Academic literature on the topic 'Céramiques de blindage'

Guidée par une recherche continue de performance de production, de qualité de fabrication et de réduction des coûts, l’industrie utilise de manière croissante de nouveaux revêtements techniques, hybrides, multifonctionnels, assurant des fonctions critiques (anticorrosion, protection contre les impacts de foudre, blindage, furtivité…). Ces revêtements sont souvent conçus pour optimiser des propriétés thermiques, électromagnétiques, électriques, mais aussi acoustiques ou mécaniques. Leur complexité peut être plus ou moins importante avec la possibilité d’ajouter des fonctions supplémentaires selon leur cadre d’utilisation, comme par exemple l’utilisation en conditions extrêmes. L’aptitude des technologies THz pour la mesure d’épaisseur de revêtements a déjà été démontrée dans de nombreuses publications et en environnement industriel. Les gammes de mesure, la précision ainsi que la cadence d’acquisition et de traitement sont compatibles avec une grande partie des applications industrielles. Le capteur développé par Terakalis est rapide, sans contact et adapté au travail sur des pièces avec des surfaces complexes et de grandes dimensions. Il permet de déterminer l'épaisseur de chaque couche d’un revêtement multicouche et offre des avantages significatifs par rapport aux techniques existantes. Il est par exemple possible de : • Mesurer des épaisseurs multicouches très fines (à partir de 10μm), sur tous types de substrats (métalliques, composites, céramiques…), de manière rapide pour des cartographies, • Détecter des départs de corrosion sur substrat métallique sous le revêtement, • Détecter des défauts de cohésions entre le revêtement et le substrat (délaminations), • Mesurer les épaisseurs de revêtements même humides (gain de temps, détection plus rapide d’éventuels défauts). Cette technologie représente une rupture majeure pour le contrôle de la qualité et des processus dans l'application de peinture et offre des avantages économiques et environnementaux. Lors de cette communication, TERAKALIS, société spécialisée en fabrication d’équipements THz, présentera le principe des ondes TeraHertz, les principales méthodes de mesure, un état de la maturité des systèmes THz actuels avec leurs performances et limites pour la mesure de faibles épaisseurs et la détection de défauts dans les revêtements fins (<1mm) et aux interfaces. Elle s’appuiera sur des cas applicatifs en guise d’illustration.

Les céramiques sont couramment utilisées depuis les années 1960 comme matériaux constitutifs de blindages. En effet, grâce à leurs très bonnes propriétés physiques et mécaniques, elles permettent, pour un même niveau de protection, un gain de masse important par rapport aux blindages métalliques. Cependant, la microstructure d’une céramique peut avoir une forte influence sur sa résistance à l’impact. Le but de cette thèse est, à partir d’essais de caractérisation et en se basant sur l’utilisation de quatre nuances de carbure de silicium présentant des microstructures différentes, d’éclaircir les liens entre microstructure et performance à l’impact. Les campagnes expérimentales de compression dynamique et d’écaillage sont basées sur une utilisation innovante du moyen GEPI installé au CEA Gramat. Pour l’étude du comportement en compression dynamique des céramiques, il a permis d’utiliser la technique d’analyse lagrangienne et ainsi de remonter à l’évolution de la résistance des matériaux au cours du chargement. Pour les essais d’écaillage, il a permis, entre autres, une étude de la sensibilité à la vitesse de déformation de la résistance en traction dynamique. La caractérisation de la fragmentation dynamique est quant à elle basée sur des essais d’impact sur la tranche. Un essai innovant d’impact sur céramique préalablement fragmentée a également été dimensionné et réalisé. Ces différents essais expérimentaux ont permis de mettre en évidence et de comprendre l’influence de la microstructure du matériau sur son comportement face aux différents types de sollicitations. L’ensemble des résultats expérimentaux a été comparé à des simulations numériques permettant de valider les lois de comportement utilisées. Le modèle de fragmentation des matériaux fragiles DFH (Denoual-Forquin-Hild) a ainsi montré de très bonnes capacités à simuler le comportement des céramiques sous chargement de traction dynamique (écaillage et fragmentation)
Since the sixties, ceramics are commonly used as armour materials. Indeed, thanks to their interesting physical and mechanical properties, they allow a significant weight benefit in comparison to monolithic steel plate armours. However, the microstructure of the ceramic may have a strong influence on its penetration resistance. Based on characterisation tests and on the use of four silicon carbide grades, this work aims to highlight the links between the microstructure and the ballistic efficiency. Experimental compressive and spalling tests are based on the use of the GEPI device. For studying the compressive dynamic behaviour, it allows using the lagrangian analysis method and characterising the yield strength of the material. For studying the tensile dynamic behaviour, it allows assessing the strain-rate sensitivity of the spall strength. An analysis of the fragmentation process is performed based on Edge-On Impact tests. Moreover, an innovating impact test on fragmented ceramics has been designed and performed. The different experimental results allow a better understanding of the influence of the ceramic microstructure on its behaviour under the different loadings. All the experimental data have been compared to numerical results allowing validating the constitutive models. The DFH (Denoual-Forquin-Hild) damage model of brittle materials showed very good capacities to simulate the tensile dynamic behaviour of ceramics (spalling and fragmentation)

