Memoire matériaux - La famille du Refuge

Transcription

M. DELRIEU – A. MALO – C.SIMUTOGA
Mémoire Matériaux 2007/2008
Gilet pare-balle
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Sommaire
Introduction……………………………………………………….……….2
Kevlar :
- Introduction………………………………………………………….3
- Effet mushrooming…………………………………………………..4
- Fabrication…………………………………………………………...5
- Historique…………………………………………………...……….5
- Propriétés…………………………………………………………….6
- Avantages/Inconvénients…………………………………………….9
Dyneema/Spectra :
- Historique…………………………………………………..…….…10
- Conception…………………………………………………...……...10
- Gel spinning process………………………………………...……....11
- Propriétés………………………………………………………...….12
- Fiche Dyneema SB21…………………………………………...…..12
Armure intégrale :
- Principe………………………………………………………………13
- Tests………………………………………………………………….14
Matériaux du futur :
- Soie d’araignée………………………………………………………19
- Nanotechnologies……………………………………………………22
Conclusion……………………………………………………….………….24
Annexes :
- Définitions…………………………………………………………..25
- Sources……………………………………………………………...28
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Introduction :
A travers l’Histoire les hommes ont utilisés différents types de matériaux pour se protéger
contre les blessures durant les combats ou les autres situations dangereuses. L’armure est
généralement définit comme une couverture protectrice permettant de parer des attaques
spécifiques. L’armure fut au commencement fabriqué avec des peaux, du cuir, des os puis au
développement de l’acier, du bronze, des vêtements balistiques et des céramiques. L’acier fut
en général le composant majeur de l’armure. Quand de nouveaux projectiles perforant les
armures furent développés, de nouveaux concepts d’armures furent lancés permettant
d’arrêter ces projectiles. Les concepts d’armure peuvent être classifiés selon leur utilité en tant
que :
- Armure de corps (gilet pare-balle)
- Armure légère (armure de véhicule ou d’avion)
- Armure lourde (blindage tank)
Les armures de corps sont destinées à protéger le torse contre les fragments provenant de
l’explosion d’un obus, de grenades, de mines fragmentées, aussi bien que des projectiles tirés
de petites armes. Ces armures protègent contre des balles de calibre .22 à .30, avec une masse
nominale de 2,6 à 10 grammes tirés avec une vitesse de 320 à 869 m/s (NIJ Standard01.01.04)
Le développement historique des matériaux des armures
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Kevlar
Introduction
Comment une pièce fine de vêtements peut stopper une balle? Le principe est assez simple. A
son cœur, Un morceau de matériau pare-balles est juste un « filet » très fort.
Pour voir comment cela marche, pensez à un but de football. Le dos du but est filet formé par
beaucoup de longues longueurs de cordes, entrelacées les uns entre les autres et attachées au
cadre du but. Quand vous donnez un coup de pied à la balle dans le but, la balle a une certaine
quantité d'énergie. Quand la balle frappe le filet, elle pousse en arrière sur les cordes à ce
point particulier. Chaque corde s'étend d'un côté du cadre à l'autre, dispersant l'énergie du
point d'impact sur un large secteur.
L'énergie est maintenant dispersée parce que les cordes sont entrelacées. Quand la balle
pousse une longueur horizontale de corde, cette corde met chaque corde verticale entrelacée.
Ces cordes mettent à leurs tours toutes cordes horizontales connectées. De cette façon, le filet
entier travaille pour absorber l'énergie inertielle de la balle.
Traduction légende :
Plastic Film : film de couches
plastiques
Carrier : Couverture
Kevlar : Kevlar
Ce schéma montre la composition
d’un gilet pare-balle par une vue en
coupe.
.
Quand vous donnez un coup de pied à une balle dans un but de football, le filet est poussé en
arrière assez loin, ralentissant la balle progressivement. C'est une conception très efficace
pour un but parce qu'elle empêche la balle de rebondir sur le terrain. Mais le matériau pareballes ne peut pas avoir le même effet qu’un filet de but de football parce que le gilet
pousserait trop loin dans le corps du porteur au point d'impact. La concentration du trauma
émoussé de l'impact dans un petit secteur peut causer des blessures internes sévères.
Des gilets pare-balles doivent répandre le trauma émoussé sur le gilet entier pour que la force
ne soit pas sentie trop intensément dans n'importe quel endroit. Pour faire cela, le matériau
pare-balles doit avoir des fibres entrelacées très serrées. Typiquement les fibres individuelles
sont tordues, augmentant leur densité et leur épaisseur à chaque point. Pour le rendre encore
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plus rigide, le matériau est couvert d'une substance de résine et serré entre deux couches de
film plastique.
Une personne portant le gilet pare-balles sentira toujours l'énergie de l'impact d'une balle, bien
sûr, mais sur le torse entier plutôt que dans un secteur spécifique. Si tout fonctionne
correctement, la victime ne sera pas sérieusement blessée.
Puisque aucune couche ne peut se déplacer à une bonne distance, le gilet ne doit ralentir la
balle utilisant en bas beaucoup de couches différentes. Chaque « filet" ralentit la balle un peu
plus, jusqu'à ce que la balle s'arrête. Le matériau agit aussi sur la balle et la déforme au point
de l'impact. En fait, la balle se répand au bout, de la même manière qu’un morceau d'argile
qui se répand si vous le jetez contre un mur. Ce processus, qui réduit encore l'énergie de la
balle, est appelé "Mushrooming" (effet de champignon).
EFFET MUSHROOMING :
Sur ces schémas de type Avant/Après vous pouvez voir l’effet de propagation de l’énergie
cinétique de la balle sur le gilet et la forme que prend la balle après avoir percuté le gilet.
Aucun gilet pare-balles n'est complètement impénétrable et il n'y a aucun morceau de gilet
pare-balles qui vous rendra invulnérables aux attaques. Il y a en réalité une vaste gamme de
gilet pare-balles disponible aujourd'hui et les types varient considérablement dans l'efficacité.
