Etat de l’art des matériaux de blindage courants et des mécanismes d’absorption d’énergie associés

Télécharger le fichier original (Mémoire de fin d’études)

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. Comme illustré Figure 1.1, la rupture du matériau est ainsi initiée en surface, au niveau des bandes de cisaillement puis par éclatement de la structure en face arrière (« petaling »). L’énergie de l’impacteur est essentiellement dissipée par déformation plastique de la cible et par déformation du projectile. Figure 1.1 : Endommagement d’une cible en aluminium sous impact à 137 m.s-1 [4]
Figure 1.2 : Comparaison des performances d’un TA6V et d’un acier RHA sous impact haute vitesse [6]
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]. La Figure 1.2 présente les résultats d’essais d’impact à haute vitesse réalisés à l’aide de barres en tungstène de différents diamètres. Sont comparées les masses surfaciques pénétrées (épaisseur pénétrée en fonction de la masse surfacique du métal cible) en fonction de la vitesse d’impact, d’un TA6V et d’un acier RHA (Rolled homogeneous armour). A protection équivalente, le gain de masse apporté par le TA6V est de l’ordre de 50% par rapport à l’acier.

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.

Mécanismes d’endommagement d’un matériau céramique b) Projectile endommagé

Figure 1.3 : Schéma de l’endommagement sous impact d’un matériau céramique [7] (a) ; Débris d’une balle après un impact à 696 m.s-1 sur une épaisseur d’alumine de 14 mm [8] (b)
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. Comme cela est illustré Figure 1.4, 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.
Plusieurs études [15, 16] ont mis en évidence l’importance des paramètres physiques du complexe textile sur ses performances à l’impact. Elles ont dégagé trois aspects fondamentaux que sont l’élasticité de la structure, sa rigidité en flexion et le glissement intercouches.
Un faible module d’élasticité et une rigidité en flexion réduite permettent à la structure de se déformer lors d’un impact. Une large part de l’énergie cinétique du projectile incident est ainsi consommée et la rupture de fibres se produit plus tardivement.
Aussi, les glissements intercouches permettent de dissiper une partie de l’énergie cinétique d’impact par frottements. Par conséquent, à masse surfacique équivalente, plus le nombre de couches est important, plus l’énergie absorbée par frottements est grande. Cet effet de glissement interne est d’autant plus favorisé que les couches sont souples, élastiques et présentent un coefficient de frottement intercouches faible.
Les propriétés physiques du textile employé sont donc au moins aussi importantes que les performances mécaniques des fils qui le composent. Il est donc nécessaire de choisir la structure et la nature de fibres appropriées. Les fibres organiques les plus courantes sont les fibres d’aramide Kevlar® et Twaron®, de polyéthylène Spectra® et Dyneema®, et depuis peu de polypara-phénylène-2,6-benzobisoxazole Zylon®. Leurs performances respectives sont détaillées Paragraphe 1.3.2.2.2.