Certaines nuances de céramiques, comme les carbures de silicium (SiC) ou les alumines (Al2O3), sont utilisées comme matériaux balistiques en raison de leurs excellentes performances mécaniques, notamment leur dureté, tout en étant légères, là où le gain de masse est un enjeu majeur pour la conception d’équipements militaires de protection individuelle ou de véhicule. Depuis la guerre du Viêt Nam, les céramiques ont été largement utilisées et intégrées comme face avant de blindage bicouche pour stopper la menace des projectiles de type AP (Armour-Piercing) durant un impact balistique. Néanmoins, le projectile provoque un endommagement intense dans la céramique en raison, notamment, d’un chargement de traction dynamique qui se manifeste par une fissuration multiple, appelée fragmentation, particulièrement défavorable à l’intégrité de la protection balistique et à sa capacité à faire face à un second impact. Afin de développer un matériau de blindage plus performant, il est essentiel de comprendre le lien entre la microstructure des céramiques, l’endommagement généré sous impact et leurs performances balistiques.Cette thèse cherche à mieux comprendre le phénomène de fragmentation dynamique généré à hautes vitesses de déformation dans des céramiques à forte ténacité, incluant un matériau aluminé bio-inspiré de la nacre. Cette nacre artificielle est, a priori, plus réfractaire aux fissures que les céramiques conventionnelles car elle se caractérise par une haute ténacité statique en raison d’une microstructure spécifique de type « Brique-Mortier » (ou BM) reproduite dans le matériau appelé ici MAINa
Some ceramic grades, such as silicon carbide (SiC) or alumina (Al2O3), are used as ballistic materials thanks to their excellent mechanical performances, such as their hardness, while being light, where weight gain is a major issue for the design of military equipment for personal and vehicle protection. Since the Vietnam War, ceramics have been largely used and integrated as front face in bilayer shielding to stop the threat of AP (Armour Piercing)-type projectiles during a ballistic impact. Nevertheless, the projectile leads to an intense damage in the ceramic due to, amongst other phenomena, a dynamic tensile loading that manifests by multiple cracking, called fragmentation, particularly unfavourable for the integrity of the ballistic protection and its capacity to deal with a second impact. In order to develop a more performing shielding material, it is essential to understand the link between the microstructure of ceramics, the damage generated under impact and their ballistic performances.This thesis seeks to better understand the dynamic fragmentation phenomenon generated at high strain rates in high fracture-toughness ceramics, including a bio-inspired alumina material mimicking nacre microstructure. This artificial nacre is, a priori, more crack resistant than conventional ceramics as it is characterised by a high static fracture-toughness due to its specific “Brick-and-Mortar” (or BM) microstructure reproduced in the material called here MAINa

Les matériaux céramiques sont largement utilisés dans la composition de blindages ou de structures de protection car ils permettent, à performances égales, un gain de masse important par rapport à leurs homologues en acier. Dans ces conditions, ils subissent des chargements extrêmes conduisant à des mécanismes de microplasticité et d’endommagement sous fort confinement et sous haute vitesse. Pour bien comprendre le comportement de ces matériaux il est nécessaire de procéder à une caractérisation du comportement mécanique sous des conditions de vitesse et de pression représentatives. Plusieurs techniques expérimentales sont utilisées pour étudier le comportement dynamique des céramiques sous fort confinement. Parmi elles figure la technique d'essai d'impact de plaque. Au cours de cet essai, une plaque impactrice (souvent constituée d'un matériau métallique) frappe le matériau cible, et certaines propriétés mécaniques telles que la limite élastique d'Hugoniot (HEL) ainsi que la courbe d'Hugoniot du matériau peuvent être déduites grâce au profil de vitesse mesuré en face arrière de la cible. Néanmoins, ce test présente l'inconvénient de générer une discontinuité de l’état de contrainte sans passer par les états de contrainte et de densité intermédiaire.L’un des objectifs de cette thèse a été de développer et de mettre en œuvre une configuration expérimentale d’impact de plaques sans choc permettant de pratiquer une Analyse Lagrangienne. Les différentes campagnes expérimentales ont été effectuées à l’aide du lanceur présent au sein du laboratoire 3SR. L’utilisation de plaque impactrice ondulée permettant de générer une rampe de chargement a été validée à l’aide d’essais sur acier 316L qui présente l’avantage de ne pas changer de phase sur la plage des contraintes étudiées. Par la suite deux céramiques, l’alumine F99.7 et le SiC Forceram, ont été