Institut des matériaux non métalliques : Analyse comparative de la résistance à la perforation des matériaux haute performance à base de fibres/résine selon les normes nationales et internationales

Comparaison de la résistance à la perforation des matériaux haute performance à base de fibres/résine selon les normes nationales et internationales

Abstrait: Cet article étudie les différences de résistance à la perforation entre divers matériaux haute performance à base de fibres/résine, en comparant les résultats d'essais réalisés selon la norme chinoise *GA 68-2024 Gilets pare-balles de police* et la norme américaine *NIJ 0115.00-2000 Résistance à la perforation des gilets pare-balles*. Il analyse également les caractéristiques des critères d'évaluation et les exigences spécifiques de performance des matériaux définies par ces normes nationales et internationales. La résistance à la perforation a été évaluée en calculant le nombre de couches et la densité surfacique des matériaux nécessaires pour atteindre des niveaux de protection spécifiques. Les résultats indiquent que, pour les matériaux haute performance à base de fibres/résine, la résistance à la perforation s'améliore avec une résistance des fibres plus élevée à teneur en résine similaire, et s'améliore avec une teneur en résine plus élevée à résistance des fibres similaire. Le respect des exigences de la classe A de la norme GA 68 requiert plus du double de matériau que pour la classe B, et la lame D2 de la norme GA 68 est plus résistante que la lame D3. Selon la norme NIJ 0115.00, la lame S1 est relativement moins résistante ; la lame P1 exige une résistance élevée des fibres, tandis que la lame à pointes exige une teneur élevée en résine. Les hautes températures ont l’impact le plus significatif sur les matériaux résistants à la perforation à base de résine ; par conséquent, la résistance à la perforation à haute température est un critère essentiel lors des tests d’échantillons selon la norme GA 68.

Mots clés : Résistance à la perforation ; fibre haute performance ; norme de résistance à la perforation ; matériau résistant à la perforation ; densité surfacique

L'évolution des matériaux anti-couteau pour les gilets pare-balles s'est déroulée en trois étapes : matériaux rigides, semi-rigides et souples. Actuellement, les matériaux souples anti-couteau couramment utilisés, tant au niveau national qu'international, sont des composites haute performance à base de fibres et de résine. Les gilets pare-balles fabriqués à partir de ces matériaux ont supplanté les modèles rigides et semi-rigides grâce à leur confort supérieur et au risque réduit de blessures secondaires [1-7].

Fibres d'aramide (y compris le para-aramide et l'aramide hétérocyclique), le poly(p-phénylène benzobisoxazole) fibres (PBO) , polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire fibres (UHMW-PE) , et fibres de carbone Les fibres UHMW-PE sont actuellement les principales fibres hautes performances. Elles présentent une faible polarité de surface, contrairement aux résines de renforcement utilisées pour leur imprégnation qui présentent une polarité de surface élevée. Ce décalage engendre une faible adhésion interfaciale, rendant les fibres UHMW-PE inadaptées à la fabrication de matériaux résistants aux perforations à base de résine [8-10]. Bien que les fibres de carbone offrent une résistance et un module de traction élevés, leur faible ténacité limite l'absorption d'énergie et elles sont rarement utilisées seules pour des applications de protection. Par conséquent, les fibres aromatiques telles que l'aramide et le PBO sont les fibres hautes performances prédominantes dans les matériaux résistants aux perforations à base de résine [11-14].

Pour évaluer la résistance aux coups de couteau des matériaux de protection, des pays comme les États-Unis, le Royaume-Uni et l'Allemagne ont établi des normes relatives aux gilets pare-balles. La plus influente est la norme « Résistance aux coups de couteau des gilets pare-balles » (NIJ 0115.00-2000), publiée par le National Institute of Justice (NIJ) du département de la Justice des États-Unis, et largement adoptée à l'échelle internationale. Mon pays a également établi sa propre norme pour les gilets pare-balles, la norme « GA 68-2024 Gilets pare-balles de police », élaborée par le ministère de la Sécurité publique.