Nous avons juste vu que le gilet pare-balles léger moderne consiste en plusieurs couches de
filet super-fort. Ce matériau disperse l'énergie d'une balle sur un large secteur, empêchant la
pénétration et dissipant le trauma émoussé. Cette sorte d'armure, aussi bien que l'armure
lourde,
s'étend
considérablement
dans l'efficacité car
tout dépend du
matériau utilisé.
Vue en coupe de la
dispersion
de
l’énergie sur la
fibre
recevant
l’impact de la balle
à une force F.
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Vue en coupe de
la déformation de
la fibre recevant
l’impact de la
balle
à
une
vitesse V.
Kevlar : Historique :
1970 : Introduction de la fibre synthétique de Kevlar par DuPont Corporation.
1975 : Création du gilet pare-balle K-15 fait de 15 couches de Kevlar avec une plaque 5"x8"
verticale à la hauteur du cœur.
1976 : Création du gilet pare-balle entièrement en Kevlar Model Y.
Kevlar : Fabrication :
Comme mentionné avant, le Kevlar est un polymère et est une aramide basée sur le carbone.
Au départ, le Kevlar n'est pas un polymère. Comme toutes autres substances synthétiques, il
doit subir un processus de fabrication. Une réaction de condensation avec la diamine, un acide
téréphtalique et l'acide sulfurique créent la substance qui deviendra le produit final. Une
diamine est n'importe quel composé organique contenant deux groupes d'animés (NH2) tandis
qu'un téréphtalique est un acide carboxylique qui se compose d'un anneau de benzène dans sa
molécule.
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La substance que la réaction de condensation a créée s'appelle l'intermédiaire. Afin de créer le
Kevlar, elle doit être tirée. L'action de tirer est essentiellement l'étirage du produit à une
température fixe pour que le produit soit plus fort. Une fois l'intermédiaire tirée, le
terephthalamide de poly-para-phénylène est créé, ou simplement, le Kevlar 29. Afin de subir
le premier processus, le Kevlar peut être tiré encore pour faire le Kevlar 49. Le Kevlar 29 doit
être tiré à 400ºC. Ceci crée Kevlar 49, le type de Kevlar le plus fort. L'action de tirer chaud
permet une matière avec un niveau de cristallinité plus haut.
Une fois que le Kevlar est tiré, il doit être tourné pour produire les filaments. Pour réaliser
cela, les filaments sont expulsés avec une filière. Après, le Kevlar est lavé et neutralisé avec
de l'hydroxide de sodium. Ensuite, on le sèche. L'étape finale du processus de fabrication est
l’enroulement du Kevlar dans des bobines. Ceci crée une approche plus souple pour les
acheteurs de sorte qu'elles puissent employer les fils pour leurs besoins au lieu d'acheter le
Kevlar en feuilles.
Propriétés:
Le Kevlar est un matériau très important car il possède une grande force de tension. Les fibres
utilisées pour le Kevlar sont très étroites. Pour mieux comprendre ce concept, on doit prendre
en considération les liaisons dans les solides.
Si un polymère est arrangé de façon organisé il est considéré comme un solide cristallin.
Quand un polymère n'est pas organisé, il est appelé un solide amorphe. Les polymères
amorphes sont des chaînes de polymères entrecroisés qui ne suivent pas un patron fixe. Ils
donnent au polymère l'habilité de se plier sans se briser, ce qui est une propriété très
importante du Kevlar.
La forme cristalline du polymère de Kevlar lui donne de la force, mais le rend cassant. Par
exemple, le Plexiglas est susceptible à briser en éclat à cause de son état cristallin.
Néanmoins, le Lexan ne se brise pas en éclat car sa forme est plutôt amorphe que cristalline.
En mélangeant ces deux caractéristiques, on affaiblit la force pour la flexibilité ou flexibilité
pour force, mais on crée une substance idéale. C'est ainsi comment le Kevlar a été formé.
Quand les scientifiques cherchent des fibres fortes, ils choisissent des polymères avec des
conformations-trans au lieu de conformations-cis. Les conformations-cis peuvent être un
problème car ils ont la tendance à avoir des plis non voulus dans la chaîne de polymère. Les
plis dans les fibres affaiblissent leur force et leur arrangement cristallin. Les conformationstrans sont désirées grâce au fait qu'elles créent une chaîne de polymère étroite et étendue. Cela
crée un polymère cristallin extrêmement fort qui crée une combinaison presque parfaite de
propriétés amorphes et cristallines.
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Grâce à la forme des anneaux aromatiques, le Kevlar a tendance à garder sa formation-trans et
forme rarement des formations-cis.
Si le Kevlar tente de se plier vers la formation-cis, les hydrogènes sur les anneaux
aromatiques ne peuvent pas se placer dans l’espace car ils sont trop volumineux. Grâce à la
conformation-trans, la molécule du Kevlar tend à rester une fibre longue et étroite ; de plus
les hydrogènes aromatiques ont beaucoup d’espace.
Une autre caractéristique important reliée au Kevlar est qu'il peut créer de forts liens
intermoléculaires, des liens d'hydrogène. Grâce aux liens d’hydrogène, les brins de fibre sont
toujours liés. Les groupements d'amide au bout des molécules polaires se lient ensembles avec
des charges magnétiques. L'atome d'oxygène peut être considéré comme négatif et l'atome
d'hydrogène comme positif. L'atome négatif attire l'atome positif et le lien d'hydrogène est
formé.
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Représentation de la structure chimique du poly-para-phénylène téréphtalamide
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AVANTAGES / INCONVENIENTS
Avantages :
• Il a une très grande force de tension.
• Il est cinq fois plus fort que l'acier.
• Sous l'eau, le Kevlar peut être jusqu'à vingt fois plus fort que l'acier!
• En considérant la température, sa performance est supérieure à d'autres matériaux.