étudiées dans cette configuration. Ces essais, couplés à l’utilisation de la technique d’analyse lagrangienne, ont permis d’obtenir la courbe de la contrainte axiale en fonction de la déformation axiale au-delà de la HEL.Parallèlement aux essais sans choc, des configurations d’impact de plaque plan ont été développées pour caractériser les profils temporels de contraintes axiales et radiales dans la céramique. Cette configuration repose sur l’utilisation de jauges piezorésistives en Manganin. Ces essais ont été pratiqués sur des cibles en acier puis en alumine. Les résultats ont été comparés avec ceux obtenus par mesure de vitesse en face arrière pratiquée pendant ces mêmes essais.L’ensemble des résultats expérimentaux de la thèse ont été comparés à des simulations numériques par éléments finis s’appuyant sur un modèle de plasticité de type JH2 (Johnson–Holmquist). Ces calculs ont permis d’identifier par approche inverse les paramètres du modèle de comportement de la céramique permettant de mieux appréhender le comportement mécanique de ces matériaux sous de telles conditions de chargement. Néanmoins, d’autres essais, notamment des essais triaxiaux, pourront être envisagés afin de compléter l’identification d’un modèle de comportement pour ces microstructures sous des pressions intermédiaires de confinement
Ceramic materials are widely used in armour or protective structures providing weight savings for equivalent performance compared to their steel counterparts. In these conditions, they experience extreme damage, micro-plasticity and fragmentation mechanisms. To fully understand these behaviours, characterization under high-strain-rate compression needs to be conducted. Several experimental techniques, such as the plate-impact test, are used to investigate the dynamic behaviour of ceramic under high compressive loading. During this experiment, a flyer plate (often made of a metallic material) strikes the target, and some mechanical properties such as the HEL (Hugoniot Elastic Limit) as well as the Hugoniot curve of the material can be deduced from the rear side velocity measured at the back of the target. Nevertheless, this test do not provide a controllable loading-rate in the target and the hardening behaviour cannot be directly deduced.One of the aims of this thesis was to develop and implement an experimental shockless plate-impact configuration enabling Lagrangian Analysis. The various experimental campaigns were carried out using the 3SR laboratory launcher. The use of wavy flyer plates to generate a loading ramp was validated using tests on 316L steel, which has the asset of not changing phase in the range of studied stresses. Two ceramics, F99.7 alumina and Forceram SiC, were then studied in this configuration. These tests coupled with Lagrangian analysis enable to obtain the curve of axial stress as a function of axial strain beyond the HEL.At the same time, some other plate impact configurations were developed to characterise the temporal profiles of axial and radial stresses in the ceramic. This configuration is based on the use of Manganin piezoresistive gauges. These tests were carried out on steel and alumina targets. The results were compared with the ones obtained by rear side velocity measurements during the same tests.The experimental results from the thesis were compared with numerical finite element simulations based on a JH2-type (Johnson–Holmquist) plasticity model. These calculations were used to identify the parameters of the ceramic behaviour model thanks to an inverse approach. It helps providing a better understanding of the mechanical behaviour of these materials under such loading conditions. Nevertheless, other tests, in particular triaxial tests, could be further considered in order to complete the identification of a constitutive model for these microstructures under intermediate confinement pressures

Les matériaux céramiques sont des composants incontournables dans les blindages antibalistiques multicouches. Leur faible densité, typiquement deux à trois fois inférieure à celle de l’acier, combinée à une très haute résistance en compression les rends essentiel pour des applications d’armures légères. Le carbure de silicium est un matériau prometteur pour cette application en raison de sa faible densité et de sa dureté élevée en comparaison des autres céramiques. L’étude du lien entre la microstructure du matériau et son processus de fragmentation pendant l’impact est une étape importante afin d’optimiser les céramiques pour les applications de protection balistique.Quatre nuances de carbure de silicium denses avec différentes microstructures ont été étudiées, dont trois élaborées au cours de ces travaux. Pour cela, deux modes de frittage ont été utilisés (frittage en phase solide et frittage en phase liquide) ainsi que deux procédés de frittage (frittage naturel et frittage flash). Un soin particulier a été porté aux diverses étapes de la fabrication afin de produire des microstructures homogènes et denses. Des pièces de taille satisfaisante pour l’application ont été réalisées pour chaque nuance. Elles ont été soumises à des caractérisations microstructurales (microscopie électronique à balayage et en transmission, diffraction des rayons X, cartographie élémentaire, analyses chimiques) et mécaniques en quasi-statique (dureté, ténacité, contrainte à la rupture, module de Weibull) et en dynamique. La fragmentation