Généralités sur l’impact et solutions de blindage courantes

Généralités sur l’impact et solutions de blindage courantes

Classification de l’impact 

Un impact est généralement caractérisé par sa vitesse. Il peut être classé selon trois catégories : les impacts à basse vitesse, les impacts à haute vitesse et les impacts hyper véloces.
♦ Un impact à basse vitesse est défini comme un impact pour lequel la période de contact du projectile avec la cible est supérieure à la période du mode de vibration le plus bas. A basse vitesse d’impact, les conditions aux limites sont cruciales car l’onde de choc générée au niveau du point d’impact a le temps de se propager jusqu’aux bords de la structure, causant une réponse pleinement vibratoire.
♦ Un impact à haute vitesse est défini comme un impact pour lequel le temps de contact de l’impacteur avec la cible est inférieur à la période du plus petit mode de vibration de la structure. La réponse de la cible est généralement indépendante des conditions aux limites et est essentiellement gouvernée par le comportement local du matériau au voisinage de la zone impactée.
♦ Lors d’un impact hyper véloce, la vitesse du projectile est tellement élevée que la contrainte induite lors de l’impact dépasse largement la résistance du matériau cible. Ce dernier est liquéfié localement.

La problématique de l’étude a orienté la recherche bibliographique sur les impacts à basses et à hautes vitesses.

Solutions de blindage courantes

Les systèmes de blindage sont utilisés pour assurer l’intégrité des structures et des individus lorsqu’il existe un risque potentiel de perforation par un projectile incident. Différents critères de choix tels que leur masse, leur coût, le type de menace et l’environnement d’emploi ont conduit à utiliser divers types de matériaux, les principales catégories étant les alliages métalliques, les céramiques et les textiles techniques hautes performances.

Matériaux métalliques

Les matériaux métalliques sont largement utilisés pour le blindage des véhicules militaires. Ils ont pour avantages leur prix attractif, leur facilité de fabrication, leur durabilité et leur capacité à absorber des impacts multiples. L’endommagement sous impact d’une structure métallique a été décrit dans plusieurs études [3-5]. Celui-ci peut être dissocié en deux étapes. Dans la première, une quantité d’énergie est dissipée par compression et cisaillement adiabatique de la cible à la périphérie de l’impacteur (« plugging »). Dans la deuxième étape, l’anneau métallique subit un effort de flexion important.

Le métal impacté doit donc être suffisamment dur pour endommager significativement le projectile. Mais il doit par ailleurs être assez ductile pour résister à une rupture prématurée. Il est donc nécessaire d’utiliser des matériaux qui possèdent un bon compromis entre résistance et ductilité. Ainsi, les blindages métalliques sont généralement constitués d’aciers, d’alliages d’aluminium ou encore d’alliages de titane. Ces derniers sont aujourd’hui les plus utilisés pour la protection des structures d’avions. D’une part parce que la densité des aciers reste élevée (Annexe A.1) et que la faible tenue à la corrosion des alliages d’aluminium peut être problématique pour des utilisations en environnements sévères. D’autre part car la résistance spécifique à l’impact du titane est nettement supérieure [6].

Matériaux céramiques

L’utilisation des céramiques est très courante dans les systèmes de blindage actuels. Du fait de leur haute dureté et de leur très grande limite à la rupture en compression, elles se prêtent aisément à l’éclatement de projectiles lancés à grande vitesse.

Les modes d’endommagement sous impact des céramiques sont schématisés Figure 1.3a. Grâce au très haut niveau de dureté du matériau, le projectile est d’abord brisé en une multitude de petits fragments qui s’érodent ensuite au contact de la céramique (Figure 1.3b). Cette dernière subit quant à elle une onde de compression qui s’initie en surface et se propage radialement par rapport au point d’impact. Cette onde engendre la formation de fissures qui se propagent sous la forme d’un cône d’endommagement [7]. Elle traverse ainsi la céramique et une partie est réfléchie sur la face opposée. Une onde de traction est alors générée et entraîne d’abord la formation d’un réseau de fissures radiales en face arrière, puis la croissance des fissures initialement formées en face d’impact. Survient alors un éclatement de la céramique parallèlement à la surface impactée.

Le processus de rupture de la céramique ne consomme qu’une part minime de l’énergie d’impact [4]. La majeure partie de l’énergie est dépensée par la déformation du projectile et par l’éjection des débris de céramique.

Du fait de leur fragilité, les céramiques sont souvent couplées à un panneau arrière ductile afin d’éviter la dispersion de leurs fragments dans l’environnement et d’absorber l’énergie résiduelle de l’impacteur par déformation plastique.