• Il peut être soumis à des températures jusqu'à 300°C en retenant ses propriétés de la
force de tension.
• Même à -196°C il n'y a aucune perte d'intégration.
• Presque tous les solvants sont inefficaces pour dégrader le Kevlar à l'exception des
acides très forts.
Inconvénients :
• Le Kevlar est très sensible à la lumière ultraviolette qui peut dégrader sa performance,
mais seulement la couche extérieure est affectée. De ce fait, la performance n'est pas
vraiment affectée.
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Dyneema/Spectra
Historique :
Dyneema est une marque déposée de DSM Royal N.V. (Pays-Bas). Dyneema a été inventé
par DSM en 1979. Il a été commercialisé depuis 1990 et produit aux Pays-Bas. En Asie, DSM
a passé un accord de coopération avec Toyobo Co. pour la production commerciale au Japon.
Aux Etats-Unis, Honeywell a développé un produit identique au niveau de la structure
chimique, qui est vendue sous la marque Spectra. Quoique certains détails de production
soient quelque peu différents, les matériaux résultants sont comparables au niveau de leurs
propriétés.
En ayant pris en compte la similarité des deux matériaux nous traiterons uniquement la
description de l’un des deux (Dyneema).
Le Dyneema :
Nom du Polyethylene au très léger poids moléculaire (Ultra High Molecular Weight
Polyethylene : UHMWPE) et il est généralement connu pour être un matériau plastique qui
peut résister à tout type de produits chimiques et testés dans des conditions extrêmes qui
durent depuis des centaines d'années avec une conservation de la qualité du matériel
contrairement au Kelvar ou Twaron qui sont des fibres aramide possédant une résistance
limitée à certains produits chimiques, à la chaleur et aux UV. Ils perdent également leurs
propriétés à long terme.
La conception :
Le Dyneema est une fibre de polyéthylène qui est produite en utilisant un processus de
gélification breveté (gel-spinning process). Le polyéthylène est un plastique remarquablement
durable et les scientifiques de DSM ont capturé la grande résistance naturelle au niveau
moléculaire de ce plastique pour créer une des fibres les plus résistantes et les plus légères du
monde. Le processus de gélification (gel-spinning process) et les différentes étapes suivantes
permettent au Dyneema d'avoir une température de fusion beaucoup plus élevée (150°C) que
le polyéthylène standard.
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Gel-spinning process :
Le polyéthylène est dissous dans un solvant et filé par une série de petits orifices, appelés
spinnerets. Cette solution se solidifie en refroidissant ; la fibre refroidie à une apparence
semblable au gel. Ce processus permet d’orienter les chaînes macromoléculaires dans la
même direction. Le processus n’est pas parfait et il n’y a pas 100% des chaînes qui
s’orientent, le Dyneema Purity est celui qui en est le plus proche avec 95% (utilisé surtout
dans le médical pour le moment).
Orientation des chaînes macromoléculaires
Gel-spinning process
Dyneema
Polyéthylène Normal
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Propriétés :
Avec sa remarquable résistance et ses propriétés viscoélastiques, le Dyneema peut résister à
des charges ou des vitesses élevées. Il possède aussi une haute résistance aux produits
chimiques, à l'eau et aux ultraviolets. Une autre de ses propriétés est un bon amortissement
aux vibrations, une bonne résistance à la flexion.
Le Dyneema est très résistant à l'eau, il n’absorbe pas les liquides et flotte sur l'eau. Il a donc
trouvé son utilité pour la marine américaine pour allier ses propriétés anti-balistiques et de
flottaison pour fabriquer des gilet pare-balles/gilet de sauvetage (densité = 970 kg / m3, 5% de
moins que l'eau de mer). Il est utilisé pour des nombreuses applications en dehors des gilets
pare-balles , comme des casques et des véhicules blindés, aussi bien que de la toile de voile,
des lignes de pêche, du cordage marin et des gants de protection.
Dans les gilets pare-balles le Dyneema est
placé en différentes couches liées par une
résine flexible. Leurs dispositions sont telles
que deux couches en contact sont arrangées
pour se croiser 90°. Le résultat est solide,
léger et possède une bonne résistance
balistique. Le Dyneema avec son orientation
uni directionnelle permet de concevoir des
gilets pare-balles mieux adaptés et plus
résistants en termes de performances
balistiques que le ceux fabriqués en Kevlar
ou Twaron.
Fiche du produit Dyneema SB21 :
Le Dyneema SB21 est un matériau composite destiné à la fabrication de gilet pare-balles léger
et flexible. Ils sont utilisés par les forces aériennes des États-Unis, de la marine, LAPD,
NYPD, SWAT, British Air forces et de l'armée française.
Dyneema SB21 est un excellent produit qui fournit une protection efficace contre les
projectiles des armes de poing, comme les balles de 9mm FMJ, les Uzi, Makarov et Tokarev.
Les caractéristiques du Dyneema SB21 sont :
•
Densité surfacique: 140 - 150 g/m2
Performances balistiques:
Absorption d'énergie: 245 J / (kg / m2)
Testé sur 17 plis avec un 9 mm Parabellum
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Armure Intégrale
De récentes avancées dans l'armure légère inclut le développement de systèmes d'armure
intégrales. Il a été révélé que les armures les plus efficaces ne sont pas des systèmes
uniquement basés sur l’acier, les composites ou les céramiques, mais plutôt ceux combinant
plusieurs couches de différents matériaux ayant chacun leur fonction . Les systèmes de
« sandwich » incluent d'habitude une couche céramique extérieure qui est faite de carbure de
silicium (Sic), de carbure de bore (B4C), de nitrure d’aluminium (Al2N3) ou d'alumine (Al2O3)
variant en fonction de l’utilisation et des contraintes au niveau du poids. La couche de
céramique sert à émousser et user le projectile. Les couches de céramique doivent être
associées à des couches plus flexibles pour arrêter les fragments ralentis du projectile et pour
conserver l’intégrité de l'armure. Des polymères remplissent ces conditions et lient
parfaitement les couches de céramique et les autres pour former un système d'armure intégral
tout en conservant une certaine légèreté. En plus du composite liant les couches la plupart des
armures intégrales possèdent aussi une couche externe de composite couvrant celles de
céramiques pour les protéger des dégâts mineurs. Pour la conception d'armure intégrale, des
fibres de verre sont employées avec l'époxy, l'ester de vinyle et les résines de polyester en
raison de leurs hautes extensibilité et compressibilité, de leurs propriétés d'absorption
énergétique et de leurs faibles coûts. Il y a aussi une couche d’elastomer supplémentaire qui
est ajoutée derrière celle de céramique atténuant les chocs pour améliorer la capacité de
l’armure à résister à plusieurs impacts.
