de ramollissement correspondant à une viscosité qui se situe aux environs de 100 -500 Pa.s
Simultanément, les pressions appliquées sont suffisantes pour réduire de façon considérable la porosité du matériau composite. Cette porosité se situe avantageusement, en fin de préparation, à une valeur inférieure à 5 %. La résistance mécanique du composite est d'autant meilleure que la porosité est plus faible. Les composites préférés présentent une porosité de l'ordre ou inférieure à 1 %.

Pour obtenir des porosités aussi faibles, il est nécessaire d'opérer sous pression, par exemple de l'ordre de 5 à 20 x 106 Pa.

Pour qu'ils offrent les propriétés recherchées, les composites selon l'invention doivent renfermer une structure fibreuse suffisamment importante. La proportion pondérale des fibres dans le composite est, avantageusement, d'au moins 30 %. Cette proportion, pour un produit homogène, peut s'élever jusqu'à 70 %. Le plus couramment, la proportion pondérale des fibres se situe entre 40 et 50 %.

Dans la pratique, les épaisseurs utiles de support composite vont de quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres. I1 va de soi que, dans ces structures, les réseaux fibreux tissés ou non sont multiples. Dans un support habituel, plusieurs dizaines de réseaux fibreux sont ordinairement superposés. Dans la pratique, il est préférable de croiser les directions principales des fibres dans ces réseaux pour renforcer l'effet de structure.

La mesure des interactions entre les fibres, d'une part, et la matrice, d'autre part, peut être faite par de moyens mécaniques. I1 est possible, par exemple, de faire une détermination d'indentation de la fibre dans le matériau. I1 est possible aussi de faire une mesure de cisaillement du composite. Dans ce dernier cas la mesure, faite dans les conditions de la publication de D.B. MARSHALL (Communication of the American Ceramic Society - Décembre 1984 - C-259), doit conduire à une valeur ne dépassant pas, de préférence, 107 Pa. Pour des valeurs supérieures, les forces de liaison fibre-matrice sont trop élevées pour permettre aux fibres de jouer pleinement leur rôle de structure du matériau support. Le composite devient trop cassant.

Dans les blindages selon l'invention, les carreaux de céramique de la face recevant le projectile sont constitués d'un matériau connu pour sa dureté. Des matériaux préférés sont, notamment, A1203, SiC, B4C, TiB2. Ces matériaux présentent des caractéristiques différentes du point de vue de leur capacité d'absorption de l'énergie. Cette capacité peut être reliée directement à la mesure de la résistance à la rupture en flexion. Dans cette détermination par exemple, le plus performant est le carbure de silicium (450.106 Pa). L'alumine a une résistance sensiblement moins élevée (265.106 Pa) ; celle du carbure de bore se situe dans une position intermédiaire (350.106 Pa). Le choix du matériau est guidé non seulement par son efficacité, mais aussi par des considérations de coût. Par ailleurs il faut souligner, comme nous le verrons dans les exemples, que si à masse surfacique égale, les performances de ces différents matériaux sont distinctes, une moindre valeur pour l'un d'entre eux peut, dans une certaine mesure, être compensée par un accroissement de la masse surfacique pour autant que l'augmentation pondérale ne soit pas incompatible avec l'utilisation visée.

Les dimensions des carreaux céramiques sont limitées de telle sorte que la destruction, consécutive à l'impact d'un projectile sur l'un d'entre eux, ne dégarnisse pas une surface trop importante rendant inefficace la protection conférée par l'ensemble. Dans la pratique usuelle, les carreaux sont de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres de côté.

L'assemblage des carreaux de céramique sur le support composite est effectué suivant des techniques qui dépendent, pour beaucoup, des contraintes d'utilisation. Pour les applications "basse température" (protection de véhicule, siège d'hélicoptère), on peut utiliser un adhésif réticulant à froid ou à basse température (par exemple résine epoxy). Pour les utilisations requérant une résistance de l'ordre de 200 à 300"C (protection de la motorisation des hélicoptères), on utilise de préférence un adhésif résistant dans ces conditions, par exemple un polyimide.