Cet article présente une comparaison et une évaluation systématiques de la résistance à la perforation de ces matériaux composites fibre/résine haute performance, selon les normes chinoises et américaines. Il analyse également les caractéristiques et les points clés des normes nationales et internationales concernant les méthodes d'essai, les critères d'évaluation et les exigences de performance des matériaux.

1 Section expérimentale

1.1 Principales matières premières
Tissu en fibres para-aramides de résistance standard : TH5108 (résistance à la traction de la fibre : 21,5 cN/dtex), fait maison ;
Tissu en fibres para-aramides haute résistance : TH61081 (résistance à la traction de la fibre : 23,5 cN/dtex), fait maison ;
Tissu en fibres d'aramide hétérocycliques : F-3P200 (résistance à la traction de la fibre : 28 cN/dtex), fait maison ;
Tissu en fibre PBO : JQZW SP200-1100 (résistance à la traction de la fibre : 28 cN/dtex), fait maison ;
Résine époxy et amine aliphatique modifiée : fabrication maison.

1.2 Principaux instruments et équipements
Testeur de résistance à la perforation GA68 : MPFCT-2000, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd. ;
Testeur de résistance à la perforation NIJ : AQJL-300, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd. ;
Lames d'essai GA68 : D1, D2, D3, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd. ;
Lames d'essai NIJ : P1, S1, Spike, Shanghai Shenghe Textile Technology Co., Ltd.

1.3 Préparation des échantillons
En raison des différences de compatibilité entre les diverses fibres haute performance et la résine époxy, de légères variations de la densité surfacique des matériaux résistants à la perforation préparés apparaissent après enduction et durcissement de la résine, même lorsque la densité surfacique initiale du tissu est identique [15-18]. Afin de garantir la validité scientifique et la rigueur des résultats des tests, quatre types de tissus de fibres haute performance ont été sélectionnés : para-aramide de résistance standard, para-aramide haute résistance, aramide hétérocyclique et PBO, tous présentant une densité surfacique de 200 g/m².

Les matériaux résistants aux perforations ont été préparés par un procédé manuel d'enduction à la résine. Plusieurs échantillons de 350 mm × 300 mm ont été découpés dans les quatre types de tissus à fibres haute performance mentionnés précédemment. La résine époxy a été appliquée sur les deux faces des tissus à l'aide d'une raclette, puis polymérisée en autoclave à 120 °C sous une pression de moulage de 0,3 MPa pendant 4 heures. Six types de matériaux composites à matrice fibre/résine haute performance résistants aux perforations ont ainsi été préparés. Parmi eux, les échantillons 1 à 3 utilisaient le même type de fibre (tissu de para-aramide de résistance standard) mais présentaient une teneur en résine croissante ; les échantillons 3 à 6 utilisaient différents types de fibres mais avaient des teneurs en résine similaires. Les paramètres de base des échantillons de matériaux résistants aux perforations sont répertoriés dans le tableau 1. Pour préparer les couches résistantes aux perforations en vue des essais, les matériaux ont été empilés et scellés dans un tissu noir imperméable ; cette enveloppe a efficacement protégé les matériaux de la lumière, de l'humidité et des contaminants, garantissant ainsi la précision des essais. Les valeurs de densité surfacique rapportées pour les échantillons lors des tests ultérieurs se rapportent au matériau résistant aux perforations lui-même, à l'exclusion du tissu imperméable.


1.4 Essais et caractérisation
Les échantillons de couche anti-perforation ont été testés conformément aux normes GA 68 et NIJ 0115.00 ; un tableau comparatif de ces deux normes est présenté dans le tableau 2. La norme GA 68 comprend deux niveaux – classe A et classe B – exigeant tous deux une énergie de perforation de 24 J, sans pénétration autorisée lors des essais. La classe A est destinée aux environnements généraux et ne concerne qu’un seul type de lame. La classe B est spécifiquement conçue pour les environnements aéronautiques, où la probabilité de rencontrer des lames extrêmement tranchantes est minime ; par conséquent, les exigences de tranchant pour les lames D2 et D3 en classe B sont réduites.


Note: E1 et E2 représentent deux niveaux d'énergie du test de résistance à la perforation dans NIJ 0115.00.

