Les protections fluides, un pas vers l'avenir ?
Par Tancrède de GUIGNÉ, Marie TOURRÉ, Pierre Nicolas BIZAT et Camille GAZEAU
A/ Processus hybride : alliage du kevlar au STF
Le gilet pare-balles en kevlar qu’est ce que c’est ?
Un gilet pare-balles est principalement destiné à protéger le torax, l’abdomen et le dos contre des attaques à armes à feu ou armes blanches. Il est très souvent composé de plusieurs couches de kevlar assemblées et peut comporter une plaque en céramique afin de résister aux armes les plus massives.
Il ne peut protéger de toutes les attaques notamment du fait de son champ de bouclier réduit ne prenant pas en compte les extrémités du corps. Le kevlar® ou les autres fibres qui le composent telles que différentes sortes de polyéthylènes sont des fibres très résistantes et tissées de manière extrêmement serrées afin de les rendre le plus efficace possible.
Enfin un gilet pèse au minimum 2,5kg et peut aller jusqu'à 6kg ce qui représente un poids considérable et une entrave à la mobilité des soldats et agents.
1- le choix du fluide non newtonien
Le fluide choisi doit être de type non newtoniens rhéoépaissisant ( aussi appelé shear thickening fluid : STF ) et imbibable simplement aux fibres de kevlar. Le STF se compose d’un liquide porteur et de particules colloïdales de silice rigide. Le liquide porteur est un polyéthylène Glycol qui est choisi pour sa grande stabilité et ses propriétés non-inflammable.
Les particules colloïdales sont des molécules aux propriétés dilatantes. Dans un liquide porteur elle sont dispersées et tenues éloignées par une force de répulsion qui les maintient en suspension. Lors d’un choc brutal l'énergie de l’impact permet aux particules de franchir cette barrière énergétique de répulsion. Ainsi le liquide se solidifie brutalement de part l'agglomération de particules.
2- Le principe d’imbibation
Pourquoi choisir l'imbibation du kevlar par le STF ?
Le choix d'imprégner le kevlar n'était pas un choix évident. En effet, d’autres options auraient pu être adoptées tel que la juxtaposition du fluide et des couches de fibres ou la juxtaposition en alternance de STF et de kevlar. Cependant, après réalisation de tests, il a été conclu que l'imprégnation était la technique la plus efficace. Un de ses tests est présenté dans le document ci-dessous.
Ce document nous présente la pénétration d’une balle tirée à une même vitesse dans différents assemblages de kevlar et de STF. Le but étant que la pénétration de la balle soit moindre pour une capacité de protection plus élevée. Ainsi on remarque que pour la solution F du document ( celle de kevlar imbibé de STF) la pénétration de la balle est de moins de 6 mm, ce qui est de loin inférieur aux autres solutions possibles.
D'après le compte rendu de cette expérience on peut donc conclure qu’une protection maximale est obtenue pas imprégnation du kevlar et donc justifier le choix de cette technique.
La réalisation d’un gilet par balle hybride nécessite un processus précis d'imbibation du matériau de base afin de préserver les qualités du STF tout en les incluant aux fibres de kevlar. le principe étant que les fibres de kevlar se retrouvent comme collées par le fluide et que celui-ci soit pris en “sandwich” entre les couches de kevlar. Afin de faciliter l'imprégnation du STF au tissu la première étape serait une dilution de celui si dans un autre fluide que l’on pourrait après éliminer par évaporation. Le solvant choisi est l’éthanol, le STF est dilué puis on imprègne le kevlar. Une fois celui-ci saturé par la solution il est mis au four durant 20 min à 80°C pour réaliser l'évaporation de l’éthanol et ne conserver que les particules de silice.
Ainsi le STF peut être associé au kevlar pour créer une solution hybride.
observations au microscope de fibre de kevlar imprégné de STF
3- Résultat de l’imbibation
Ainsi, il est possible de conserver les avantages des STF tout en les incluant au kevlar. Les particules au comportement non newtoniens sont emprisonnées entre les fibres de kevlar et peuvent conserver leurs propriétés. Le schéma ci-dessous permet de comprendre au mieux l’alliage des deux matériaux. Il s’agit alors de savoir si cette technologie hybride est aussi performante que les protections déjà existantes.
