Brevet FR3059766A1 — publié le 20180608

La présente invention propose une nouvelle structure anti-impact multicouches à base de métal et de céramique. Plus précisément, la présente invention concerne un nouveau mode de réalisation de blindages, de boucliers ou d'écrans de protection dédiés à constituer une protection à l'égard de projectiles. L'invention concerne aussi la protection du matériel et du personnel contre les effets mécaniques et physiques d'explosions d'origine pyrotechnique. Un moyen de protection bien connu consiste à utiliser 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 cuirassés ou d'installations fixes. De tels blindages de type purement passif s'opposent à la pénétration des projectiles par leur grande inertie et dissipent l'essentiel de leur énergie cinétique par déformation plastique. Différentes solutions ont été proposées pour accroître l'efficacité des blindages tout en leur conservant 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 modernes, il a notamment été proposé de fractionner la masse du blindage en une pluralité de feuillets superposés et indépendants, de combiner au sein d'un même blindage plusieurs nuances de métal tels qu'aciers et alliages légers et éventuellement d'intercaler entre ces feuillets métalliques une ou plusieurs matières présentant des propriétés physiques et mécaniques différentes de celles des métaux telles que par exemple des matières céramiques ou des matières plastiques. Ainsi, le document US 2015/0323293 expose une grille blindée multicouche formée d'une première couche dédiée à être directement au contact des projectiles et constituée d'un matériau dur tel que notamment l'acier, d'une seconde couche accolée à la première couche et formée d'un matériau plus tendre permettant d'absorber l'énergie du projectile et d'une troisième couche en nid d'abeille disposée dans la continuité des deux précédentes. Une autre variante de réalisation de structure de blindage est également considérée dans le document FR 2 494 832 Al. Elle consiste en une structure matricielle 3059766 2 de type métal, céramique, verre, ciment, matière plastique ou caoutchouteuse, ou matière composite dans laquelle sont dispersées des éléments longs (poutres ou barres) de section circulaire ou polygonale, suivant au moins trois directions différentes de l'espace. Une autre variante de blindage constitué d'un matériau composite fibreux, pour 5 une utilisation au niveau de la queue d'un avion est également décrite dans le document EP 2610164 Al comme avantageuse sur le plan de l'absorption. Dans un souci constant d'amélioration des propriétés balistiques des matériaux de blindage de protection, de nombreuses recherches sont par ailleurs poursuivies pour 10 évaluer l'effet de la précontrainte en compression à l'égard des performances de ces matériaux. Ainsi, Holmquist et al. (réf 1) ont montré que la réalisation d'une précontrainte sur un matériau céramique comme le carbure de silicium (SiC) à l'aide d'un alliage de titane, permet de retarder la rupture par tension à l'interface métal céramique, ce qui augmente la période de temporisation et donc l'érosion du projectile avant la pénétration. 15 Par ailleurs, Hang et al. (réf 2) (Hang, X., & Li, Y., 2016) ont montré qu'une contrainte en compression de 150 MPa imposée à un matériau comme l'alumine permet d'augmenter la charge à la rupture de ce matériau. De manière inattendue, les inventeurs ont aujourd'hui constaté qu'il est 20 possible d'élaborer une structure anti-impact ou encore de blindage tirant bénéfice de cet effet avantageux de la précontrainte sous réserve de considérer un assemblage de matériaux spécifiques. Plus précisément, la présente invention concerne à titre principal une structure anti-impact comprenant au moins un assemblage multicouche formé d'une couche de 25 céramique intercalée entre et au contact de deux couches métalliques, les surfaces de la dite couche en céramique en contact d'une couche métallique étant métallisées et assemblées aux dites couches métalliques par une brasure génératrice d'une contrainte en compression au niveau de la dite couche de céramique et d'une tension au niveau des dites couches métalliques. 