f)
e)
d)
c)
b)
a)
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(a) la couverture extérieure pour les éclats d’obus comprenant le renfort de S2-verre
(b) les tuiles de céramique pour la protection balistique
(c) le propylène d'Éthylène Diene Monomer (EPDM) et le caoutchouc pour la résistance à
plusieurs impacts
(d) épaisse section de composite
(e) EMI : la maille pour la protection électromagnétique
(f) une couche de Phénolique pour la protection d'inflammabilité.
Différents tests effectués sur l’armure « sandwich » et ses composants:
Les matériaux composites ont été utilisés dans de nombreuses applications militaires
où ils peuvent remplacer des métaux, des céramiques et autres matières balistiques. La
capacité d'un matériau à fournir une protection lors d'un impact dépend de sa dureté qui est
primordiale pour « émousser » un projectile. C'est donc la tension à la rupture qui détermine
la capacité de ce matériau à absorber l'énergie via un processus de déformation global
affectant le point d'impact. Le processus de déformation implique des cassures dans le cas des
céramiques et des composés, ou une déformation plastique dans le cas de quelques métaux.
Les matériaux composites comptent principalement sur des micro-fractures pour
absorber l'énergie. Cela signifie que l'absorption d'énergie est en grande partie contrôlée par la
tension à la rupture des fibres. Une fois que les fibres ont rompues, aucune nouvelle énergie
n'est absorbée. On pourrait s'attendre à ce que l'énergie soit absorbée par une déformation
plastique ou grâce au dessin des fibres. Ce processus peut arriver efficacement dans des fibres
sèches arrangées en forme textile, mais la capacité de la fibre à se déformer de cette façon est
sévèrement limitée dans un composé et l'absorption d'énergie peut donc être décevante. Dans
la Figure 1 on peut voir le comportement de la fibre lors de l'impact d'un projectile.
Figure 1
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Quand un composé armurier est impacté, si le projectile possède des bords tranchants
ou que les propriétés du composite sont quelque peu fragiles ou bien qu’il y a un niveau accru
d'adhérence des fibres, des mouvements latéraux de fibres peuvent apparaître. Cela va donc
créer des espaces libres pour un futur projectile, réduisant grandement la protection fournie.
Pour pallier à ce problème, on rajoute des fibres dans les couches sous-jacentes. Au-dessous
du projectile, la matière est compressée et les couches restantes forment une membrane, qui
absorbe l'énergie restante par l'allongement des fibres (Cf. Figure 2).
Figure 2
Des chercheurs ont examiné l'effet de l'épaisseur du matériau composite sur la
perforation balistique. Pour des cibles minces les dégâts ont la forme d'un cône de délaminage
s'ouvrant vers la sortie de la balle. Le diamètre et la hauteur de ce cône augmentent avec
l'épaisseur du laminé. A partir d’une certaine épaisseur, un cône de délaminage s'ouvrant vers
l’entrée de la balle se forme (Cf. Figure 3).
Figure 3
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Ils ont ensuite mesuré la résistance à l’impact du laminé avec des projectiles ayant
différentes formes de nez (Cf. figure 4). Cette figure montre la géométrie de projectiles rigides
avec des nez en forme de cône et d’ogive. L et LN sont respectivement les longueurs de la
jambe et du nez du projectile.
Figure 4
Figure 5
La figure 5 montre l'impact d'un projectile rigide avec un nez conique sur un lamine à
différentes vitesse d'impact initiale Vi. Deux situations peuvent surgir selon l'énergie
cinétique initiale du projectile. A partir de ces tests, de nombreuses équations
comportementales furent établies afin de pouvoir améliorer la conception des futurs gilets.
Ces tests ont étaient réalisés en prenant une certaine densité. Si un projectile rigide a
une configuration complexe (ex : balle creuse) alors le projectile peut toujours être décrite
comme sur la Figure 4, mais avec une densité efficace adaptée prenant en compte la
proportion de la masse de projectile par rapport au volume.
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Des résultats balistiques d'essai ont montré que les panneaux composites sans aucune couche
céramique ou métallique supplémentaire ont une résistance balistique aux projectiles 7.62 mm
FSP pour des vitesses allant jusqu'à 1001 m/s. Ainsi, tous ces panneaux ont arrêté des
projectiles 7.62 mm FSP aux vitesses d'essai dans la gamme de 435 à 1001 m/s avec une
pénétration seulement partielle. Au-dessus de 1001 m/s, des perforations dans les composites
ont été observées. Les photographies ci-dessous montrent les dégâts sur l’avant et l’arrière
des panneaux soumis aux impacts par FSP.
Avant
Arrière
Panneaux composites soumis à des impacts de projectiles 7,62 mm
FSP Vitesses : 1) 831 m/s, 2) 800 m/s, 3) 696 m/s)
Perforation
Avant
Arrière
Panneaux composites soumis à des impacts de projectiles 7,62 mm
FSP Vitesses : 1) 813 m/s, 2) 794 m/s, 3) 1119 m/s
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En parallèle des panneaux composites similaires ont été soumis à l'impact de projectiles
perforants (l'AP), la pénétration complète (perforation) par les projectiles AP a été observée à
toutes les vitesses (420 à 931 m/s) . Ainsi, on peut conclure que les composés polymériques
testés dans l'étude sans aucune couche d'appui ne sont pas suffisants pour arrêter des
projectiles AP. On montre l’avant et l’arrière des panneaux composites soumis aux projectiles
d'AP aux différentes vitesses.
