La fibre d'aramide présente les caractéristiques d'une résistance spécifique élevée et d'un allongement à la rupture élevé, et peut remplacer complètement les matériaux composites en fibre de verre/résine dans de nombreux domaines.
À l'heure actuelle, les pays du monde entier développent et optimisent constamment de nouveaux matériaux balistiques afin d'améliorer les performances de protection balistique des véhicules et des soldats. Les matériaux composites à fibres hautes performances se caractérisent par leur légèreté, leur grande résistance et leur excellente résistance balistique. Ce sont les matériaux balistiques les plus étudiés, les plus prometteurs et ceux qui connaissent la croissance la plus rapide. Les pays développés sur le plan militaire, représentés par les États-Unis, accordent une attention particulière au développement de fibres antibalistiques hautes performances et de leurs matériaux composites. Des instituts de recherche scientifique en matière de défense nationale, tels que le Laboratoire de recherche de l'armée américaine et des universités financées par le ministère de la Défense, ont mené de nombreux travaux de recherche ces dernières années. Cet article présente principalement la recherche et le développement, l'état d'avancement des applications et les performances des fibres aramides, des fibres de carbone et des fibres PBO à l'étranger.
1. Fibre d'aramide
Les fibres d'aramide se caractérisent par une résistance spécifique élevée et un allongement à la rupture élevé. À densité surfacique égale, la résistance balistique des composites aramide/résine est 2 à 3 fois supérieure à celle des composites fibre de verre/résine. Elles peuvent être utilisées dans de nombreux domaines. Elles constituent une alternative complète aux composites fibre de verre/résine.
Des institutions telles que le Joint Army Research Laboratory de l'Université Clemson aux États-Unis utilisent la méthode traditionnelle des éléments finis pour réaliser une analyse numérique du tapis de fibres antibalistiques afin de déterminer la résistance à la pénétration du matériau ainsi que la déflexion, la déformation et la réponse globale aux dommages causés par l'impact. Les chercheurs de l'équipe ont optimisé et amélioré le modèle de calcul et d'analyse de la protection contre les impacts balistiques et les explosions des composites à matrice polymère renforcés de fibres tissés à plat. En 2014, la relation entre la microstructure et les performances des matériaux à base de PPTA (poly-p-phénylène téréphtalamide) a été étudiée, et une méthode de calcul multi-échelle a été développée pour déterminer l'impact de diverses caractéristiques microstructurales à différentes échelles sur le feutre à base de PPTA. Effet des composites à matrice polymère renforcés de fibres de tissu ou de PPTA sur la résistance macroscopique à la pénétration balistique.
Cassino, en Italie, et l'Université du Latium du Sud ont combiné du feutre à armure toile avec de la résine thermodurcissable pour fabriquer des stratifiés, et ont réalisé des prédictions du modèle numérique de Walker et des tests de performance balistique sur le blindage composite préparé. Le Laboratoire de recherche de l'armée américaine et al. ont utilisé un monofilament de nylon transparent en forme de bande plate comme renfort et ont préparé un matériau composite présentant une transmittance lumineuse d'environ 40 % avec une résine époxy transparente correspondant à son indice de réfraction comme matrice. Le test balistique du matériau montre que la valeur V50 du matériau obtenu est supérieure à 305 m/s, ce qui est bien supérieur à celle de la résine époxy et du polycarbonate.
Le Laboratoire national de Sandia, aux États-Unis, a étudié l'influence de la torsion sur les propriétés d'impact transversal de fils de fibres élastiques et a mesuré la vitesse de l'onde de cisaillement d'Euler induite par l'impact à l'aide d'une caméra haute vitesse. Les résultats montrent que la vitesse de l'onde de cisaillement d'Euler augmente avec le nombre de torsions du fil, ce qui implique de meilleures performances balistiques. Par conséquent, l'utilisation de fils de fibres torsadés dans les tapis de fibres balistiques peut améliorer les propriétés balistiques du matériau. L'effet du champ magnétique sur les propriétés balistiques des fibres d'aramide et de polyéthylène à très haut poids moléculaire a été étudié. Les chercheurs ont placé des fibres d'aramide et de polyéthylène à très haut poids moléculaire entre deux ensembles d'aimants en terres rares opposés afin de tester l'effet de la répulsion du champ magnétique sur les propriétés balistiques des matériaux. Les résultats montrent que la répulsion magnétique peut empêcher les balles de pénétrer dans la face avant des fibres d'aramide.