30 Au sens de l'invention, un assemblage s'étend sur un plan longitudinal et son épaisseur est déterminée selon une direction perpendiculaire au plan. 3059766 3 Selon une variante préférée, chacune des couches considérées dans l'assemblage selon l'invention, est constituée d'une plaque de son matériau constitutif. En d'autres termes, la couche métallique est avantageusement constituée d'une plaque de métal. 5 Plus précisément, la couche de céramique de l'assemblage considéré selon l'invention subit avantageusement une contrainte de compression d'au moins 500 MPa. Selon une variante de réalisation, l'assemblage multicouche est symétrisé dans la direction de son épaisseur. Par épaisseur, on entend la valeur moyenne des épaisseurs mesurées le long 10 d'une direction contenue dans le plan longitudinal, par exemple en plus de 10 points régulièrement répartis sur ce plan. Ce type d'orientation a pour avantage d'éviter l'apparition de courbure de l'ensemble liée à des différences de symétrie dans les contraintes internes des matériaux. 15 Selon une autre variante de réalisation, l'épaisseur de chacune des couches métalliques est supérieure à celle de la couche de céramique. Avantageusement, un assemblage selon l'invention possède des couches métalliques dont l'épaisseur est supérieure à plus du double de celle de la couche de céramique. Une structure selon l'invention peut être formée de plaques métalliques pleines 20 ou alvéolées. Cette seconde option est tout particulièrement intéressante sur l'aspect poids. La mise en oeuvre d'une ou de plaque(s) métallique(s) possédant une structure en nids d'abeille à l'image de celle représentée en figure 2 ou une structure auxétique à l'image de celle représentée en figure 1 permet en effet d'alléger significativement le poids de la 25 structure sans pour autant porter préjudice aux autres performances de la structure anti- impact. Les liaisons métal-céramique sont établies par brasage à l'aide, le plus souvent, d'un alliage d'apport fondu à haute température et adhérant aux deux matériaux. 30 Selon un autre de ses aspects, la présente invention concerne un procédé de préparation d'un assemblage convenant à la préparation d'une structure anti-impact selon l'invention et comprenant au moins une étape d'assemblage d'une plaque métallique sur 3059766 4 chacune des faces externes et métallisées d'une plaque de céramique, l'assemblage étant réalisé par brasage à l'aide d'un alliage métallique dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion la plus faible des matériaux constitutifs des dites plaques. Selon encore un autre de ses aspects, la présente invention concerne l'utilisation d'une structure selon l'invention à titre de bouclier, blindage et/ou d'écran de protection dédié à la protection de véhicules et/ou de personnes contre les projectiles issus d'effets mécaniques et/ou physiques d'explosion. STRUCTURE ANTI IMPACT SELON L'INVENTION Comme énoncé précédemment, une structure anti-impact selon l'invention possède un assemblage spécifique reposant sur la juxtaposition de trois couches dont deux 15 sont métalliques, et disposées respectivement au contact d'une unique couche de céramique. a) Couche de céramique Avantageusement cette couche de céramique se présente sous la forme d'une 20 plaque de céramique. Les matériaux convenant tout particulièrement en tant que composant de la couche de céramique possèdent de préférence une dureté élevée notamment au moins égale à 10 Hv (dureté Vickers). Ils ont également pour avantage de posséder une faible densité, notamment inférieure ou égale à 4500 kg/m3. 25 Leur coefficient de dilatation, mesuré par exemple à l'aide d'un dilatomètre, peut notamment varier de 11.10-6 à 2.10-6 /K. Le matériau constitutif de cette couche ou plaque de céramique est avantageusement choisi parmi l'alumine, les oxydes, les carbures comme par exemple les 30 carbures de silicium ou de bore, les nitrures comme par exemple le nitrure de silicium et leurs mélanges et de préférence l'alumine. 