Perforation
Avant
Arrière
Panneaux composites soumis à des impacts de projectiles AP
Vitesses : 1) 592 m/s, 2) 420 m/s, 3) 833 m/s, 4) 931 m/s
Une autre série d’essais avec des panneaux soutenus par des tuiles céramiques a révélé une
meilleure résistance balistique. Les panneaux de sandwich contenant des tuiles céramiques
soumises à l'impact balistique de projectiles AP et de projectiles FSP ont montré seulement
des pénétrations partielles à toutes les vitesses (446-1020 m/s avec AP et 1173 m/s avec FSP).
Avant
Ava
Arrière
Arriè
Panneaux sandwich (composite/céramique) soumis à des impacts de
projectiles AP à 1020 m/s et FSP à 1173 m/s
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Les matériaux du futur
La soie d’araignée
La soie d'araignée est une microfibre
naturelle biodégradable, plus mince qu'un cheveu
(diamètre inférieur à 1/10 de celui d'un cheveu
humain), avec une densité 6 fois plus faible que
l’acier mais qui serait 10 fois plus résistante que
celui-ci et 3 fois plus que le Kevlar. A savoir que
cette fibre peut supporter un poids de plus de 45
tonnes par cm² (Si on fabriquait avec du fil
d'araignée un câble de la grosseur du pouce, on
pourrait soulever une dizaine d'autobus). Cette soie
est très légère, souple, extensible, recyclable et
résiste à l’eau mais peut cependant en absorber
autant que la laine.
Les araignées ne tissent pas véritablement en faisant tourner le fil comme les femmes
faisaient au Moyen-Âge avec leur quenouille mais elles éjectent plutôt un gel épais d'une
solution dont une seule cuillère à café suffirait pour fabriquer 10000 toiles. Elles utilisent
ensuite leurs pattes arrière ainsi que le poids de leur corps afin d'étirer le gel en un fil très fin.
Cette technique particulière est encore très difficile à reproduire.
La clé de la soie d'araignée, ce sont les polymères. Les plastiques, le Kevlar des gilets
pare balles et de nombreuses parties de la Station Spatiale Internationale sont constitués de
polymères. Les protéines dans notre propre corps sont aussi des polymères constitués d'acides
aminés. Ces polymères peuvent être souples ou rigide, solubles dans l'eau ou non, résistant à
la chaleur et aux produits chimiques et parfois très résistants.
La solution de protéines de la soie est constituée de 30 à 40 % de polymères, le reste
étant de l'eau. Les glandes qui produisent la soie chez l'araignée sont capables de synthétiser
de grandes protéines fibreuses et d'en faire une fibre insoluble. Les protéines de soie sont de
longues molécules enroulées comme des spaghettis. Elles forment une solution visqueuse
mais sont suffisamment glissantes pour glisser l'une sur l'autre aisément afin de passer dans
l'ouverture de la glande de l'araignée. Lorsque ce gel de soie sort de la glande à travers un
canal en forme de S, les molécules de protéines deviennent alors alignées et leur viscosité
décroît d'un facteur 500 voire plus. Cela a pour conséquence que le liquide, à sa sortie de
l'abdomen, possède toutes les caractéristiques d'un cristaux liquide : c'est-à-dire que toutes les
fibres de protéines sont quasi-parfaitement alignées. C'est cela qui en fait une fibre si
performante.
Gilet pare-balle
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Les propriétés étonnantes de la soie d'araignée sont connues depuis fort longtemps.
Pendant plusieurs siècles, diverses civilisations ont tenté de reproduire ces propriétés :
Les Grecs anciens utilisaient la soie d'araignée pour la fermeture de plaies.
Les aborigènes d'Australie en faisaient des lignes de pêche.
Les guerriers de l'Asie médiévale avaient recours à de telles armures pour se
défendre contre les flèches et les épées.
Encore aujourd’hui, des indigènes du pacifique sud fabriquent des filets avec
cette soie.
Plus récemment la soie d'araignée peut intervenir dans divers domaines :
Fabrication de réticules pour nombre d'instruments optiques, notamment des
microscopes, des télescopes et des systèmes de visée optique, du fait qu'un seul
brin de soie d'araignée est plus fin que tous les autres matériaux utilisables.
Utilisations médicales (fils de suture et surtout tendons et ligaments artificiels)
dans la mesure où la résistance de cette fibre est considérable.
Fabrication de filets de pêches biodégradables.
Utilisations dans le matériel sportif (cordes, parachutes…).
Fabrication de gilet pare balles. Les essais récents ont révélé que 16 épaisseurs
de soie suffisaient pour arrêter net une balle de 9mm.
Nephila claripes
Une araignée particulière a était identifiée par des
chercheurs américains dans les années 60 : la Nephila
claripes, qui produit 7 types de soie, dont une ultra
résistante. Les araignées ne peuvent être domestiquées
comme les vers à soie. Elles sont territoriales, ce qui n'est
pas leur moindre défaut puisqu'elles sont aussi cannibales.
Sans compter le fait qu'elles ne produisent pas de soie sur
demande.
Pour résoudre ce problème, des chercheurs d’une entreprise Canadienne (Nexia) ont
réussi à intégrer les gènes qui contrôlent la production de la soie d'araignée dans des chèvres
dés 1996. Au départ, le gène d'araignée a été introduit dans des embryons de chèvres, qui ont
par la suite été implantés dans des mères porteuses. À leur naissance, les chevreaux sont
devenus les fondateurs d'une lignée porteuse de gènes d'araignées.