Les systèmes de blindage légers : stratégie multimatériaux

En raison des diverses fonctions que doit remplir un système de blindage, celui-ci doit être conçu dans l’esprit d’une démarche intégrée, en prenant en compte tous les facteurs susceptibles d’influencer son comportement. Le schéma Figure 1.5 présente les principaux paramètres à prendre en considération.
La résistance à l’impact des matériaux constitutifs d’un blindage n’est pas le seul critère de conception. Des paramètres environnementaux ou de fabrication sont par exemple essentiels pour le choix d’un équipement robuste et fiable. Par ailleurs, une bonne connaissance de la menace est primordiale pour concevoir de tels systèmes et pouvoir prédire leur comportement.
Les blindages légers s’appuient généralement sur un empilement de plusieurs matériaux constitutifs dont les fonctions respectives doivent conduire à l’arrêt d’un projectile incident, tout en respectant les critères de masse et d’encombrement. Ils sont très rependus dans de nombreuses applications militaires [17-22] et utilisés de manière beaucoup plus spécifique dans le domaine civil, comme par exemple pour la protection contre les éclatements moteurs [13, 23-25]. Les systèmes de blindage légers comprennent au minimum :
• Une couche dure en face avant (« strike panel ») : elle endommage et ralenti le projectile incident. Le plus souvent, il s’agit d’un matériau céramique ou d’un alliage métallique haute dureté ;
• Un panneau arrière plus ductile (« backing panel ») : il contient les débris et absorbe l’énergie résiduelle par déformation plastique. Ce dernier est généralement constitué d’un textile technique ou d’un alliage ductile.
Un exemple de blindage structural est présenté Figure 1.6. Ce système de protection a été étudié pour la protection balistique des planchers de cockpit d’Hercules C130 de la Royal Air Force. Il a démontré une bonne tenue à des impacts de calibres 7,62 mm (m = 9,33 g ; v = 840 m.s-1 ; E = 3,3 kJ). Sa masse surfacique est de 32,2 kg.m-2. La couche céramique fragmente le projectile et disperse l’énergie d’impact tandis que la couche organique à l’arrière assure l’intégrité de la précédente tout en absorbant l’énergie résiduelle. Le stratifié CFRP assure la résistance structurale du multimatériau avant et après impact. Le stratifié GFRP ne sert qu’à éviter la corrosion électrolytique de la structure métallique.
En fonction du cahier des charges, il existe de multiples solutions concernant le choix des matériaux utilisés dans les blindages légers, leur épaisseur ou encore les séquences d’empilement. Ainsi, le nombre de brevets dans la littérature est très important, même si le principe général reste souvent le même.
Les métaux sont restés pendant longtemps les matériaux essentiels des blindages militaires. Il s’agit en effet de solutions efficaces en matière d’encombrement et de coût. Cependant, du fait d’une densité élevée, ils sont de moins en moins employés. L’efficacité d’une céramique dans un blindage réside dans sa faculté à disperser l’énergie du projectile incident par la formation d’un cône d’endommagement. Or comme le montre la Figure 1.3a, le matériau sera d’autant plus performant que son épaisseur sera importante. Les céramiques, dont la densité reste élevée, impliquent donc également une augmentation non négligeable de la masse des systèmes de blindage.
Ainsi, les composites à matrice organique, qui possèdent d’excellentes propriétés mécaniques spécifiques, représentent aujourd’hui une alternative intéressante pour une utilisation au sein de blindages légers structuraux. Leur comportement sous impact est présenté dans la partie bibliographique qui suit.

Mécanismes d’absorption de l’énergie d’impact dans les composites à matrice organique

Lors d’un impact sur composite, l’énergie du projectile incident peut être consommée selon trois voies [26] : une partie peut être dissipée à travers les vibrations de la plaque, une autre peut être absorbée de manière élastique par sa flexion et pour finir, une large part est consommée par l’endommagement du matériau impacté. Lorsque la vitesse d’impact est suffisamment élevée, la résultante vibratoire de l’énergie est généralement négligeable [27]. L’énergie cinétique du projectile incident devient donc la somme de deux composantes, l’une attribuable à la flexion du panneau cible et l’autre corrélée aux différents modes d’endommagement. Ces derniers sont détaillés dans plusieurs études [28-31]. Il s’agit de la fissuration matricielle, des délaminages et des ruptures de fibres.

Flexion du panneau cible

Naik [26] a étudié le comportement sous impact basse vitesse de composites tissés. Le contact dynamique du projectile avec la cible induit tout d’abord la formation puis la propagation d’une onde transverse dans le matériau. Cette onde ajoutée au déplacement du projectile entraîne la déformation progressive de la cible, sous la forme d’un cône (Figure 1.7). Au fur et à mesure que l’onde se propage, le rayon du cône, sa profondeur et la contrainte sur les fibres augmentent. Le rayon du cône rti à un instant t correspond au niveau de propagation de l’onde. La distance parcourue par le projectile et la profondeur du cône formé zi à l’instant t sont équivalentes.
Les fibres situées dans l’axe du projectile sont appelées fibres primaires. Elles fournissent la résistance directe à la pénétration. Toutes les autres fibres à l’intérieur du cône sont les fibres secondaires. Elles absorbent une partie de l’énergie incidente par déformation élastique. Le niveau d’énergie absorbé dépend de la distribution des contraintes au sein de la fibre. Or la contrainte subie par les fibres secondaires est maximale à la pointe du cône (point A Figure 1.7), puis tend linéairement vers une valeur nulle (point B). Après déformation élastique, l’endommagement du stratifié survient au niveau des couches les plus fragilisées.