5 10 3059766 5 A titre d'alumine convenant à l'invention peut notamment être citée l'alumine AD99.5® commercialisée par COORSTEK. Ce matériau possède un module d'Young égal à 350 GPa, une résistance à compression de 2000 MPa, un coefficient de Poisson égal à 0.25, et une densité de 3950 kg/m3. 5 Bien entendu, l'épaisseur de cette couche est ajustée en fonction de la structure anti-impact considérée. Elle peut varier de préférence de 1 à 5 millimètres. Avantageusement, son épaisseur est inférieure et de préférence d'au moins un facteur de 2 voire d'au moins un facteur de 3 voire de 4 à celle des couches métalliques qui lui sont 10 assemblées. Comme précisé précédemment, les surfaces de cette couche de céramique au contact desquelles sont assemblées les plaques métalliques par brasage, sont métallisées de manière à permettre l'adhérence de la brasure. 15 Ce type de métallisation relève clairement des compétences de l'homme du métier. Il peut notamment s'agir d'une métallisation céramique haute température type MoMn et WMn par application au pinceau ou sérigraphie. Ce type de métallisation céramique est ensuite fritté sous atmosphère contrôlée. Un autre type de métallisation est la métallisation dite biocompatible active à base de Ti déposée au pinceau ou par 20 pulvérisation PVD. Il existe également d'autres modes de protection de surface déposés par procédés électrolytiques, chimiques, PVD ou CVD. A titre illustratif et non limitatif de ce type de métallisation peut notamment être cité celui formé d'une couche superficielle, c'est-à-dire d'épaisseur généralement inférieure à 5 iam et de préférence variant de 2 à 0,5 pm, d'un alliage de molybdène et 25 manganèse. b) Couche métallique A l'image de la couche de céramique, les couches métalliques sont de préférence figurées par des plaques. 30 Selon une variante particulière, la structure anti-impact possède un unique assemblage formé de deux plaques métalliques assemblées par brasure sur chacune des deux faces métallisées d'une plaque de céramique. 3059766 6 Ce type d'assemblage est notamment illustré en figure 1. Comme énoncé précédemment, l'épaisseur de chacune des couches métalliques est supérieure à celle de la couche de céramique. De préférence, leur épaisseur est plus du double. Cette épaisseur peut notamment varier de 1 à 20 mm et de préférence de 4 à 15 5 mm. Les couches métalliques formant un assemblage selon l'invention peuvent être identiques ou différentes. Dans ce souci d'alléger le poids de la structure anti-impact selon l'invention, il est également possible de considérer, alternativement à l'utilisation de plaques pleines, 10 celle de plaques alvéolées. Ainsi, selon une variante de réalisation de structure selon l'invention, les couches métalliques peuvent être indépendamment l'une de l'autre, pleine ou alvéolée. En particulier, une plaque métallique alvéolée peut être dotée d'une structure en nids d'abeille ou auxétique telle qu'illustrée en figures 2 et 1. 15 Le métal constitutif d'une couche métallique peut être choisi parmi l'aluminium, le magnésium, le titane, le cuivre et leurs alliages. Selon une variante préférée, les plaques métalliques sont en aluminium car c'est un matériau léger et de coût raisonnable. 20 Convient tout particulièrement à ce titre l'aluminium A5086 commercialisé par Winow. Ce matériau possède un module d'Young égal à 69 GPa, un coefficient de Poisson égal à 0.33, un coefficient de dilatation égal à 25.10-6 /K et une densité de 2660 kg/m3. A titre d'assemblage conforme selon l'invention peut notamment être cité celui 25 composé d'un assemblage de deux plaques d'aluminium d'épaisseur de 5 mm disposées respectivement au contact de chacune des surfaces métallisées d'une plaque d'alumine d'épaisseur de 2 mm. Au niveau des assemblages considérés selon l'invention, l'aluminium peut être remplacé par du cuivre, certes plus lourd que l'aluminium mais vis-à-vis duquel les 30 techniques de brasage sont mieux maitrisées et permettent d'assembler à plus haute température et donc d'augmenter le niveau de contrainte de compression dans la 3059766 7 céramique. Le cuivre a un module d'Young égal à 125 GPa, un coefficient de Poisson égal à 0.34, un coefficient de dilatation égal à 17e-6 1/K et une densité de 8920 kg/m3. c) Brasure 5 Bien entendu, la nature de la brasure est