Brevet FR2494832A1 — publié le 19820528

La présente invention concerne un blindage à structure multidirectionnnelle. Plus précisément, la présente invention concerne un nouveau mode de réalisation de blindages, de boucliers ou d'écrans de protection destinés à protéger du matériel fixe ou mobile ou du personnel contre, notamment, des projectiles de combat tels que des balles ou des obus inertes ou explosifs, et en particulier ceux du type à "charge creuse", soit des éclats provenant de tels pro- jectiles ou d'obstacles atteints par de tels projectiles, soit d'éclats provenant d'autres engins explosifs tels que grenades, mines ou torpilles ou de la rupture d'appa- reils sous pression. L'invention concerne aussi la pro- tection du matériel et du personnel contre les effets mé- caniques et physiques d'explosions d'origine pyrotechni- que ou nucléaire, tels que souffle, onde de choc, flash X, rayonnement 9, flux de neutrons, etc. Un moyen de protection bien connu consiste à uti- liser un bouclier fait d'une matière dense et présentant une haute ténacité telle que l'acier massif. C'est le cas par exemple des plaques de blindage utilisées couramment pour la protection des chars d'assaut, des bateaux cuiras- sés ou d'installations fixes. De tels blindages de type purement passif s'opposent à la pénétration des projecti- les par leur grande inertie et dissipent l'essentiel de leur énergie cinétique par déformation plastique. L'efficacité de ce type de blindage dépend de son épaisseur. Celle-ci doit être d'autant plus grande que le projectile à arrêter est plus lourd mais surtout que sa vitesse est plus élevée. Les cas les plus sévères connus actuellement sont constitués par les jets de métal projetés par les armes à charges creuses dont la vitesse peut atteindre 10.000 mètres par seconde et par les pro- jectiles inertes dits "A énergie cinétique" ou "flèches" dont la vitesse peut atteindre 2.000 mètrespar seconde. On sait par exemple qu'une arme antichar moderne dont le projectile à charge creuse a un diamètre de 105 mm est capable de perforer un blindage en acier massif de 60 cm d'épaisseur. Pour protéger efficacement un char d'assaut contre ce type d'arme, il faudrait le munir d'une telle masse de blindage inerte qu'il ne serait plus en mesure de se mouvoir. Différentes solutions ont été proposées pour ac- croitre l'efficacité des blindages tout en leur conser- vant une masse et un encombrement compatibles avec la capacité de transport du véhicule à protéger. Pour les blindages devant arrêter les projectiles les plus efficaces, tels que ceux des armes antichar mo- dernes, il a été proposé-de fractionner la masse du blin- dage en une pluralité de feuillets superposés et indépen- dants, à combiner au sein d'un même blindage plusieurs nuances de métal tels qu'aciers et alliages légers et éventuellement à intercaler entre ces feuillets métalli- ques une ou plusieurs matières présentant des propriétés physiques et mécaniques différentes de celles des métaux telles que par exemple des matières céramiques ou des ma- tières plastiques. Dans le cas de boucliers plus spécialement desti- nés à arrêter des projectiles inertes de calibre relative- ment faible, tels que les balles de pistolets, de fusils, de mitrailleuses ou les éclats divers, il est connu d'u- tiliser principalement un matériau composite de type stra- tifié formé de couches superposées de tissus à base de fibres naturelles ou synthétiques à haute ténacité, ces couches de tissu étant imprégnées et liées entre elles par une résine de type thermodurcissable. L'efficacité de tels boucliers provient de leur aptitude à dissiper l'é- nergie cinétique du projectile par suite de la destrati- fication du composite dans une zone étendue autour du point d'impact. Certaines versions de tels boucliers sont revêtues en surface de plaques en matière céramique den- se telle que de l'alumine frittée qui a pour effet d'é- mousser la pointe du projectile, éventuellement de provo- quer sa rupture et ainsi de réduire son pouvoir de péné- tration. De tels boucliers sont utilisés par exemple pour la protection des pilotes d'avions ou d'hélicoptères. Ils sont alors intégrés dans le siège du poste de pilotage. Enfin, on connaît un autre type de bouclier de protection destiné à la protection individuelle du per- sonnel et connu sous le nom de "gilet pare-balles". Celui- ci doit être suffisamment léger et souple pour ne pas en- traver les mouvements de celui qui le porte. Un des modè- les les plus récents et les plus performants est consti- tué essentiellement par un tissu très épais et compact à structure tridirectionnelle et confectionné à partir d'une fibre textile à très haute ténacité. Ce tissu est norma- lement utilisé'tel que sans aucune imprégnation. La présente invention apour objet de fournir un