Carbure de silicium pour application blindage : élaboration et étude du comportement à l'impact

Silicon carbide for armor applications : production and investigation of impact behaviour

• Auteur / Autrice : Gilles Rossiquet
• Direction : Frédéric Bernard, Pascal Forquin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - physique
• Date : Soutenance le 28/11/2012
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Alain Dereux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stephan Bless, Daniel Urffer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Chartier, Stéphane Roux
• DOI : 10.70675/0cee6ff3zbfaaz4691z98cfz385079f422e8

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbure de silicium

Applications industrielles

Fragmentation

Matériaux -- Essais dynamiques

Balistique

Frittage (métallurgie)

Mots clés libres

Céramique

Carbure de silicium

Blindage

Fragmentation

Mécanique

Dynamique

Balistique

Impact sur la tranche

Ceramic

Silicon carbide

Armor

Fragmentation

Mechanic

Dynamic

Ballistic

Edge-on impact

Résumé

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