Afin de s’assurer que la protéine d’araignée ne soit
produite que dans le lait de la chèvre, un interrupteur
moléculaire est également introduit. Cet interrupteur ne
permet l'expression du gène que dans la glande mammaire
des femelles, et seulement pendant la lactation. Chez les
mâles, il empêche le fonctionnement du gène. Chez les
femelles, le gène se met en marche au moment de la
lactation, ce qui permet de fabriquer la protéine. Si ils ont
choisi la chèvre, c'est parce que son cycle de reproduction
est plus rapide que celui de la vache et que c'est un animal
Gilet pare-balle
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plus facile à traire que la souris (animal pour lequel la manipulation génétique est plus aisée).
Celles-ci expriment les deux protéines qui composent la soie dans leur glande mammaire.
Nexia récupère ensuite les protéines recombinantes de soie d'araignée dans le lait de
ses chèvres et lance un procédé pour les filer de leur création. Les protéines en solution
passent dans des trous microscopiques sous pression, ce qui les force à s'aligner les unes
contre les autres pour former une fibre. Enfin, on exerce une traction sur le fil, étape cruciale
pour stabiliser la structure de la fibre et lui conférer ses propriétés mécaniques.
La fibre qui en résulte, brevetée sous le nom de BioSteel, offre des performances plus
intéressantes que bien des matériaux existants, mais elle demeure, pour l'instant, une imitation
imparfaite de la véritable soie d'araignée. La raison de cette imperfection reste encore un
mystère, c’est pourquoi de nouveaux programmes sont en cours sur ce sujet.
Depuis, Nexia est propriétaire d'une ferme contenant une douzaine de chèvres
génétiquement modifiées, élevées avec plus de 1000 autres individus sains. Deux autres
élevages ont été lancés au Canada et vers New York par d’autres organismes. Ils sont destinés
à la fabrication de gilets pare-balles pour le compte des gouvernements canadien et américain
qui ont financé les recherches.
Une autre option consiste à utiliser les biotechnologies pour transformer des plantes en
usines de fabrication de protéine de soie. Des chercheurs canadiens ont réussi à introduire des
gènes d'araignée dans des plants de tabac mâles stériles en vue de produire de grandes
quantités de protéines de soie. Le tabac est une plante qui a été étudiée pendant de
nombreuses années et qui est à la base d'un système de culture en plein champ utilisé en
"agriculture moléculaire". C'est une production bon marché lorsqu'on la compare aux
systèmes traditionnels de production de bactéries et de cellules de mammifères axés sur la
fermentation. Ce concept a été validé par des chercheurs en produisant de petites quantités de
protéines de soie d'araignée dans les feuilles de tabac.
Les avancées de l'armée sur la soie nommée « Biosteel », créée grâce aux protéines de
Nexia, sont plutôt discrètes. Cependant, on peut supposer la préparation de nombreux tests de
performance de la soie dans le futur remplacement du Kevlar. En effet, le Biosteel renferme
de nombreux avantages. Si le Kevlar est fabriqué à base de pétrole et qu'il nécessite des
procédés chimiques dans sa fabrication, le Biosteel lui nécessite une infrastructure de
production beaucoup moins lourde et coûteuse. En plus de ses meilleures performances, le
Biosteel est aussi plus léger et flexible que le Kevlar. Il reste cependant des points
d'interrogation quant à la longévité d'une telle soie en plus de sa capacité à résister à de
grandes chaleurs, qui pourraient être moins élevées que le Kevlar.
Le Biosteel est voué à un grand avenir au niveau du gilet pare-balles. Même si ses
capacités antibalistiques exactes sont encore inconnues (du moins publiquement), on peut
prévoir la diminution marquée du poids d'un gilet pare-balles fait entièrement de Biosteel.
Même s'il serait étonnant que l'utilisation de cette nouvelle fibre permette de se départir
totalement des plaques de céramique ou de métal, elle permettrait certainement d'en diminuer
leur épaisseur et donc leur poids.
Gilet pare-balle
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Les nanotechnologies
Aujourd’hui, les promesses des nanotechnologies restent en très grande partie
virtuelles, dans tous les secteurs, y compris militaire. Au-delà de l’exposé des ses pistes de
recherche, l’ISN (Institute for Soldier Nanotechnologies) n’a pas pu présenter beaucoup
d’éléments concrets, hormis le cas de Jason C. Ashline. Touché par balles en Afghanistan en
2002 mais sauvé grâce à son gilet pare-balles high-tech, ce soldat de 20 ans a été montré
comme "témoignage vivant" des bienfaits de l’infiniment petit sur le champ de bataille. Une
veste qui durcit au contact des projectiles, un spray imperméabilisant universel, des
membranes intelligentes capables de filtrer poisons et virus, puis de donner l’alerte... Ces
innovations pourraient faire penser aux films de sciences-fiction mais la réalité n’est pourtant
pas si loin. La nanotechnologie fait déjà parti de notre environnement avec la fabrication de
raquettes de tennis renforcées aux nanotubes de carbone, de pièces de voiture, de produits
cosmétiques, de filtres pour la purification des eaux usées...
Subventionnés par des crédits militaires ou diverses sources, de nombreux laboratoires
publics ont mené des recherches avancées dans le domaine des nanotechnologies. C'est ainsi
que des chercheurs américains en collaboration avec des scientifiques britanniques ont montré
que des nanocomposites fabriqués à partir de matrices de polyéthylène, de polypropylène, de
Nylon 6 ou d'époxy dans lesquelles sont incluses des nanotubes de carbone ou des
nanoparticules sphériques de silice conduisent à une résistance et une flexibilité accrues. La
résistance à la traction du Nylon 6 incorporant des nanotubes de carbone est ainsi 220%
supérieure à celle du simple Nylon 6.
Impact de balle : à gauche, sur un Kevlar normal ; à droite :
sur du Kevlar imprégné d'un mélange de polyéthylène glycol
liquide et de nanoparticules de silice.