dynamique des carbures de silicium a été étudiée grâce à des essais utilisant une configuration d’impact sur la tranche. Une première configuration a permis d’observer la phénoménologie et la chronologie de l’endommagement du matériau grâce à une caméra ultra-rapide. Une seconde configuration ‘sarcophage’ a permis d’observer la fragmentation des matériaux, c’est-à-dire le motif et la densité de fissuration des cibles. Il a été observé que la microstructure joue un rôle clef sur l’intensité de l’endommagement subit par la céramique pendant l’impact. Une bonne adéquation avec des simulations utilisant le modèle d’endommagement anisotrope Denoual-Forquin-Hild (DFH) a été mise en évidence. Une autre configuration expérimentale mettant en oeuvre un double impact sur une même cible a été utilisée afin de caractériser la résistance de la céramique endommagée. En parallèle, des essais balistiques avec des munitions 7,62x54mmR API B32 et 7,62x51mm AP8 ont été réalisés. La microstructure des céramiques a montré jouer un rôle important sur la performance balistique
Ceramics are a key component in multilayer armor structures. Their low density, typically two to three times lower than steel, combined with a high compressive strength make them essential materials for lightweight armor solutions. Silicon carbide is a promising material for this application due to its particularly low density and high hardness, even among other ceramics. However, armor performance is controlled by more than just the composition and understanding the link between the ceramic microstructure and the fragmentation process during the impact is essential to produce optimized and high performance materials for armor applications.Four dense silicon carbide grades with various microstructures have been used, including three produced during this work. For that, two sintering modes (solid state sintering and liquid phase sintering) and two sintering processes (pressureless sintering and spark plasma sintering) have been used. Particular care has been taken with ceramic processing in order to produce different homogenous and dense microstructures. Silicon carbide parts have been produced at a sufficient size for the application. They were submitted to microstructural characterization (scanning and transmission electronic microscopy, X-ray diffraction, elemental cartography, chemical analysis) and mechanical characterization in quasi-static mode (hardness, toughness, module of rupture, Weibull modulus) and dynamic mode. Dynamic fragmentation of silicon carbide grades has been studied by means of Edge-On Impact (EOI) experiments. A first configuration enabled the study of the damage process that spreads out within the tile thanks to an ultra-high speed camera. A second ‘sarcophagus’ configuration was used to enable observation of the target fragmentation, i.e., crack patterns and crack densities. It has been observed that the microstructure of ceramics plays a key role in the damage intensity generated during impact. A good match with a simulation using the Denoual-Forquin-Hild (DFH) anisotropic damage model has been highlighted. Another experimental configuration implying a double impact on ceramics has been used to characterize the resistance of the damaged target. In parallel, ballistic experiments with 7.62 x54mmR API B32 and 7.62x51mm AP8 threats have been performed. Microstructure of ceramics has been shown to play an important role on ballistic performance

Les céramiques techniques, notamment le carbure de silicium (sic), présentent un grand intérêt comme matériaux pour blindage, du fait de leur légèreté et de leur dureté importante. Le but de cette étude est de modéliser le comportement du sic lors de l'impact d'un projectile de petit calibre, à une vitesse inférieure à 350 m/s, sur une cible bi-couche sic/acier. Après une caractérisation précise du matériau, une configuration expérimentale adaptée a été développée pour obtenir des données en temps réel durant l'impact. Une géométrie originale pour un essai dynamique (impact sur un barreau) a permis de visualiser la propagation de l'endommagement sur la surface libre de la céramique à l'aide d'une camera ultra-rapide, tout en mesurant la contrainte à l'interface céramique/acier au moyen d'une jauge de contrainte au Manganin. Ces résultats expérimentaux ont permis de proposer un nouveau modèle d'endommagement anisotrope qui tient donc compte des orientations particulières des fissures. Ce modèle est basé sur un amorçage des fissures en mode i, l'endommagement étant défini à partir de l'approche classique de Kachanov. La confrontation expérience/simulation numérique (effectuée sur le code de calcul EFHYD 3d) permet de bien retrouver les niveaux de contrainte ainsi que les formes d'endommagement et les directions des principaux réseaux de fissures. La validation du modèle a ensuite été réalisée lors de l'impact sur des carreaux, configuration réaliste dans le cas d'une application blindage. Le niveau de contrainte est à nouveau bien retrouvé et la comparaison des réseaux de fissures dans la céramique, observés post-mortem, et des fissures simulées conduit à une corrélation satisfaisante. Ce travail permettra à très court terme de simuler des impacts pour des menaces de type 12. 7 mm P, et ce, pour différentes céramiques. Ceci nécessitera une meilleure compréhension des phénomènes de rupture macroscopique intervenant avant la perforation.