Les paramètres qui régissent le choix d’un matériau céramique de blindage sont sa dureté, qui gouverne le niveau de fragmentation du projectile et donc le niveau d’énergie dispersée [8, 9], et leur densité. Ainsi, les principales céramiques utilisées sont l’alumine, les carbures de silicium et de bore, et le diborure de titane. Le carbure de bore est le matériau céramique le plus présent dans les systèmes de blindages légers. Il est en effet le troisième matériau le plus dur après le diamant et le nitrure de bore cubique (Annexe A.2). Le B4C est par exemple utilisé pour la protection des sièges de l’hélicoptère de combat Cobra depuis les années 1960.

Textiles techniques hautes performances

Les blindages légers sont souvent constitués d’empilements de textiles polymères hautes performances [10-13]. On parle de matériaux composites souples si le matériau final comporte une enduction, ou bien de complexes textiles s’il est composé de mailles, de tissés et de non-tissés assemblés entre eux mécaniquement. Dans tous les cas, ces complexes sont connus sous le terme générique de « textiles techniques ». Ce type de produits, minces et légers, apportent une protection contre les menaces multiples, depuis l’attaque au couteau jusqu’aux impacts balistiques. Les textiles techniques représentent des solutions extrêmement efficaces pour des densités minimes.  ils agissent en absorbant l’énergie cinétique du projectile à la manière d’un filet. Les premières couches, surtout sollicitées en cisaillement, sont perforées au moment de l’impact. Les couches arrières fléchissent ensuite sous l’impulsion et sont progressivement sollicitées en traction. Le projectile a généralement tendance à se déformer sous les contraintes mécaniques auxquelles il est soumis.

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Table des matières

Introduction
Contexte et problématique
1. Etat de l’art des matériaux de blindage courants et des mécanismes d’absorption d’énergie associés
1.1. Généralités sur l’impact et solutions de blindage courantes
1.1.1. Classification de l’impact
1.1.2. Solutions de blindage courantes
1.2. Mécanismes d’absorption de l’énergie d’impact dans les composites à matrice organique
1.2.1. Flexion du panneau cible
1.2.2. Mécanismes d’endommagement sous impact
1.3. Paramètres gouvernant le comportement sous impact des composites à matrice organique
1.3.1. Influence des caractéristiques de l’impact
1.3.2. Influence des caractéristiques du composite impacté
1.4. Conclusions bibliographiques
2. Moyens d’essais et élaboration des matériaux
2.1. Moyens d’essais d’impact
2.1.1. Essai d’impact poids tombant
2.1.2. Essai de résilience Charpy
2.1.3. Essai d’impact au canon à gaz comprimé
2.2. Elaboration des matériaux
2.2.1. Choix de la séquence de drapage
2.2.2. Mise en œuvre des préimprégnés thermodurcissables par autoclave
2.2.3. Mise en oeuvre des préimprégnés thermoplastiques sous presse chauffante
2.2.4. Mise en œuvre de tissus poudrés et de systèmes film stacking par thermocompression rapide
2.3. Conclusions sur les moyens expérimentaux
3. Etude du comportement à l’impact de composites à matrice organique renforcés par des fibres de carbone
3.1. Matériaux et paramètres étudiés
3.1.1. Matériaux
3.1.2. Paramètres étudiés
3.2. Résultats des essais d’impact
3.2.1. Essai d’impact poids tombant
3.2.2. Essai de résilience Charpy
3.2.3. Essai d’impact au canon à gaz comprimé
3.3. Conclusions sur le comportement à l’impact des composites à renforts carbone
4. Evaluation de différentes solutions de blindage composite à matrice PEEK
4.1. Matériaux et paramètres étudiés
4.1.1. Matériaux
4.1.2. Paramètres étudiés
4.2. Etude comparative du comportement sous impact basse vitesse
4.2.1. Influence de la nature des fibres de composites tissés à matrice PEEK
4.2.2. Influence de la contexture de composites renforcés par des fibres de basalte
4.2.3. Influence du taux de porosité intra-mèche
4.3. Etude comparative du comportement sous impact haute vitesse
4.3.1. Influence de la nature des fibres de composites tissés à matrice PEEK
4.3.2. Influence du taux de porosité intra-mèche
4.4. Conclusions sur les différentes solutions de blindage composite à matrice PEEK
5. Etude des voies d’optimisation de diverses solutions de blindage composite
5.1. Influence de la porosité inter-plis sur le comportement à l’impact des composites stratifiés
5.1.1. Fabrication des matériaux et introduction des porosités
5.1.2. Effets de la porosité inter-plis sur le comportement à l’impact de composites renforcés de tissus de basalte
5.1.3. Effets de la porosité inter-plis sur le comportement à l’impact de composites renforcés de plis UD de carbone
5.1.4. Influence de la porosité inter-plis dans un composite T700/M21
5.2. Influence de la présence d’éléments aux inter-plis sur le comportement à l’impact de composites renforcés de tissus de basalte
5.2.1. Fabrication de composites avec éléments d’inter-plis
5.2.2. Effets des différents éléments d’inter-plis sur le comportement à l’impact du stratifié
5.3. Conclusions sur les voies d’optimisation de solutions de blindage composite
Conclusion

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