Brevet FR2702272A1 — publié le 19940909

Matériau composite pour blindage mécanique La présente invention concerne un matériau composite pour le blin- dage mécanique de structures, infrastructures ou véhicules. Elle concerne, plus particulièrement, des matériaux de blindage pour la protection contre des objets à énergie cinétique élevée, tels que des projectiles de gros calibres, obus, balles, par exemple,qui comprennent des éléments en matériau à dureté élevée associés à des éléments à matériau de dureté plus faible. Il est connu de réaliser des blindages pour véhicules, infrastruc- tures ou autres pouvant résister et arrêter des projectiles notam- ment de gros calibres Ces blindages sont généralement constitués soit en métal tel qu'un acier allié au Nickel-Chrome-Molybdène commercialisé par la société "Creuset-Loire" sous la dénomination "Mars 240 " soit par un stratifié formé par une résine armée par des fibres ou un tissu tel que par exemple une résine époxy armée par des fibres "Kevlar" Ces matériaux présentent les inconvénients majeurs suivants d'une part d'avoir une "masse surfacique" élevée, et d'autre part d'être d'une mise en oeuvre relativement difficile notamment pour le blindage de structures existantes De plus, quand une partie de ce blindage est endommagée, sa remise en état est relativement difficile et coûteuse. On connaît également, notamment par les brevets français N O 1 581 760 et 1 604 806, des blindages mécaniques composites constitués par des éléments en matériau céramique noyés dans une résine synthétique qui est généralement renforcée Ces blindages qui ont une "masse surfa- cique" plus faible que ceux décrits ci-dessus présentent également les inconvénients d'une mise en oeuvre difficile pour réaliser la protection de structures existantes, et d'une surface endommagée importante sous l'effet de l'impact d'un projectile entraînant une réparation difficile et coûteuse. Par l'expression "masse surfacique", on entend la masse de la couche de blindage par unité de surface, nécessaire pour obtenir le degré de protection désiré Cette valeur est fonction donc de la densité des matériaux utilisés ainsi que de l'épaisseur nécessaire pour obtenir l'arrêt du projectile. La présente invention a notamment pour objet de remédier aux incon- vénients cités précédemment en proposant un matériau composite ayant des propriétés de protection élevées pour une masse surfacique faible, pouvant être disposé selon une technique simple et aisée sur la structure à protéger De plus, le matériau proposé par l'inven- tion n'est endommagé qu'à l'endroit de l'impact du projectile, et le blindage peut donc être réparé facilement, et de manière peu coûteuse. A cet effet, l'invention a pour objet un matériau composite pour le blindage mécanique d'une structure comprenant au moins un élément en matériau dur et une couche de matériau à dureté plus faible, cette couche de matériau de dureté plus faible étant constituée par un matériau à propriété viscoélastique. L'élément en matériau dur est enrobé dans ladite couche de matériau viscoélastique. Le matériau viscoélastique est un matériau dont le coefficient intrinsèque d'amortissement représenté par la tg S est supérieure à 0,05. Par structure on entend toutes infrastructures, toutes structures de véhicules, navires, aéronefs ou analogues. Le matériau viscoélastique présentant un coefficient d'amortissement élevé, amortit l'onde de choc générée par l'impact d'un projectile sur l'élément en matériau dur, et répartit les contraintes engendrées par ce choc, pour éviter leur transmission aux éléments en matériau dur adjacents, et aux couches arrières du blindage si elles existent. Ainsi, les dommages causés par le projectile sont limités au voisi- nage du point de départ De plus, commes les contraintes sont ré- parties et absorbées par le matériau viscoélastique, l'épaisseur supplémentaire nécessaire de blindage constitué par des couches en matériau dur sera fortement diminuée, et même pour certains calibres de projectiles, ce blindage supplémentaire pourra être supprimé. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément en matériau dur est enrobé dans la couche de matière viscoélastique, à l'excep- tion de la surface recevant l'impact du projectile. Les matériaux durs convenables pour l'invention peuvent être les aciers, les métaux ou alliages à dureté élevée, des résines armées, ou des céramiques. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les élé- ments en matériau dur sont des éléments en céramique, avantageuse- ment des carreaux de céramique. Ainsi, chaque carreau de céramique est enrobé dans une couche de matériau viscoélastique et peut être posé, par exemple par collage, sur la structure à protéger, la surface de blindage étant formée par la pose de plusieurs carreaux côte à côte, d'une manière similaire au carrelage des sols ou murs. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les carreaux de céramique sont disposés côte à côte dans la couche de matériau viscoélastique non vulcanisé, les joints entre chaque carreau étant constitués par le matériau viscoélastique, le matériau de blindage étant obtenu par vulcanisation du matériau viscoélastique. Avantageusement, la couche de matériau viscoélastique comportant les éléments en matériau dur, par exemple des carreaux de céramique ou les éléments en matériau dur enrobés par une couche de matériau viscoélastique sont disposés sur une plaque en matériau à dureté élevée, telle qu'une plaque métallique, une plaque en résine thermo- durcissable armée par des fibres, des tissus ou analogues, formant ainsi une paroi de blindage arrière. D'autres caractéristiques, avantages et buts de l'invention appa- raitront plus clairement au vu de la description détaillée qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'illustration, et dans lesquels: la figure 1 est une coupe transversale schématique d'un premier mode de réalisation d'un matériau de blindage conforme à l'invention, la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une structure protégée par un blindage conforme au premier mode de réalisation de l'invention; et la figure 3 est une coupe transversale schématique d'un second mode de réalisation d'un matériau de blindage conforme à l'invention. Selon un premier mode de réalisation d'un matériau de blindage 1 conforme à l'invention, illustré à la figure 1, un élément en maté- riau dur 2 est enrobé dans une couche 3 de matériau à dureté moins élevée et possédant des propriétés viscoélastiques. L'élément 2 a avantageusement une forme de plaque ou de carreau. Les matériaux durs convenables sont les métaux, tels que acier, alliages, par exemple, des résines armées par des tissus ou des fibres, ou des céramiques. De préférence, les éléments 2 sont des carreaux de céramique dont l'épaisseur est déterminée en fonction du degré de protection re- cherché. Comme céramique convenable on peut citer, à titre d'exemple, les céramique à base d'oxyde d'aluminium, des céramique à base d'oxyde de beryllium ou d'oxyde de zirconium, de carbure de silicium, ou de carbure de bore. Les céramiques préférées de l'invention sont celles à base d'oxyde d'aluminium, comme par exemple la céramique commercialisée par la société française "Desmarquet" sous l'appelation "AF 920/S". Le matériau viscoélastique constituant la couche 3 de dureté plus faible est une résine élastomère de tgc supérieure à 0,05 et ayant avantageusement une dureté inférieure à 60 sh A. A titre d'exemple de matériaux viscoélastiques on peut citer les élastomères polyisoprènes, et plus particulièrement les élastomères commercialisés par la demanderesse sous la marque "Népurane". Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1, le carreau de céramique 2 est enrobé totalement dans une couche 3 d'élastomère viscoélastique, cette couche pouvant avoir une épaisseur variable selon la face du carreau recouvert Ainsi, selon un mode de réali- sation préféré de l'invention, l'épaisseur de la couche sur les quatre côtés du carreau (dont deux 2 c, 2 d seulement sont visibles) est légèrement inférieure à celle de la couche recouvrant les deux grandes faces 2 a, 2 b du carreau 2. Par ailleurs, l'épaisseur de la couche 3 est de l'ordre de 1 à quelques millimètres, généralement Toutefois, cette épaisseur n'est pas critique et sera déterminée en fonction du degré désiré d'amor- tissement et de répartition des contraintes. Il est également possible, sans pour cela sortir du cadre de l'in- vention, de ne pas recouvrir une des grandes faces du carreau 2. Toutefois cette face non recouverte est celle qui reçoit l'impact du projectile, en d'autres termes la face avant du blindage. Pour réaliser le blindage d'une structure 8, comme illustré à la figure 2, avec un matériau de l'invention, on colle chaque élément 1, sur l'une des faces de la structure pour réaliser un revêtement de cette face sous forme d'un carrelage. La colle convenable pour réaliser ce revêtement est tout adhésif compatible avec le matériau viscoélastique formant la couche 3 et bien entendu le matériau formant la structure 8. Les colles convenables sont, par exemple, les colles araldites, néoprènes, polyuréthannes, telle que par exemple la colle commer- cialisée par la demanderesse sous la marque "Népurane". Il est également possible, dans le cadre de l'invention, de réaliser le blindage de la structure 8 en collant plusieurs couches super- posées d'éléments 1. Selon une autre variante, les éléments 1 de blindage conforme à l'invention peuvent former la paroi avant d'un blindage comprenant en paroi arrière une ou plusieurs plaques de métal ou de résine renforcée, selon le même procédé de pose que celui cité précédemment. Cette paroi avant permet d'une part de diminuer l'épaisseur néces- saire des plaques arrières en matériau dur et donc de diminuer la masse surfacique, et d'autre part de protéger ces plaques arrières contre des dégâts importants, en répartissant et limitant les con- traintes engendrées par le choc du projectile sur le carreau de céramique 2. Ainsi pour remettre en état ce blindage, il sera uniquement néces- saire de remplacer le ou les carreaux endommagés par le choc. Selon un second mode de réalisation