ajustée en fonction de la nature des couches métalliques et de la couche de céramique métallisée à assembler. Il est connu qu'une brasure de type alliage, notamment à base d'aluminium tel que par exemple aluminium-silicium (Al'Siy), aluminium-silicium-magnésium (Al'SiyMgz) ou encore aluminium-cuivre-zinc (Al'CuyZnz) convient tout particulièrement à 10 l'assemblage d'une plaque d'aluminium en surface d'un support d'alumine. De même, une brasure de type alliage à base d'au moins d'étain, d'argent et de cuivre est privilégiée pour assembler une plaque de cuivre. Toutefois, dans le cadre de la présente invention, cette brasure doit être de 15 nature à induire une contrainte de compression significative au niveau de la couche de céramique et des tensions au niveau des deux couches métalliques. Cet objectif est notamment atteint en sélectionnant un matériau de brasure dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion la plus faible des matériaux constitutifs des couches métalliques et céramique. 20 De préférence, le point de fusion du matériau de brasure est proche tout en demeurant inférieur à celui du matériau constitutif de la couche métallique. Au sens de l'invention, l'expression « proche et inférieure » entend signifier que le matériau constitutif de la brasure convient à l'ajustement d'une température de brasage qui est inférieure au plus de 95% au point de fusion le plus bas des matériaux 25 constitutifs des couches métalliques et de céramique. Selon une variante de réalisation particulière, le matériau dédié à former la brasure, avec une couche d'alumine notamment à base du matériau alumine A5086® (température de fusion de 585 °C) et des plaques métalliques à base d'aluminium, est 30 choisi pour être propice à l'ajustement d'une température de brasage d'environ 550°C soit une température légèrement inférieure à la température de fusion de l'alliage A5086 (585 C. 3059766 8 Ce mode de réalisation permet avantageusement de réaliser une précontrainte dans la céramique d'environ 500 MPa. Ce gain de contrainte en compression peut notamment être caractérisé par simulation numérique. 5 A titre de matériaux de brasure convenant pour cette variante d'assemblage peuvent notamment être cités ceux figurant dans le tableau 1 ci-après. COMPOSITION CHIMIQUE TEMPERATURE DE FUSION (°C) A194.755i5.25 575-630 A192.55i7.5 575-615 A190Si10 575-590 A188Sii2 575-585 577-582 A186Si10Cu4 520-585 A188.755i9.75Mg1.5 555-590 A188.65Si9.75Mg1.5Bi0.1 555-590 A176Cu4Zn10Si10 516-560 Tableau 1 10 Selon un mode de réalisation particulier, l'invention vise une structure anti- impact dans laquelle la couche céramique métallisée est formée d'une couche d'alumine revêtue, en surface de ses faces assemblées, d'une couche frittée de molybdène-manganèse, les couches métalliques sont identiques et formées d'aluminium ou un de ses alliages et la brasure est formée d'un alliage constitué au moins d'aluminium et de silicium 15 et dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion des dites couches métalliques. APPLICATIONS Les structures anti-impact selon l'invention sont particulièrement utiles pour la 20 protection des personnes et des matériels contre l'impact de projectiles résultant par exemple d'une explosion de moteur ou de l'éjection de pièces tournant à grande vitesse, 3059766 9 comme des aubes de turbomachines pour les avions. Ils seront employés dans des véhicules terrestres ou aériens. Une application de ces blindages peut également être une protection du matériel fixe ou mobile ou de personnes contre, notamment, des projectiles de combat tels 5 que des balles ou des obus inertes ou explosifs, et en particulier ceux du type à « charge creuse », soit des éclats provenant de tels projectiles 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'appareils sous pression. Les exemples et figures qui suivent sont présentés à titre illustratif et non 10 limitatif du domaine de l'invention. FIGURES Fig. 1 : Assemblage métal-céramique-métal de plaque alvéolée avec des canaux de forme auxétique. La céramique y figure au centre de l'épaisseur en couleur 15 distincte. Fig. 2 : Représentation d'une structure anti-impact multicouche de type nids d'abeille Al (nids d'abeille), -5 mm/A1203- 2mm/Al (nids d'abeille) -5 mm, selon l'invention. 