Ces modes d'assemblage sont les plus faciles à mettre en oeuvre. I1 est possible d'employer d'autres modes, en particulier si une tenue en température plus élevée est nécessaire. Dans ce dernier cas il est possible, par exemple, d'utiliser un verre sous forme de "brasure". On choisit, dans ce cas, de préférence un verre plus fusible que celui de la matrice dans le matériau composite.

I1 est aussi possible de fixer les carreaux par des rivets ou autres moyens mécaniques.

La suite de la description donne des détails de modes de réalisation de l'invention. Les figures annexées concernent respectivement
figure 1 : un échantillon d'essai balistique d'un produit selon l'invention,
figures 2 et 3 : des résultats d'essais balistiques de produits selon l'invention, comparés à d'autres produits.

Dans la préparation des composites utilisés pour les blindages selon l'invention on utilise, à titre d'exemple, des fibres de carbure de silicium. Ces fibres sont celles commercialisées par la société NIPPON-CARBON sous le nom de "Nicalon". La fibre en question est très stable, même à haute température. La croissance des grains ne se produit pas avant 14000C. Elle est stable en milieu oxydant jusqu'à 10000C et, davantage encore, en milieu réducteur. Elles sont en plus très résistantes. La limite de rupture à la traction se situe à 2800 x 106 Pa.

Les fibres utilisées avaient un diamètre de l'ordre de 12 micromètres et étaient rassemblées en mèches comportant 500 fibres.

Dans l'essai reporté, on a utilisé une matrice de type
LAS (Li2O-Al203-4 SiO2).

La matrice a été préparée à partir de produits de laboratoire par fusion à 16500C pendant 3 heures, ce qui conduit à un affinage suffisant pour obtenir une fusion complète des matières premières. Le verre préparé est coulé. Les morceaux sont ensuite broyés dans un broyeur à billes d'alumine jusqu'à une granulométrie centrée sur environ 10 micromètres.

Pour l'essai d'échantillon, on procède à une imprégnation sur le fil de SiC.

Le fil, commercialisé en bobines, est d'abord désensimé par passage dans un four à 400"C puis trempé dans une barbotine formée à partir de la poudre de verre de matrice mélangée à un liant constitué de méthylcétone et d'acétate de polyvinyle.

Le fil préimprégné est disposé en alignements juxtaposés unidirectionnels, lesquels peuvent ensuite être superposés en couches croisées.

Le matériau, formé à partir des couches superposées de fils imprégnés, est soumis aux opérations de pressage à chaud à une température qui s'élève entre 1300"C et 14000C à une pression de l'ordre de 5 x 106 Pa pendant 15 minutes.

On prépare de cette façon des plaques de 100 x 100 mm, d'épaisseur variable en fonction de l'essai souhaité de quelques millimètres à environ 15 mm.

La porosité des échantillons préparés est inférieure à 2 %.

L'élaboration du verre de la matrice peut aussi être conduite dans des conditions légèrement différentes pour améliorer les propriétés fibres-matrice. Pour favoriser la formation de liaisons faibles entre les fibres et le verre (ou la vitrocéramique), il est avantageux d'inclure dans la composition une faible proportion d'oxydes tels que Nib205, Ta,O,.

De la même manière, pour aboutir à une vitrocéramique, on peut ajouter aux compositions verrières des éléments servant à la nucléation tels que ZrO2, P2O5, Cr203... La technique usuelle pour la vitrocéramique consiste, sur la masse verrière, à procéder à un traitement thermique de nucléation dans une gamme de viscosité de l'ordre de 1010 à 1011 Pa suivi, à plus haute température, d'un palier pour la croissance des cristaux. Comme indiqué précédemment, la céramisation du verre est nécessaire pour les matériaux devant travailler à des températures supérieures à 700-800"C.

Pour les essais balistiques, des plaques préparées à partir des fibres SiC et de la matrice vitrocéramique LAS sont associées à des plaques céramique de SiC. L'assemblage d'essai est celui représenté à la figure 1.

La plaque céramique SiC (1) est collée à la plaque de composite (2) au moyen d'un adhésif réticulant à froid.

La plaque céramique est confinée latéralement par un cadre (3).