blindage susceptible d'être utilisé aussi bien pour la protection des installations fixes ou des véhicules contre des agressions de toutes natures dont ils peuvent être l'objet, et spécia- lecent les armes antichar, que pour la protection individuelle contre les armes à feu légères ou les éclats divers. Ce but est atteint par un blindage qui, confor- mément à l'invention, est constitué au moins en partie par une structure multid i r e c t i o n n e 1 1 e formée par des éléments rigides sensiblement rectilignes orientés suivant au moins trois directions différentes et s'entre- croisant de façon régulière, les directions des éléments n'étant pas toutes parallèles à un même plan et faisant entre elles des angles compris entre 30 et 900. Par entrecroisement régulier, on entend ici une disposition relativement régulière dans l'espace des élé- ments de même orientation et une répartition relativement régulière dans la structure entre les éléments des diver- ses orientations. De préférence, ladite structure est compacte, C'est-à-dire que le rapport entre le volume occupé par les éléments et le volume apparent de la structure est aussi élevé que possible pour des éléments de formes, de dimensions et d'orientations données. Suivant un mode de réalisation particulier pré- féré de l'invention, la structure multidirectionnelle est formée par des éléments rigides rectilignes orientés suivant quatre directions différentes. Les éléments peuvent avoir une section transver- sale de forme quelconque. Toutefois, cette forme est gé- néralement circulaire ou polygonale. Le diamètre de la section transversale des élé- ments ou du cercle circonscrit à cette section peut va- rier selon l'utilisation envisagée pour le blindage et selon la nature du matériau constitutif des éléments. En règle générale, ce diamètre est compris entre quelques dixièmes de millimètres et plusieurs centimètres, par exemple environ entre 0,5 mm et 5 cm. Dans le sens de la longueur, la forme et les di- mensions de la section transversale des éléments peuvent être constantes ou variables. Les éléments peuvent être des tiges ou barres pleines. Il est possible aussi d'utiliser des éléments tu- bulaires qui peuvent être vides ou remplis d'une matière différente, éventuellement d'une matière active. Par ma- tière active, on entend une matière susceptible de réagir violemment soit seule, tel qu'un explosif, soit avec un autre produit constitutif du blindage ou provenant d'un projectile reçu par le blindage. Des coebinaisons possibles sont par exoeple les couples nitrate d'ammoniummagnésium ou péroxyde d'azote-titane. Le matériau constitutif des éléments de la struc- ture est choisi en fonction de la destination du blindage. Il pourra s'agir d'un métal, tel que l'acier, le tungs- tène,.., d'une céramique, d'un verre, de bois, d'une matière plastique, d'un matériau composite, d'une matiè- re active telle que définie plus haut,..... Pour réaliser le blindage, on pourra utiliser la structure telle quelle. La cohésion de la structure est alors assurée par la fixation sur un support en for- me de plaque ou de feuille des extrémités des éléments définissant la face de la structure adjacente à ce sup- port, ou par la liaison des éléments entre eux au niveau de leurs entrecroisements. Cette liaison peut être réali- sée au moyen d'un adhésif, par exemple par immersion de la structure dans une résine polymérisable, retrait de la structure et égouttage avant polymérisation de celle-ci. La structure peut aussi être associée à une ma- tière de remplissage, ou matrice, qui remplit les espaces entre les éléments de la structure. Cette matière de rem- plissage est par exemple du métal, de la céramique, du verre, du ciment, une matière plastique ou caoutchouteuse, une matière composite ou une matière active. Pour un même blindage, on pourra utiliser diffé- rentes matières pour réaliser les éléments de la structu- re ou la matrice éventuelle, les éléments pouvant avoir des formes et dimensions différentes dans différentes parties du blindage. Ces variations de matières, formes ou dimensions peuvent être réalisées de façon uniforme ou non, par exemple d'une face à l'autre du blindage. Ainsi, un blindage peut être constitué par plusieurs couches comportant des structures différentes. On peut encore envisager d'alterner, dans un blindage, des couches comportant une structure multidi- rectionnelle conformément à l'invention et des couches réalisées d'une autre façon, par exemple des plaques mas- sives conventionnelles. Comme indiqué plus haut, dans la forme de réali- sation préférée de l'invention, la structure multidirec- tionnelle constituant la base du blindage est formée par l'entrecroisement régulier et compact de quatre fais- ceaux d'éléments rectilignes orientés suivant quatre di- rections de l'espace. On