La norme NIJ 0115.00 est divisée en trois niveaux de protection. Chaque niveau exige la réussite d'essais avec trois types de lames (lame P1, lame S1 et pointe). De plus, chaque niveau comporte deux catégories d'énergie : la pénétration maximale admissible est de 7 mm pour les essais à basse énergie et de 20 mm pour les essais à haute énergie.

La structure et les principes de fonctionnement de l'équipement d'essai pour les normes GA 68 et NIJ 0115.00 sont identiques ; la figure 1 présente un schéma de l'équipement d'essai de résistance à la perforation et la figure 2 illustre les lames d'essai. La couche résistante à la perforation est placée sur le support de la plateforme d'essai. La lame d'essai, montée sur un dispositif d'essai, pénètre dans la couche résistante à la perforation par chute libre. Une zone de mesure de la vitesse enregistre la vitesse de chute libre de la lame afin de calculer l'énergie d'essai ; l'essai est considéré comme valide si l'énergie est conforme aux exigences de la norme.

2. Résultats et discussion

2.1 Comparaison de la résistance à la perforation de différents matériaux selon différentes normes
Des tests de résistance à la perforation ont été réalisés sur les six matériaux listés dans le Tableau 1 à température ambiante. Cinq séries d'échantillons ont été testées pour chaque configuration, et les résultats présentés correspondent à la moyenne de ces cinq séries. À niveau de protection égal, un matériau nécessitant moins de couches – et présentant donc une densité surfacique globale plus faible – offre une meilleure résistance à la perforation ; inversement, un matériau nécessitant plus de couches – et présentant donc une densité surfacique globale plus élevée – offre une résistance moindre. Le Tableau 3 compare la résistance à la perforation des différents matériaux selon les diverses normes. Pour les classes A et B de la norme GA 68, l'énergie de test était de 24 J. Pour les niveaux I, II et III de la norme NIJ 0115.00, les tests ont été réalisés aux niveaux d'énergie E1 et E2 correspondants, conformément à la norme ; le résultat indiqué correspond à la densité surfacique maximale requise pour satisfaire simultanément aux deux niveaux d'énergie.
Comme le montre le tableau 3 : (1) À niveau de résistance à la perforation égal, parmi les matériaux n° 3, 4, 5 et 6 (présentant des teneurs en résine similaires), le matériau PBO n° 6 possède la densité surfacique la plus faible, tandis que le matériau para-aramide n° 3 possède la plus élevée ; le matériau PBO n° 6 présente donc la meilleure résistance à la perforation. Ceci indique que, pour les matériaux à base de résine résistants à la perforation et présentant une même teneur en résine, une plus grande résistance des fibres se traduit par une meilleure résistance à la perforation. (2) À niveau de norme égal et avec le même type de tissu de fibres, les densités surfaciques des matériaux n° 1, 2 et 3 augmentent progressivement. Ceci indique que, pour les matériaux à base de résine utilisant la même fibre, une teneur en résine plus élevée se traduit par une meilleure résistance à la perforation. (3) Bien que les tests GA 68 de classe A et de classe B impliquent tous deux une perforation d'une énergie de 24 J, le tranchant des lames diffère, la lame de classe B étant moins tranchante. La densité surfacique requise pour se protéger contre une lame de classe A est plus du double de celle requise pour une lame de classe B, ce qui démontre que la lame de classe B, selon la norme GA 68, a une efficacité inférieure à la moitié de celle d'une lame de classe A. Pour la norme NIJ 0115.00, l'énergie de perforation augmente à chaque niveau ; par conséquent, le nombre de couches et la densité surfacique du matériau nécessaires pour assurer la protection augmentent également progressivement. (4) Les densités surfaciques requises pour se protéger contre les lames de classe A de la norme GA 68 et de niveau I de la norme NIJ 0115.00 sont similaires ; le test de classe A de la norme GA 68 implique une énergie de 24 J sans pénétration, tandis que la norme NIJ 0115.00 implique une énergie de 24 J pour le niveau de faible énergie (permettant une pénétration de 7 mm) et de 33 J pour le niveau de haute énergie (permettant une pénétration de 20 mm), ce qui signifie que ces deux niveaux de protection imposent des exigences comparables aux matériaux résistants aux perforations à base de résine.

