Sous la surface : Explorer les matériaux de plaque de blindage dur

Sep 20, 2023

Dans notre article précédent, nous avons examiné les cotes des plaques de blindage dur, en explorant les "niveaux" de protection offerts par les plaques de gilets pare-balles tels que définis par le NIJ et d'autres organisations de normalisation. Notre objectif était de fournir une compréhension plus claire des plaques de blindage dans ce contexte. Cependant, comme l'a révélé ce post précédent, ces "niveaux" sont arbitraires, avec de nombreuses plaques tombant en dessous, entre ou au-dessus d'eux. (c'est-à-dire chaque plaque avec un "plus" dans sa description. III+, IIIA+, IV+…)

Pour vraiment appréhender les caractéristiques de performance d'une plaque de blindage, la simple connaissance de son niveau assigné est insuffisante. Même une compréhension superficielle nécessite une certaine connaissance des matériaux utilisés dans la construction de cette plaque.

Dans cet esprit, donnons un aperçu des matériaux des plaques de blindage et de leurs caractéristiques de performance.

Trois matériaux céramiques sont couramment employés dans les plaques de blindage dur : l'alumine, le carbure de silicium et le carbure de bore.

Le tableau ci-dessous présente les propriétés moyennes des grades commerciaux pour chaque matériau, y compris AD85 et RBB4C comme variantes courantes :

Dans le tableau ci-dessus, la "performance" est évaluée sur une base pondérale. Par exemple, le carbure de silicium pressé à chaud (SiC) et le carbure de bore lié par réaction (RBB4C) démontrent une efficacité comparable contre les menaces AP à noyau d'acier à poids égaux. Cela signifie que nous comparons une dalle SiC de 8 mm d'épaisseur à une dalle RBB4C d'environ 9,3 mm d'épaisseur.

La question de savoir comment les propriétés mécaniques, telles que la dureté et la résistance à la compression, se traduisent par des performances balistiques est toujours en suspens. Nous allons le laisser de côté pour le moment.

Alumine présente généralement le rapport performances/poids le plus faible en raison de sa densité élevée. Néanmoins, l'alumine est de loin le matériau de blindage en céramique le plus répandu dans les plaques destinées aux marchés civils et des forces de l'ordre. En effet, il s'agit d'un matériau efficace et fiable, largement disponible, facile à façonner dans des formes complexes et, surtout, très abordable. En moyenne, le coût d'un fabricant pour une face de frappe en alumine 10 × 12 ″ sur une plaque de niveau IV est d'environ 20 $. L'alumine présente également d'excellentes performances multi-coups par rapport aux matériaux à base de SiC et de B4C, ce qui facilite considérablement la conformité aux spécifications telles que NIJ 0101.06 niveau III, où six coups par plaque sont nécessaires.

L'alumine est un matériau céramique économique et largement utilisé qui permet d'obtenir des plaques fiables, quoique plus lourdes. Ces plaques présentent souvent de bonnes caractéristiques multi-coups.

Carbure de silicium (SiC) offre l'équilibre le plus favorable entre prix et performances pour la plus large gamme de menaces. Il est considérablement plus léger que l'alumine et démontre des performances supérieures contre toutes les menaces. Bien qu'il soit légèrement plus lourd que le carbure de bore et légèrement moins performant contre les menaces à base de billes et d'acier, il compense par de meilleures performances multi-coups et une efficacité considérablement améliorée contre les menaces à base de carbure de tungstène.

Les variantes SiC élargissent sa gamme d'applications. Par exemple : (1) Le SiC lié par réaction surpasse l'alumine contre toutes les menaces et n'est que légèrement plus cher que l'alumine de pureté 99 %+. (2) Les nouveaux composites SiC-TiB2, tels qu'utilisés dans la plaque Adept Armor Colossus, rivalisent avec le B4C sur une base performance-poids contre les menaces à noyau d'acier et surpassent facilement le B4C contre les menaces à noyau de carbure de tungstène. (3) Au cours des dernières années, la recherche a suscité un intérêt considérable pour les composites SiC-diamant, qui pourraient offrir des performances encore améliorées.

En tant que meilleur interprète, le SiC est devenu aujourd'hui le matériau de prédilection pour les plaques AP de qualité militaire et devrait conserver cette position dans un avenir prévisible, en particulier avec l'émergence récente de composites céramiques à base de SiC hautes performances.