20 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES Réf 1: Holland C.C., Gamble E.A., Zok F.W., Deshpande V.S., McMeeking R.M., 2015, Effect of design on the performance of steel-alumina bilayers and trilayers subject to ballistic impact, Mechanics of Materials 91, pp. 241-251. 25 Réf 2: Holmquist T.J., Johnson G.R., 2005, Modeling pre-stressed ceramic and its effect on ballistic performance, Int. J. Impact Eng. 31, pp. 113-127. REVENDICATIONS1. Structure anti-impact comprenant au moins un assemblage multicouche formé d'une couche de céramique intercalée entre et au contact de deux couches métalliques, les surfaces de la dite couche en céramique en contact d'une couche métallique étant métallisées et assemblées à la dite couche métallique, par une brasure génératrice d'une contrainte en compression au niveau de la dite couche de céramique et d'une tension au niveau des dites couches métalliques. 2. Structure selon la revendication précédente dans laquelle la dite couche de céramique subit une contrainte de compression d'au moins 500 MPa 3. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle chacune des couches de l'assemblage est constituée d'une plaque de son matériau constitutif. 4. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l'assemblage multicouche est symétrisé dans la direction de son épaisseur. 5. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l'épaisseur de chacune des couches métalliques est supérieure à celle de la couche de céramique et de préférence est supérieure à plus du double de celle de la couche de céramique. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les couches métalliques sont identiques. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les couches métalliques sont pleines ou alvéolées. 8. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes possédant au niveau du dit assemblage au moins une plaque métallique alvéolée, notamment dotée d'une structure en nids d'abeille ou auxétique. 9. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le matériau constituant les couches métalliques est choisi parmi l'aluminium, le magnésium, le titane, le cuivre et leurs alliages. 10. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le matériau constituant la couche céramique est choisi parmi l'alumine, les oxydes, les carbures comme par exemple les carbures de silicium ou de bore, les nitrures comme par exemple le nitrure de silicium et leurs mélanges et de préférence est formée d'alumine. 3059766 11 11. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la brasure est constituée d'un matériau dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion la plus faible des matériaux constitutifs des dites couches métalliques et céramique. 12. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la couche céramique métallisée est formée d'une couche d'alumine revêtue en surface de ses faces assemblées d'une couche frittée de molybdène-manganèse, les couches métalliques sont identiques et formées d'aluminium ou un de ses alliages et la brasure est formée d'un alliage constitué au moins d'aluminium et de silicium et dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion des dites couches métalliques. 13. Procédé de préparation d'un assemblage pour la préparation d'une structure anti-impact selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins une étape d'assemblage d'une plaque métallique sur chacune des faces externes et métallisées d'une plaque de céramique, l'assemblage étant réalisé par brasage à l'aide d'un alliage métallique dont la température de fusion est inférieure à la température de fusion la plus faible des matériaux constitutifs des dites plaques. 14. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la structure anti-impact est telle que définie en revendications 5 à 10 et 12. 15. Utilisation d'une structure telle que définie en revendications 1 à 12 à titre de bouclier, blindage et/ou d'écran de protection dédié à la protection de véhicules et/ou de personnes contre les projectiles issus d'effets mécaniques et/ou physiques d'explosion.