2.2 Comparaison de la résistance à la perforation de différents matériaux face à diverses lames d'essai
La gravité de la menace que représentent différents types de lames — deux conformes à la norme GA 68 Classe B et trois à la norme NIJ 0115.00 — a été étudiée à des niveaux d'énergie équivalents. Pour évaluer la conformité d'un matériau aux normes de résistance à la perforation, la lame la plus puissante spécifiée dans la norme est généralement le facteur déterminant ; si un échantillon résiste à cette lame, on peut en déduire qu'il satisfait à la norme pour ce niveau de protection. Étant donné que différentes lames imposent des exigences distinctes au matériau, l'analyse des variations de performance entre ces lames révèle les caractéristiques spécifiques du matériau. Divers matériaux résistants à la perforation ont été testés face aux deux lames de la norme GA 68 Classe B et aux trois lames de la norme NIJ 0115.00. Le tableau 4 présente le nombre de couches de matériau et la densité surfacique requis pour que les matériaux satisfassent aux normes correspondantes GA 68 Classe B et NIJ 0115.00 Niveau I.


Comme le montre le tableau 4 : (1) Concernant les deux lames GA 68 de classe B utilisées sur les matériaux haute performance à matrice de résine renforcée de fibres et résistants à la perforation, la protection contre la lame D3 exige une plus grande quantité de matériau que la protection contre la lame D2, ce qui indique que la lame D3 représente une menace plus importante. Par conséquent, lors des essais préliminaires de résistance à la perforation, si un matériau présentant une densité surfacique spécifique résiste à la lame D2, on peut généralement en déduire que ce matériau, à cette densité surfacique, est capable de réussir l'essai GA 68 de classe B. (2) Pour les trois niveaux de la norme NIJ 0115.00, la densité surfacique requise pour les essais à haute énergie (permettant une pénétration de 20 mm) est systématiquement supérieure à celle requise pour les essais à basse énergie (permettant une pénétration de 7 mm). Par conséquent, lors des essais préliminaires, si un matériau présentant une densité surfacique spécifique résiste à l'essai à haute énergie d'un niveau donné de la norme NIJ 0115.00, on peut déterminer que ce matériau est conforme à la norme pour ce niveau, ce qui évite de procéder à des essais supplémentaires à basse énergie au même niveau. (3) Parmi les trois types de lames spécifiés dans la norme NIJ 0115.00, la lame S1 exige la plus faible densité surfacique de matériau résistant aux perforations, à base de résine renforcée de fibres haute performance, pour une protection optimale, ce qui indique que la lame S1 est la moins redoutable. La lame P1 de la norme NIJ 0115.00 est analogue à la lame D1 des normes de sécurité publique nationales ; elle se caractérise par une lame relativement longue et large, exerce une action de cisaillement plus importante sur le matériau lors de la pénétration et impose des exigences plus élevées aux propriétés mécaniques des fibres. En conséquence, les matériaux présentant une résistance des fibres plus élevée offrent une protection supérieure contre la lame P1. Parmi les échantillons n° 3, 4, 5 et 6 — qui présentent une teneur en résine comparable —, l'échantillon n° 6 possède les meilleures propriétés mécaniques et nécessite donc une densité surfacique plus faible pour résister à la lame P1. La lame « pointue » de la norme NIJ 0115.00 est acérée et fine ; lors d'un impact vertical à grande vitesse, elle glisse facilement au-delà des contraintes des fibres, minimisant ainsi le cisaillement des faisceaux de fibres et ne parvenant pas à dissiper efficacement son énergie cinétique, ce qui lui permet de continuer à pénétrer vers le bas. Par conséquent, pour se protéger contre ce type de lame, la teneur en résine et la dureté de la résine deviennent des facteurs critiques. Parmi les échantillons n° 1, 2 et 3 — qui utilisent le même type de fibre mais diffèrent par leur teneur en résine —, l'échantillon n° 3 présente un avantage plus marqué en matière de protection contre la lame pointue que contre les autres types de lames. De plus, le tableau 4 montre que pour les échantillons n° 3, n° 4, n° 5 et n° 6 — qui varient en résistance des fibres mais ont une teneur en résine comparable — il n’y a pas de différence significative en matière de protection contre la lame pointue, confirmant ainsi que la lame pointue impose des exigences plus élevées en matière de teneur en résine des matériaux résistants aux perforations.