Pressé à chaud ou frittécarbure de bore (B4C) est un matériau de niche haut de gamme. Lorsqu'il s'agit d'arrêter les menaces à noyau d'acier, il surpasse toutes les autres options par une marge significative. Cependant, plusieurs inconvénients limitent son utilisation : (1) Les matières premières en carbure de bore sont coûteuses et difficiles à traiter. (2) Le carbure de bore est moins performant que les balles AP avec des noyaux en carbure de tungstène par rapport à des densités égales de SiC ou d'alumine haut de gamme en raison du problème d'amorphisation du carbure de bore. (3) Le carbure de bore présente un comportement semblable à du verre et exceptionnellement cassant lors de l'impact, ce qui entraîne les pires performances multi-coups de sa catégorie. Pour ces raisons, il s'agit du matériau de frappe de choix pour les plaques ultra haut de gamme de niveau IV et militaires conçues pour arrêter .30-06 APM2 ou 7,62x54 mmR B32 API, mais il n'est pas fréquemment utilisé à d'autres fins.

Le carbure de bore est le matériau de choix pour les performances en un seul coup contre les menaces AP à noyau d'acier, mais son coût et ses limites intrinsèques le rendent moins adapté à d'autres rôles.

Carbure de bore lié par réaction , une variante développée pour faciliter le traitement et la densification des poudres de carbure de bore à moindre coût, est réalisée en infiltrant des préformes de carbure de bore et de poudre de carbone avec du silicium métallique fondu. Le résultat est une pièce composite dense céramique-métal ("cermet") composée de carbure de bore, de carbure de silicium produit in situ et de silicium métallique résiduel. Les propriétés mécaniques et la réponse à l'impact de ce cermet sont fortement influencées par ce dernier - la faible phase de silicium métallique.

Les performances balistiques du RBB4C contre les menaces de balle sont comparables, à peine inférieures, aux performances du carbure de bore pressé à chaud. Contre les menaces AP à noyau d'acier, il est généralement comparable au carbure de silicium. Contre les menaces avec des noyaux en carbure de tungstène, c'est tout en bas du peloton. Compte tenu du coût assez élevé du RBB4C - nettement supérieur au coût d'un SiC de qualité médiocre avec des performances comparables contre la plupart des menaces AP - il devient maintenant rare dans les plaques de gilets pare-balles, bien qu'il ait récemment bénéficié d'une brève période d'intérêt et de popularité.

La céramique n'est jamais utilisée comme matériau autonome dans les systèmes de blindage. Ils sont toujours soutenus par un matériau résistant - généralement un composite dérivé de fibres d'aramide, de verre ou de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé. Pour simplifier un peu les choses, la couche de céramique fracture ou abrase le projectile entrant et réduit sa vitesse ; la couche de support retient les débris de céramique et de projectile et absorbe l'énergie cinétique résiduelle.

Les propriétés des matériaux de support d'armure en céramique courants sont les suivantes :

À la fin des années 1960 et au début des années 1970, les composites de fibres d'aramide et d'UHMWPE n'existaient pas, de sorte que tous les supports d'armure en céramique étaient fabriqués avec soitfibre de verre (e-glass/s-glass) ou alliage d'aluminium. À l'époque, ces supports en fibre de verre étaient liés et renforcés par une résine phénolique, vinylester ou époxy. Peu de choses ont changé à cet égard, car ces résines sont toujours les plus populaires actuellement utilisées et la technologie de la fibre de verre n'a pas beaucoup progressé.

D'après le tableau ci-dessus, il devrait être évident que l'armure en fibre de verre a d'assez bonnes propriétés mécaniques. Il combine une résistance élevée à la traction avec une bonne ductilité - et, dans les applications balistiques, il est connu pour présenter une excellente résistance à la déformation à des taux de déformation élevés. Mais sa densité est d'environ 250 % supérieure à celle de l'UHMWPE et > 70 % supérieure à celle du Kevlar, et, comparées à ces autres matériaux à poids égal, les solutions en fibre de verre se détachent assez mal. Les meilleures qualités d'UHMWPE ont une résistance spécifique (résistance par unité de poids) > 3 fois plus élevée que les meilleures qualités de fibre de verre, et en effet fonctionnent à peu près beaucoup mieux sur une base de poids.