D’autres travaux portant sur ce sujet ont également montré que les matériaux associant
de la mousse de polyuréthane à des nanoparticules d'oxyde de titane étaient très résistants aux
balles et projectiles à très grande vitesse. Les recherches actuelles ont principalement pour but
de mieux comprendre la manière dont se lient les nanoparticules avec la matrice et, de façon
plus large, de mieux connaître la structure propre de ces particules.
Nous avons put voir différentes technologies actuelles en matière de protection
balistique. L'armure moderne peut endurer des coups multiples (par balle ou à l’arme
blanche), mais elle se fonde généralement sur une couche en céramique pour encaisser les
impacts balistiques et l'utilisation d'un tel matériau compromet le poids et la flexibilité de
l'armure. L’innovation actuelle se situe au développement des nanostructures actives. Il
n’existe aucun exemple de telles nanostructures actives mais nous pourrions l'illustrer par la
conception de nouveaux gilets pare-balles enrichis en nanoparticules.
Gilet pare-balle
22
Issue des travaux développés par deux équipes de chercheurs américains, l'armure
liquide doit bientôt voir le jour. A l'état de repos, le liquide reste fluide. Au moindre choc, il
durcit, assurant protection. La société Armor Holdings propriétaire du brevet souhaite en
proposer la fabrication industrielle pour la fin de cette année.
L'armure est composée d'un tissu souple résistant (Kevlar) auquel
on adjoint un mélange de polyéthylène glycol (fluide non toxique et non
évaporant) comprenant des nanobilles de silice en suspension. Un tel
mélange a la propriété de rester fluide au repos, dans des conditions
d'énergie réduites. Mais sous l'effet d'un choc, l'énergie reçue entraîne la
réorganisation en faisceaux des nanoparticules, rigidifiant instantanément
l'ensemble. Après le choc, une fois l'énergie de l'impact dissipée, le
produit retrouve naturellement son état fluide et le gilet redevient souple
et flexible. Ainsi, durant le port normal, le fluide est déformable et coule Nanobilles de silice
comme un liquide. Lorsqu'une balle ou une grenade frappe le gilet, il
devient rigide, empêchant les projectiles de pénétrer dans le corps du soldat. En effet, le
raidissement du liquide permet à l'énergie d'un impact d'être répartie sur une superficie
beaucoup plus grande, principe déjà employé pour les protections balistiques actuelles. Plutôt
que d'être concentrée sur le secteur d'une tête de balle, la force est alors répartie sur une
grande partie du tissu environnant. Tissu qui, incorporé du mélange protecteur, ne pèse que
20% de plus que celui non traité et n'entrave pas les mouvements du porteur. Les équipements
dotés de cette technologie nécessiteront des couches de kevlar, d’acier et/ou de céramique
moins importante, réduisant le poids global.
Ainsi, cette technologie représente une bonne solution pour la protection des parties
non couvertes par le gilet (bras et jambes), dont l'exposition présente un grand danger pour le
soldat. Autre atout majeur, Ces gilets résistent au tranchant d'une lame ou aux piqûres (pic à
glace par exemple), ce qui n'était pas non plus le cas du simple Kevlar.
A gauche : Kevlar simple.
A droite : Kevlar traité.
En haut : Face avant.
En bas : Face arrière.
On peut aussi évoquer des applications civiles à cette technologie avec la mise au
point de combinaison pour motard, le protégeant en cas de chute, la production de
genouillères et de protection pour les coudes à l'usage des sportifs. Et pourquoi pas, pour tout
un chacun et particulièrement les personnes âgées, des protège chevilles permettant d'éviter
entorse ou fracture en cas de chute brutale. On pourrait même s’en servir dans la conception
de pneus hyper résistants.
Gilet pare-balle
23
Conclusion :
Tout au long de l’histoire, les hommes se sont protégés avec des armures et maintenant avec
des gilets pare-balles. Le fait est que avec l’évolution des armes, les protections ont-elles aussi
évoluées. Aujourd’hui les gilets pare-balles sont en grande partie ceux protégeant des armes
de poing. Le Kevlar et le Dyneema dominent le marché du gilet avec leur excellent ratio
poids/résistance balistique. La céramique est quand à elle capable de stopper des projectiles
beaucoup plus rapide cela en fait un excellent composant pour les gilets. Avec l’armure
intégrale, qui allie plusieurs matériaux pour obtenir une protection optimale, il y a encore des
problèmes au niveau du poids. Les scientifiques cherchent encore des moyens pour obtenir
des matériaux de plus en plus résistant et légers. C’est avec ces objectifs et aussi dans celui
d’améliorer les matériaux existants que des recherches sont faites sur la soie d’araignée et les
nanotechnologies.
Gilet pare-balle
24
Annexes :
Définitions :
L’aramide :
Un aramide est le nom pour un matériel synthétique de haute résistance et fortement durable.
Les aramides sont dérivés d'un polyamide mais ils possèdent une structure aromatique
d'anneau. Il est compromis d'un polyamide en lequel au moins 85% des liens amide (- CO-NH
-) sont directement attachés entre deux anneaux aromatiques. Ceci crée un matériel qui est très
fort et résistant à la chaleur.
Il existe trois types :
Type
Densité
g/cm3
Module d’Elasticité
(GPa)
Allongement extensible (%)
83
Résistan
ce à la
traction
(GPA)
3.6
Kevlar 29
(hightoughness)
Kevlar 49
(highmodulus)
Kevlar 149
(ultra-highmodulus)
1.44
1.44
131
3.6 -4.1
2.8
1.47
186
3.4
2.0
4.0
Définition du benzène : C6H6
Une molécule de benzène est en forme d'hexagonal avec 3
ensembles de liens doubles. Le benzène est très
thermodynamiquement écurie. Ceci fait subir la molécule des
réactions de substitution plutôt que des réactions d'hydrolyse.