Mécanismes d’endommagement sous impact

Au cours d’un impact, la flexion globale du panneau engendre un champ de contraintes de traction important sur la face opposée à l’impact. De plus, le projectile génère un effort de cisaillement susceptible d’entraîner un poinçonnement local du matériau en face d’impact. Ces deux types de sollicitations sont responsables de l’endommagement du stratifié.
Il est possible de classer chronologiquement les mécanismes d’endommagement pouvant conduire à la ruine de la structure, ceux-ci étant la fissuration matricielle, les délaminages et les ruptures de fibres.

Microfissuration matricielle

Différents travaux [32, 33] accordent un rôle précurseur à l’endommagement matriciel lors d’un impact sur composite stratifié. Celui-ci prend souvent la forme de fissurations mais aussi de décohésions entre les fibres et la matrice. Il est possible de distinguer deux types de fissurations :
• Les premières fissures sont dues au cisaillement transverse et apparaissent dans les premiers plis, à une certaine distance de la zone impactée (Figure 1.8a). Elles sont inclinées à 45°et se propagent dans la direction des fibres ;
• Les secondes fissurations sont dues à la flexion de la plaque, elles sont verticales et apparaissent sous le projectile, dans le pli le plus éloigné de l’impact (Figure 1.8b).
Dans un deuxième temps, un cisaillement important en modes I et II (Figure 1.9) induit par la flexion du stratifié provoque la propagation des fissures dans les plis [34]. La croissance des fissures continue ainsi jusqu’à ce que celles-ci atteignent une interface fibre/matrice. Si la contrainte à l’extrémité d’une fissure est suffisamment importante, elle peut provoquer la rupture de la fibre. La fissure est aussi susceptible de se développer en s’ouvrant le long de la fibre et de provoquer la formation de délaminages.
a) Fissuration en cisaillement
b) Fissuration en flexion

Délaminages

La présence de fissures entre deux plis consécutifs d’orientation différente peut conduire au développement de délaminages. Ces derniers résultent de la différence de rigidité en flexion des plis adjacents. De nombreux travaux réalisés à l’ICA [21, 31, 36, 37] ont permis de démontrer qu’un impact à basse vitesse sur un stratifié renforcé par des nappes conduisait à la formation de délaminages de morphologie très originale. L’endommagement est centré sur le point d’impact et les délaminages occasionnés décrivent à chaque interface une paire de triangles jumeaux (Figure 1.10). La surface délaminée augmente à chaque interface, depuis la face impactée vers la face opposée à l’impact, sous la forme d’une double-hélice.

Table des matières

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 oeuvre des préimprégnés thermodurcissables par autoclave
2.2.3. Mise en oeuvre des préimprégnés thermoplastiques sous presse chauffante
2.2.4. Mise en oeuvre 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
6. Essais d’impact à haute vitesse sur combinaisons de matériaux composites multifonctionnelles
6.1. Multimatériaux testés et scénarii d’absorption d’énergie visés
6.2. Essais d’impact sur combinaisons de matériaux composites multifonctionnelles à 170 m.s-1 (0,9 kJ)
6.3. Essais d’impact sur combinaisons de matériaux composites multifonctionnelles à 250 m.s-1 (2,5 kJ)
6.4. Synthèse et discussion
Conclusions générales et perspectives
Annexes
Table des figures
Liste des tableaux
Bibliographie