La nanomodification des fibres d'aramide ou le nanoremplissage de leurs composites amélioreront également les propriétés balistiques. Les chercheurs ont renforcé la résistance interfaciale en faisant croître des nanofils de ZnO verticaux à la surface de la fibre. La résistance interfaciale de la fibre est supérieure de 96,9 % à celle de la fibre nue, et la charge maximale à l'essai d'arrachement est multipliée par 6,5. Les nanofils de ZnO améliorent la résistance à l'arrachement des fibres, ce qui accroît également le niveau de protection du matériau contre les impacts balistiques.
Les chercheurs ont étudié l'effet des charges nanoparticulaires sur les composites résistants aux chocs et ont réalisé des tests balistiques V50 sur des composites fibreux chargés de fibres de carbone broyées et de nanoparticules (nanotubes de carbone et particules de caoutchouc cœur-coquille). Les résultats montrent que la charge de particules de caoutchouc cœur-coquille nano est efficace pour l'absorption d'énergie lors de l'impact grâce à l'effet de cavitation et améliore également significativement les performances balistiques. Les charges de nanotubes de carbone peuvent améliorer les performances de l'interface matrice-fibre et également améliorer significativement les performances balistiques. Ces deux éléments peuvent améliorer les performances antibalistiques V50 du matériau composite. L'ajout de 1 % de fraction massique de fibres de carbone broyées et de 1 % de nanoparticules au matériau composite peut augmenter le V50 de 7,3 % (nanotubes de carbone) et de 8 % (particules de caoutchouc cœur-coquille) par rapport à l'échantillon de référence, respectivement.
2. Fibre de carbone
Le module de Young de la fibre de carbone est généralement plus de trois fois supérieur à celui de la fibre de verre traditionnelle, et son potentiel d'application est important pour alléger les équipements militaires et améliorer la capacité de survie. En 2015, le Georgia Institute of Technology (GTI) aux États-Unis a développé un nouveau procédé de préparation de fibres de carbone continues filées par gel, basé sur la technologie de filage du polyacrylonitrile (PAN). La résistance à la traction moyenne des fibres de carbone à base de PAN préparées est comprise entre 5,5 et 5,8 GPa, le module de traction est compris entre 354 et 375 GPa, et il est de 25 à 36 % supérieur à celui de la fibre de carbone à base de PAN de type IM7, largement utilisée dans l'aérospatiale. Combinaison de valeur optimale. À l'avenir, l'optimisation des matériaux et des procédés permettra d'améliorer simultanément la résistance et le module des fibres de carbone à base de PAN.
3. Fibre PBO
La fibre PBO a été initialement développée par l'US Air Force, puis fabriquée par des entreprises japonaises. Elle est reconnue comme une fibre ultra-performante d'avenir, capable de remplacer la fibre aramide. Sa densité est inférieure à celle de la fibre aramide, mais ses propriétés mécaniques et sa résistance aux intempéries sont bien supérieures à celles des autres fibres aramides.
En 2006, l'Université de Californie a signé un contrat avec l'armée américaine pour réaliser des essais balistiques afin de déterminer les performances balistiques des fibres Zylon. Les résultats montrent que la fibre Zylon est plus performante que le Kevlar29 et qu'utilisée dans les blindages, elle améliore efficacement la protection et la mobilité. Bien que les fibres PBO présentent les avantages d'une légèreté, d'une résistance élevée et d'un module élevé, elles sont limitées par la dégradation de leurs propriétés mécaniques lors de leur utilisation dans des applications de protection. Afin de résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un procédé de post-traitement par diffusion de réactif chimique au CO2 supercritique pour traiter les fibres PBO, afin de réduire la dégradation de leurs propriétés mécaniques et de prolonger leur durée de vie. Des chercheurs de l'Université du Massachusetts Amherst ont étudié la stabilisation des fibres PBO après un post-traitement au CO2 supercritique, en utilisant le CO2 supercritique comme agent d'extraction pour extraire l'acide phosphorique résiduel et l'eau sur les fibres PBO, et en l'utilisant comme moyen pour introduire une variété de La substance neutralise l'acide phosphorique et affaiblit l'effet de dégradation de l'eau et de l'acide sur la fibre PBO.
La stratification des fibres balistiques peut être un facteur de dégradation des performances. Les chercheurs ont étudié l'effet du pliage sur la dégradation des performances des fibres balistiques PBO et déterminé expérimentalement l'impact de ce mécanisme de rupture sur la protection du blindage. Ils ont également étudié l'effet du pliage sur la structure interne des fibres élastiques. Les chercheurs japonais ont mené de nombreuses recherches sur les fibres PBO. Par exemple, ils ont étudié le traitement thermique pour améliorer la résistance à la traction et à la fatigue des fibres PBO à haut module, et ont étudié l'influence du taux de cisaillement sur la résistance à la traction de ces fibres.