Gilet pare-balle
25
Définition du nitrure de bore : BN
Le nitrure de bore est un matériau avancé en céramique synthétique disponible sous forme de
poudre, sous forme solide, liquide ou en aérosol. Ses propriétés uniques - capacité de chaleur
élevée et conductivité thermique exceptionnelle facilitant l'usinage avec une résistance
diélectrique supérieure - font du nitrure de bore un matériau véritablement exceptionnel.
Sous sa forme solide, la nitrure de bore peut être facilement usiné en respectant les tolérances
dans pratiquement toutes les formes. Après usinage, la pièce peut être utilisée sans traitement
thermique ou opération de cuisson additionnelle.
Dans des atmosphères inertes et réductrices, le nitrure de bore résistera à des températures
supérieures à 2000 °C. Il n'est pas mouillé par la plupart des métaux fondus et des scories et
peut donc être utilisé comme récipient pour la plupart des métaux fondus, notamment
l'aluminium, la cryolithe, le sodium, le fer, l'acier, le silicium, le bore, le germanium d'étain et
le cuivre.
Définition du nitrure de silicium : Si3N4
Il s'agit d'un matériau dur qui a une bonne résistance à l'usure et à l'abrasion. Il garde sa
résistance mécanique et à l'oxydation aux températures élevées. Les applications pour la
poudre se trouvent dans l'isolation réfractaire et comme matériau de remplissage des
plaquettes de frein à disques pour l'aviation.
Définition du poly-para-phénylène téréphtalamide : Poly aramide (Kevlar, Twaron)
Polymère totalement aromatique, infusible, qui peut être décrit au sens strict, bien qu'il en soit
rarement le cas, comme un nylon T,T. Fabriqué uniquement comme une fibre (par filage en
solution), il a une très grande stabilité thermique ainsi qu'une bonne résistance aux
températures et à la combustion. A l'inverse de son isomère chimique, Nomex®, ses
propriétés élastiques sont supérieures à celles des fibres textiles normales, ceci étant dû au
degré élevé d'orientation moléculaire provenant de ses molécules linéaires rigides et de leur
propension à former des cristaux liquides dans la solution de filage. Ces fibres ont en commun
avec le nombre limité d'autres matériaux fortement orientés, un (bas) coefficient négatif
d'allongement thermique dans la direction de l'axe. (Pour des informations complémentaires
sur le comportement du cristal liquide, se reporter à la description générale du Vectra/ES31.)
Ils sont très largement utilisés dans les composites plus légers que ceux basés sur les fibres de
carbone et électriquement isolant. Leurs propriétés mécaniques sont généralement inférieures.
Ils ont, plus spécifiquement encore, une résistance mécanique à la torsion avoisinant celle des
composites en fibres de carbone, mais possèdent par contre une résistance sous compression
plutôt faible.
En plus des composites, les utilisations comprennent les vêtements de protection, les gilets
pare-balles, les produits de frottement, renforcement élastomère (comme les tuyaux et les
ceintures de sécurité), les câbles et cordes et, comme tissus très résistants avec un coefficient
de conversion élevé, les toiles à voile très performante.
Gilet pare-balle
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Définition d’une liaison ester :
Liaison entre un groupe alcool (-OH) et un groupe acide carboxylique (-COOH), formée par
élimination d'une molécule d'eau (H2O).
Définition d’un groupe alcool :
Groupe alcool (-OH) ou molécule comportant un ou plusieurs groupes alcool, tel le méthanol
(CH3-OH) ou le glycérol (C3H5-(OH)3) qui est un trialcool.
Définition du Plexyglas :
C’est un thermoplastique. Les thermoplastiques se déforment et sont façonnables sous l'action
de la chaleur, gardant cette forme en refroidissant. Cette propriété permet leur recyclage : les
objets sont broyés et refondus pour en élaborer d'autres.
Définition du vinylester :
Principalement utilisé dans les matrices, Les résines vinylester sont surtout utilisée pour des
applications où les résines polyester ne sont pas suffisantes. Elle est issue d'une modification
d'une résine époxyde et est excellente pour des applications de résistance chimique.
Définition du polyéthylène :
Le polyéthylène ou polythène est un des polymères les plus simples et les moins chers. C'est
un plastique inerte.
Son nom vient du fait qu'il est le polymère obtenu par la polymérisation des monomères
d'éthylène (CH2 = CH2) en une structure complexe de formule générique :
− (CH2 − CH2)n −
Gilet pare-balle
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Sources :
http://www.surplusandadventure.com/shop/home/product-information/ballistic-vest-bodyarmour.html
http://science.howstuffworks.com/body-armor2.htm
http://science.howstuffworks.com/framed.htm?parent=bodyarmor.htm&url=http://www.swri.edu/3pubs/ttoday/spring98/bullet.htm
http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/7038686.stm
http://inventors.about.com/library/inventors/blforensic3.htm
http://inventors.about.com/library/inventors/blkevlar.htm
http://www.virtualsciencefair.org/2004/clar4c0/public_html/fr/intro.html (informations sur le
kevlar – Thèse)
http://www.virtualsciencefair.org/2004/clar4c0/public_html/fr/proprietes.html (informations
sur l’aramide)
http://www.virtualsciencefair.org/2004/clar4c0/public_html/fr/Benzenefrench.html
(informations sur le benzene)
http://www.nlectc.org/testing/bodyarmor.html (source de lien)
http://www.freepatentsonline.com/
([email protected] / chocolat)
http://www.globalsecurity.org/military/systems/ground/interceptor.htm
Technologie des composites (2e édition), Maurice Reyne, éditions HERMES, 02-1998
http://www.cours.polymtl.ca/mec6306/Resines%20vinylesters.pdf (informations sur le
vinylester)
http://www.cours.polymtl.ca/mec6306/Fibres-aramide.pdf (informations sur l’aramide)
http://www.final-materials.com (définitions)
http://www.goodfellow.com (défintions)
http://www.futura-sciences.com (définitions)
Gilet pare-balle
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