Avec une infériorité aussi flagrante, on pourrait penser que la fibre de verre serait obsolète. Mais l'aramide et l'UHMWPE sont des matériaux spécialisés de niche, alors que la fibre de verre est omniprésente dans la vie moderne et est produite en grandes quantités à des prix très bas. La fibre de verre est si peu coûteuse qu'elle a permis à toute une classe de plaques de blindage de niveau IV "économiques" qui reposent sur l'alumine et la fibre de verre dans leur construction. Les plaques de niveau IV de moins de 150 $, en règle générale, ne seraient pas possibles autrement.

En fin de compte, la fibre de verre n'est pas obsolète car c'est le seul matériau composite peu coûteux pouvant être utilisé dans les plaques de blindage en céramique, et la construction du support en fibre de verre a permis le développement de toute une classe de plaques de blindage à faible coût.

Aramide, d'autre part, est presque obsolète comme matériau de support dans les plaques de blindage dur. Il occupe une position inconfortable ; il est considérablement plus cher que la fibre de verre, ce qui le rend peu attrayant pour les plaques de blindage les moins chères qui reposent désormais sur la construction en fibre de verre ; à l'inverse, ses performances sont nettement inférieures à l'UHMWPE, de sorte que toutes les plaques de blindage hautes performances sont désormais construites avec des supports constitués uniquement ou principalement d'UHMWPE. À partir de 2023, les nouvelles plaques utilisant de l'aramide comme matériau de support sont rares. Ils seraient totalement inexistants, mais pour quelques "modèles hérités" encore en production.

UHMWPE les fibres permettent des composites avec des résistances spécifiques extraordinaires, et la résistance spécifique se traduit directement par les performances des couches de support d'armure en céramique. Beaucoup a été écrit ailleurs sur la nature de ce matériau, mais il suffit de dire que les supports UHMWPE dans les systèmes d'armure en céramique permettent les plaques les plus légères à un niveau de performance donné - bien qu'à un coût plus élevé, car les meilleures qualités d'UHMWPE sont assez chères. De plus, l'UHMWPE est généralement associé à des systèmes de résine relativement "souples" dans les pièces composites. Ainsi, pour cette raison, entre autres, les supports fabriqués à partir de composites UHMWPE peuvent se déformer et se décoller davantage que les supports en fibre de verre ou en aramide. (D'autres raisons sont liées au diamètre fin des fibres UHMWPE et à la faible épaisseur des couches UHMWPE unidirectionnelles.)

Conclusion Il y a beaucoup plus dans une plaque de blindage en céramique. Colles, résines, couches de mousse, etc. - toutes ces choses peuvent avoir un impact sur les performances de différentes manières. (Et d'autres articles seront écrits à leur sujet - et sur les plaques de tuiles en particulier - à une date ultérieure.) Mais les deux principaux composants d'une plaque de blindage en céramique sont la céramique et son support, et, si nous supposons que tout le reste est moyen ou nominal, il est possible, à partir des seules informations ci-dessus, de voir comment différentes combinaisons de céramiques et de matériaux de support s'empilent.

Un mode d'échec particulier des ingénieurs est lorsqu'ils tombent amoureux d'un matériau et ne peuvent plus l'évaluer objectivement. Dans la construction de plaques de blindage en céramique, le choix des matériaux dépend uniquement des exigences. Si vous voulez la plaque la plus légère possible, vous chercherez la construction B4C + UHMWPE - à moins que vous n'ayez besoin de votre plaque pour battre une menace à noyau de carbure de tungstène, auquel cas vous vous tournerez vers SiC au lieu de B4C - ou à moins que vous ayez besoin de votre plaque pour battre une exigence de six coups multiples, auquel cas même l'alumine 99% + pourrait valoir la peine d'être envisagée. De même, la fibre de verre n'est pas entièrement obsolète si elle permet des plaques à un prix qui serait autrement impossible, ou si vous avez besoin de construire une plaque classée AP qui est conforme aux exigences de déformation de la face arrière extrêmement faibles (inférieures à 25 mm). Même avec une compréhension simplifiée de la performance des matériaux, vous pouvez construire un modèle de la façon dont vos propres plaques de blindage pourraient vous servir en action, ou vous pouvez prendre la décision d'achat la plus judicieuse possible.

À propos de l'auteur : Jake Ganor est le PDG d'Adept - www.ade.pt - une société qui développe des solutions de gilets pare-balles de pointe et d'autres technologies pour améliorer les performances et la capacité de survie des soldats. Son livre, Body Armor and Light Ballistic Armor Materials and Systems, est disponible sur Amazon, où il a été le travail le plus vendu dans son créneau au cours des deux dernières années. Une deuxième édition augmentée est prévue pour fin 2023.

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