2.3 Comparaison de la résistance à la perforation de différents matériaux dans diverses conditions environnementales
La norme de résistance aux coups de couteau de mon pays, GA 68, fournit des spécifications détaillées concernant l'adaptabilité environnementale des gilets pare-balles, et couvre trois conditions : haute température, basse température et immersion dans l'eau. Le test à haute température consiste à conditionner l'échantillon à (55 ± 2) °C pendant 4 heures avant le test de résistance aux coups de couteau ; le test à basse température consiste à le conditionner à (-20 ± 2) °C pendant 4 heures ; et le test d'immersion dans l'eau consiste à tremper l'échantillon de la couche pare-balles dans l'eau pendant 30 minutes avant de le retirer pour le test de résistance aux coups de couteau. Le tableau 5 répertorie le nombre de couches et la densité surfacique requis pour différents matériaux pare-balles lors de tests effectués dans différentes conditions environnementales.
Comme le montre le tableau 5, Les matériaux haute performance à matrice fibre/résine résistants aux coups de couteau nécessitent une densité surfacique plus élevée à haute température. En revanche, le nombre de couches et la densité surfacique requis restent sensiblement les mêmes en immersion dans l'eau et à température ambiante. De plus, le nombre de couches et la densité surfacique les plus faibles sont requis à basse température. Ceci s'explique par la diminution de la dureté de la résine à haute température, or la dureté est un facteur clé influençant la résistance aux coups de couteau de ces matériaux. Une dureté réduite diminue la capacité de la couche résistante aux coups de couteau à émousser la pointe d'une lame, réduisant ainsi la résistance aux coups de couteau. À l'inverse, la dureté de la résine augmente à basse température, ce qui confère aux matériaux une résistance aux coups de couteau supérieure. Les résultats des tests d'immersion dans l'eau indiquent que, lors de la fabrication de gilets pare-balles, si le tissu imperméable encapsulant le matériau résistant aux coups de couteau répond aux normes de qualité, la résistance à la perforation du matériau reste inchangée lorsqu'il est immergé dans l'eau. Les essais préliminaires des matériaux résistants à la perforation devraient privilégier l'évaluation des performances dans des conditions de haute température.

3. Conclusions

(1) Pour les matériaux haute performance à matrice fibre/résine résistants à la perforation, lorsque la teneur en résine est identique ou similaire, une résistance des fibres plus élevée se traduit par une résistance à la perforation supérieure ; inversement, lorsque la résistance des fibres est constante, une teneur en résine plus élevée donne une meilleure résistance à la perforation.

(2) La densité surfacique des matériaux à matrice de résine haute performance requise pour satisfaire à la norme de résistance à la perforation de classe A de la norme GA 68 est plus du double de celle requise pour la classe B. Il existe une relation progressive entre les matériaux et les densités surfaciques requises pour satisfaire aux trois niveaux de protection de la norme américaine NIJ 0115.00 : les menaces à haute énergie d’un niveau donné sont plus difficiles à neutraliser que les menaces à basse énergie du même niveau. La résistance à la perforation de la classe A de la norme GA 68 est comparable à celle du niveau I de la norme NIJ 0115.00.

(3) Concernant les matériaux haute performance à matrice fibre/résine résistants à la perforation, la lame D2 spécifiée dans la norme GA 68 est moins performante que la lame D3. Parmi les lames NIJ 0115.00, la lame S1 est la moins performante ; la lame P1 exige une résistance élevée des fibres, tandis que la lame à pointes exige une teneur élevée en résine.

(4) Les environnements à haute température ont l'impact le plus significatif sur les matériaux à matrice de résine haute performance résistants à la perforation ; par conséquent, les tests préliminaires doivent se concentrer sur les performances de résistance à la perforation dans des conditions de haute température.