de l'invention, illustré à la figure 3,le blindage est formé par une première couche 4 réalisée en un matériau à dureté élevée, tel que du métal ou une résine armée, et une seconde couche 5 constituée par des éléments 6 à dureté élevée enrobés dans une couche de matériau viscoélastique 7. Les éléments 6 sont réalisés dans le même matériau, décrit précé- demment, que les éléments 2 de la figure 1. La première couche 4 peut être constituée par exemple par de l'acier tel que l'acier "Mars 240 " cité précédemment, ou une résine armée, telle qu'une résine époxyde armée par un tissu ou des fibres ara- mides commercialisées sous la marque "Kevlar". Pour réaliser la couche 5, on dispose dans un moule une résine élastomère à propriété viscoélastique, non vulcanisée, formant la couche 7 Puis les carreaux 6 sont disposés dans cette résine, de telle manière que les joints entre deux carreaux adjacents soient formées par la résine non vulcanisée Les carreaux sont soit posés dans la résine, la face supérieure n'étant pas recouverte, soit noyés totalement dans celle-ci. La résine est alors vulcanisée par la chaleur par exemple L'ensem- ble ainsi réalisé est collé sur la couche 4 par une colle de type polyuréthanne, commercialisée par la demanderesse sous la marque "Népurane". Bien entendu, il est possible de coller directement la couche 5 sur une structure à protéger, si son pouvoir de protection est suffisant. La résine constituant la couche 7 est une résine analogue à celle formant l'enveloppe 3 de l'élément 1 illustré à la figure 1, par exemple un élastomère polyisoprène, commercialisé sous la marque "Népurane" par la demanderesse. Comme dans le premier mode de réalisation, il est possible de dis- poser plusieurs couches 5 superposées. Des essais de tir montrent que sous l'impact du projectile, le carreau 2 ou 6 ayant supporté l'impact est détruit, les carreaux adjacents ne sont pas endommagés. Ce résultat prouve l'effet d'amortissement et de répartition des contraintes du matériau viscoélastique, ce qui diminue de manière importante le coût de réparation des blindages. En outre, avec un blindage conforme au second mode de réalisation illustré à la figure 2, dont l'épaisseur de l'élément 6 en céramique est de 4 millimètres, l'épaisseur de l'élastomère 7 étant d'un millimètre, et l'épaisseur de la couche 4 en résine armée par un tissu en fibres Kevlar est de 18 millimètres, on obtient une dimi- nution de la masse surfacique de l'ordre de 50 % par rapport à celle d'un blindage réalisé en acier "Mars 240 " pour un degré de protection équivalent contre un projectile de calibre 5,56. On obtient des diminutions de masse surfacique du même ordre pour une protection contre des projectiles de calibre 7,62 et 12,7. Par ailleurs, comme le matériau de blindage de l'invention se pré- sente sous forme d'éléments de faible dimension, il est très facile de disposer ces éléments sur des structures ayant des formes com- pliquées. Revendications 1 Matériau composite pour blindage mécanique d'une structure com- prenant au moins un élément constitué par un matériau à dureté élevée et une couche de matériau de dureté plus faible, caractérisé en ce que ladite couche ( 3, 7) de matériau de dureté plus faible est constituée par un matériau à propriété viscoélastique, l'élément ( 2, 6) en matériau dur étant enrobé dans ladite couche ( 3, 7) de matériau viscoélastique. 2 Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau viscoélastique précité a un coefficient intrinsèque d'amor- tissement (tgi) supérieur à 0,05, et est de préférence un élasto- mere. 3 Matériau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments ( 2, 6) précités en matériau dur sont entourés par la couche ( 3, 7) de matériau viscoélastique sur toutes ses faces à l'exception de la face devant recevoir l'impact d'un projectile. 4 Matériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément ( 2, 6) précité en matériau à dureté élevée est constitué par une matière céramique. 5 Matériau selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément ( 2, 6) précité en matériau dur est un carreau de céramique, le matériau de blindage étant constitué par l'assemblage de plusieurs carreaux ( 2, 6) enrobé dans la couche ( 3) de matériau viscoélastique pour former un carrelage sur la structure ( 8) à protéger. 6 Matériau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou les éléments précités en matériau à dureté élevée sont disposés dans une couche ( 7) d'élastomère viscoélastique avant vulcanisation, les joints entre deux éléments ( 6) adjacents étant formés par ledit élastomère viscoélastique. 7 Matériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs couches ( 4) constitué par une matière à dureté élevée choisie dans le groupe comprenant les métaux durs, alliages, résines armées ou analogues, formant une protection arrière, les éléments ( 1) ou la couche ( 5) étant collé sur ladite couche ( 4) en matière à dureté élevée. 8 Matériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche ( 3, 7) de matériau viscoélastique a une épaisseur de l'ordre du millimètre environ.