pourra adopter pour les éléments une disposition mutuelle identique à celle des éléments consitutant la structure de renforcement pour matériaux composites décrite dans le brevet français n0 74 24243. Cette structure est communément désignée 4D. Dans la structure 4D, lorsqu'elle est réalisée sous sa forme équilibrée, les quatre directions sont orientées comme les quatre grandes diagonales d'un cube en sorte que chacune des directions fait un angle de 700 1/2 avec chacune des trois autres. Cette préférence pour la structure 4D ne doit pas être considérée comme exclusive. La structure multi- directionnelle faite d'éléments rigides constituant la base du blindage peut être une structure ne comportant que trois faisceaux d'éléments et connue sous le nom de 3D, ou une structure comportant plus de quatre faisceaux d'éléments telle que celle définie dans la demande de bre- vet français n0 78 13.415 et son certificat d'addition 78 34953, ou dans la demande de brevet français n0 78 16610,ou une struc- ture dérivée de la structure 4D par incurvation progres- sive de l'orientation des éléments telle que celle décri- te dans le brevet français n0 78 09103. Dans chaque cas, la structure est formée par un entrecroisement régulier d'éléments rigide sensiblement rectilignes. Les exemples qui vont suivre illustrent de façon non limitative diverses formes de réalisation d'un blin- dage conforme à l'invention. On se référera aux figures 1 à 3 qui illustrent un mode de réalisation d'une structure multidirectionnelle pour un blindage conforme à l'invention et-deux disposi- tions de cette structure pour essais. EXEMPLE 1 Le blindage est réalisé au moyen de la-structure 4D équilibrée 10 illustrée par la figure 1. Cette structure est formée de tiges 1, 2, 3, 4 orientées parallèlement aux quatre grandes diagonales d'un cube. Les tiges d'o- rientations différentes font entre elles des angles égaux à.70 1/2. Cette structure 4D équilibrée et compacte a été réalisée au moyen de tiges métalliques à section circu- laire de 2 mm de diamètre en acier Stub. Elle avait une masse volumique de 5.300 kg/m 3. Cette structure a été soumise telle quelle, c'est-à-dire sans matrice, à un es- sai de perforation par une charge creuse pour évaluer son efficacité par rapport à un blindage classique constitué d'acier massif dont la masse volumique est égale à 7.800 kg/m L'essai de perforation consiste à soumettre le blindage à tester à une attaque perpendiculairement à sa surface par une charge creuse d'un calibre de 62 mm dont la face frontale est située à 12,4 cm de la surface du blindage. Dans ces conditions l'acier massif est perforé sur une profondeur de 40 cm. Pour cet essai, la structure 4D dont l'épaisseur n'était que de 5czm était placée devant un bloc d'acier 20 (fig. massif destiné-A mesurer l'énergie résiduelle du jet de métal provenant de la charge creuse/en cas de perforation complète de la structure 4D. L'orientation de la structu- re était telle que les directions de deux des quatre fais- ceaux de tiges métalliques étaient parallèles à la surfa- ce exposée à la charge creuse, les directions des deux autres faisceaux faisant des angles de 54 3/4 par rap- port à cette surface. Après tir, la structure 4D était complètement perforée ainsi que le bloc d'acier massif sur une profon- deur de 23,5 cm. Ce résultat montre que les 5 cm de blin- dage à structure 4D ont eu un effet équivalent à 16,5 cm d'acier massif et qu'en conséquence ce blindage permet un gain d'épaisseur de 70 % par rapport à l'acier massif et, compte-tenu de sa plus faible masse volumique, un gain de masse surfacique de 79 %. La masse surfacique d'un blindage est le rapport entre sa masse volumique et son épaisseur ou, ce qui revient au même, c'est la masse de blindage nécessaire par unité de surface pour assurer la protection. EXEMPLE 2 Une structure 4D équilibrée et compacte a été réalisée au moyen de barres à section circulaire de 8 mm de diamètre en acier doux. Elle avait une masse volumique de 5.300 kg/m3. Cette structure a été immergée dans une résine époxyde liquide qui a ensuite été polymérisée cons- tituant ainsi la matrice du matériau de blindage composite dont la masse volumique était alors de 5.650 kg/m 3. Un bloc de ce composite a été soumis à l'essai de perfora-- tion par la charge creuse de 62 mm. Pour cet essai, l'orientation de la structure 10 était telle que les quatre faisceaux de barres présentaient la même incidence par rapport à la surface frontale du bloc, les directions des quatre faisceaux faisant ainsi des angles de 35 1/4 par rapport à cette surface (fig. 3). Dans ces conditions, ce matériau de blindage com- posite a manifesté un gain de masse surfacique de 18 % par rapport à l'acier massif. EXEMPLE 3 Une structure 4D équilibrée et compacte a été réalisée au moyen de