Dans les essais conduits, la plaque SiC est du type à haute densité obtenue par frittage. Ses dimensions sont de 100 x 100 mm. L'épaisseur de la plaque est de 12 mm.

La plaque de composite est de 100 x 100 mm et son épaisseur est de 10 mm.

Les essais comparatifs sont effectués avec des matériaux monolithiques A1203 et SiC de même masse volumique ainsi qu'avec un ensemble constitué d'une plaque de SiC doublée d'un support en composite contenant des fibres aramides.

Pour ces essais, on utilise des projectiles perforants (4) de calibre moyen 12,7 mm. Ce projectile est constitué d'un noyau en acier à très haute résistance placé dans une enveloppe balistique en alliage cuivreux.

L'essai a pour but d'apprécier l'absorption d'énergie par la cible en perforant celle-ci et en mesurant le rapport vitesse résiduelle/vitesse initiale du projectile en fonction de la masse surfacique de la cible.

Dans ce type d'essai il apparaît clairement que le résultat dépend, pour une part très importante, de la vitesse d'impact. Le comportement du matériau au choc est sensiblement modifié à vitesse élevée par rapport à celui constaté à faible vitesse, en particulier pour les blindages monobloc qui subissent de façon plus sensible l'impact à très haute vitesse.

On peut également mentionner que le rôle support du matériau composite est d'autant plus important que la vitesse d'impact est plus grande. Dans ce cas, la longueur des fibres sollicitées est faible. L'interaction projectile couche support est très localisée et l'énergie emmagasinée par cette partie du blindage n'est pas très importante. A l'inverse, le matériau support est relativement peu dégradé et, de façon très localisée, le reste du support continue de jouer son rôle.

La figure 2 montre que les matériaux selon l'invention, à masse surfacique égale, permettent d'améliorer sensiblement la réduction de vitesse du projectile dont l'impact s'effectue à 500 m/s (vitesse résiduelle sur vitesse incidente V=/Vi). Cette réduction est effective vis-à-vis des céramiques monolithiques (Al > 03 [I],
SiC [Il]), mais aussi vis-à-vis des cibles constituées d'une plaque SiC doublée d'un composite à base de fibres aramides. L'amélioration de la performance selon l'invention [III] est de plus de 10 % vis-à-vis de cette dernière.

Le même essai, reproduit à vitesse plus élevée 900 m/s (figure 3), minimise l'avantage de réduction de vitesse conféré par le blindage selon l'invention vis-à-vis des produits connus antérieurement. Cependant, dans ce type d'essai, l'intérêt réside dans le fait que le matériau support n'est pas détruit, sinon localement, le reste du blindage restant opérationnel.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Blindage obtenu par l'association de plaques céramiques et d'un support de celles-ci, caractérisé en ce que le support est une plaque composite d'un réseau de fibres dans une matrice vitreuse ou vitrocéramique.

2. Blindage selon la revendication 1 dans lequel les fibres du matériau composite sont des fibres de carbone ou des fibres céramiques.

3. Blindage selon la revendication 2 dans lequel les fibres du matériau composite sont en carbure de silicium.

4. Blindage selon la revendication 2 dans lequel les fibres du matériau composite sont en matériau à base d'alumine.

5. Blindage selon l'une des revendications précédentes dans lequel les fibres du matériau composite sont disposées suivant des couches dans lesquelles elles sont orientées dans une seule direction, les directions dans deux couches successives étant croisées.

6. Blindage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel les fibres du matériau composite sont au moins, en partie, dans une structure tissée.

7. Blindage selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'ensemble matrice-fibre est lié par des liaison faibles.

8. Blindage selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau de la matrice est du type LAS (Li2O-A12O3-n SiO2 avec n de 2 à 6).

9. Blindage selon la revendication 8 dans lequel le matériau de la matrice est un spodumène (Li2O-Al2034 SiO2).

10. Blindage selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel le matériau de la matrice est du type cordérite, osmélite...

11. Blindage selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel le matériau de la matrice est un verre de borosilicate ou un verre E.

12. Blindage selon l'une des revendications précédentes dans lequel sont associés à la plaque composite support des carreaux d'une des céramiques du groupe comprenant : SiC, Al2O3, B4C, TiB2.