Elaboration de matériaux céramiques composites et/ou d'architectures lamellaires pour la protection balistique des personnes et des matériels

Development of composite ceramic materials and / or layered architectures for ballistic application

• Auteur / Autrice : Charles Aharonian
• Direction : Cécile Pagnoux, Pierre-Marie Geffroy, Nicolas Tessier-Doyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 18/12/2014
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Jury : Président / Présidente : Marc Huger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Pagnoux, Pierre-Marie Geffroy, Nicolas Tessier-Doyen, Eric Lafontaine, Lionel Lostec, Pierre-François Louvigné
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Valdivieso, Michel Parlier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Céramiques renforcées de fibres

Procédés de fabrication

Protection

Balistique

Propriétés mécaniques

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Céramiques balistiques

Céramiques lamellaires

Frittage

Ceramic armor

Layered ceramics

Sinterring

Résumé

Le développement de céramiques légères à hautes performances mécaniques et à bas coût à base de silico-alumineux, suscite un intérêt grandissant dans divers domaines d’application tels que la protection balistique. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail a été de développer un matériau innovant susceptible de rivaliser avec les protections balistiques en alumine ou en carbure. Plusieurs voies ont été explorées. Une étude approfondie des compositions de silico-alumineux a permis d’obtenir des matériaux présentant un meilleur compromis masse volumique / module d’Young, et dont le principal avantage est d’utiliser des procédés d’élaboration conventionnels (pressage, coulage sous pression) ainsi que les fours dédiés à la cuisson de la porcelaine par frittage naturel. Afin de renforcer la dureté de surface, des dépôts de carbures ont été réalisés à l’aide d’un protocole qui a permis une bonne accroche du carbure sur le substrat tout en conservant un traitement thermique conventionnel de consolidation. Enfin, des architectures lamellaires ont également été élaborées afin de maximiser les phénomènes de dissipation d’énergie. En bénéficiant d’un différentiel d’expansion thermique entre deux compositions de silico-alumineux, l’apparition de contraintes thermiques résiduelles au refroidissement de l’étape de frittage a permis d’augmenter la valeur de contrainte à la rupture des matériaux à architectures lamellaires de plus de 60%.

The development of lightweight alumino-silicate based ceramics exhibiting high mechanical performances and low cost, shows a growing interest in various application areas such as ballistic protection. In this context, the aims of this study is the development of innovative materials corresponding to competitive ballistic protection comparing to carbide or alumina materials. Several ways were explored. A thorough study of alumino-silicate compositions has allowed to obtain materials with a best compromise density / Young's modulus, the main advantage is the ability to use conventional methods of preparation (pressing, die-casting) and conventional kilns used for the firing of porcelain. To improve the surface hardness, carbide coatings were performed. The original protocol developed leads to carbide coating with good adhesion on the substrate using a traditional thermal treatment method. Finally, lamellar architectures of materials were developed to increase the energy dissipation of failure. Thanks to a differential thermal expansion between the two compositions of alumino-silicates, the occurrence of residual thermal stresses in lamellar materials has increased the average stress of failure values of more than 60%.