barres à section circulaire de 7 mm de diamètre en tungstène. Après introduction d'une matri- ce en résine époxyde, ce matériau de blindage composite avait une masse volumique de 13.400 kg/m Un bloc de ce matériau a été soumis à l'essai de perforation par la charge creuse de 62 mm. Pour cet essai, sa structure était disposée d'une façon identique à celle du bloc de l'exemple 2. Dans ces conditions, ce blindage composite a ma- nifesté un gain d'épaisseur de 42 % par rapport à l'acier massif, mais compte-tenu de sa plus forte masse volumique la masse surfacique a été identique à celle de l'acier. EXEMPLE 4 Une structure 4D équilibrée et compacte a été réalisée au moyen de barres à section circulaire de 7 mm. de diamètre en verre. Après introduction d'une matrice en résine époxyde ce matériau de blindage composite avait une masse volumique de 2.000 kg/m Deux essais de perforation par la charge creuse de 62 mm ont été effectués sur ce matériau. Pour le premier essai, la structure était dispo- sée d'une façon identique à celle du bloc de l'exemple 1. Dans ces conditions, ce blindage composite a ma- nifesté un gain de masse surfacique de 78 % par rapport à l'acier massif, mais compte-tenu de sa masse volumique beaucoup plus faible le gain d'épaisseur n'a été que de 13 %. Pour le second essai, la structure était dispo- sée d'une façon identique à celle du bloc de l'exemple 2. Dans ces conditions, le gain de masse surfacique et le gain d'épaisseur ont été respectivement de 78 % et 13 % c'est-à-dire les mêmes que lors du premier essai. EXEMPLE 5 Pour un matériau destiné plus particulièrement à la protection contre l'effet du flash X provenant d'une explosion nucléaire, on a utilisé un composite carbone- carbone à structure 4D, d'une masse volumique égale à 2.000 kg/m 3, réalisé à partir de baguettes pultrudées de 1 mm de diamètre et densifié par imprégnation et car- bonisation de brai sous pression. Le composite a été sou- mis à des ondes de choc très violentes produites par des explosifs et simulant la sollicitation que subirait le matériau sous l'effet du flash X. Ce composite a mani- festé une résistance exceptionnelle par rapport aux autres - 10- matériaux envisaags pour le ré_e usace. EXEMPLE 6 Pour la protection du Dersr.nne1..r.t. re - balles et éclats, on utilise une strre t:u_'-::-- tionnelle à n directions différentes 'str;--re -L, e préférence la structure 4D cu la struct-'re ú- _ - re par la figure 6 de la demande de revet nr-.4 citée ci-dessus. Cette structure Deut étre r.ú. e des baguettes d'un diarmàtre inférieur c -- =.2 constituées d'un composite unidîrecticnn-e nr;_-s -- une matrice en résine époxyde su er. stne. _ s-:-- ture peut être associée à un revtem-ent en zr-é-zue. - il - REVENDICATIONS 1. Blindage de protection contre notamment les pro- jectiles et les effets mécaniques et physiques d'explosion caractérisé en ce qu'il est constitué, au moins en partie, par une structure multid i r e c t i o n n e 1 1 e formée par des éléments rigides sensiblement rectilignes orientés suivant au moins trois directions différentes et s'entre- croisant de façon régulière, les directions des éléments n'étant pas toutes parallèles à un même plan et faisant entre elles des angles compris entre 30 et 900. 2. Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure est compacte. 3. Blindage selon l'une quelconque des revendica. tions 1 et 2, caractérisé en ce que la structure multi- directionnelle est formée par des éléments rigides recti- lignes orientés suivant quatre directions différentes. 4. Blindage selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments rigides rectilignes sont orientés suivant des directions parallèles aux grandes diagonales d'un cube. 5. Blindage selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'une matrice rem- plit les espaces entre les éléments de la structure multi- directionnelle. 6. Blindage selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les éléments de la structure ont une section transversale circulaire ou polygonale. 7. Blindage selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le diamètre du cercle circonscrit A la section transversale des éléments de la structure est compris entre 0,5 mm et 5 cm. 8. Blindage selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la structure comporte des'éléments tubulaires. - 12 - 9. Blindage selon la revendication 8, caractérise tubulaires en ce que les éléments/sont remplis d'une matière diffé- rente de leur matière constitutive. 10. Blindage selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite matière différente est une matière active. 11. Blindage selon l'une quelconque des-revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, plu- sieurs couches différentes dont au moins une comporte la- dite structure multidirectionnelle.