FR2469277A1 - Glass or poly:aramid fabric reinforced explosion resistant material - based on viscoelastic thermosetting or thermoplastic resins, esp. epoxy! resins, esp. as armour plating or vehicle bumpers - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet de nouveaux dispositifs de protection contre les chocs et les explosions constitués de matériaux stratifiés à base de tissus de fibres organiques ou inorganiques et d'une résine viscoélastique thermodurcissable ou thermoplastique. The present invention relates to novel devices for protection against shocks and explosions consisting of laminated materials based on organic or inorganic fiber fabrics and a thermosetting or thermoplastic viscoelastic resin.
On sait que les matériaux à fort coefficient d'amortissement et notamment les matériaux viscoélastiques permettent d'atténuer ou même de supprimer les vibrations acoustiques. It is known that materials with a high damping coefficient and in particular viscoelastic materials make it possible to reduce or even eliminate acoustic vibrations.
Cette propriété est bien illustrée par le brevet des Etats-Unis nO 3 857 296 dans lequel est décrit un dispositif supprimant les vibrations acoustiques par l'utilisation d'un matériau viscoélastique. This property is well illustrated by US Pat. No. 3,857,296 which describes a device for suppressing acoustic vibrations by the use of a viscoelastic material.
Dans ce cas,la couche de matériau viscoélastique interposée entre deux plaques métalliques qui la maintiennent par contrainte amortit la transmission des vibrations entre les deux plaques métalliques. In this case, the layer of viscoelastic material interposed between two metal plates which hold it by stress dampens the transmission of vibrations between the two metal plates.
I1 a maintenant été trouvé que les résines viscoélastiques lorsqu'elles sont utilisées en combinaison avec des fibres organiques ou inorganiques permettaient d'améliorer considérablement le pouvoir protecteur, la tenue au choc et la tenue mécanique des dispositifs de protection ainsi obtenus. It has now been found that viscoelastic resins when used in combination with organic or inorganic fibers can significantly improve the protective power, impact strength and mechanical strength of the protective devices thus obtained.
Dans la description qui va suivre on désignera par le terme "dispositif de protection" les matériaux qui lors d'un choc avec un autre objet permettent de dissiper partiellement ou entièrement l'énergie cinétique dont ledit objet est animé. In the following description will be designated by the term "protective device" materials that during an impact with another object can partially or completely dissipate the kinetic energy of which said object is animated.
I1 peut s'agir de chocs dus à l'impact d'une balle ou de fragments projetés par une explosion. I1 peut également s'agir de chocs beaucoup moins violents auxquels sont soumis, par exemple, les pare-chocs de voitures. These may be shocks due to the impact of a bullet or fragments projected by an explosion. It can also be much less violent shocks to which are submitted, for example, the bumpers of cars.
On voit donc que ces dispositifs de protection peuvent être utilisés pour protéger n'importe quelles parties exposées d'un individu ou d'un objet particulier. It can thus be seen that these protective devices can be used to protect any exposed parts of an individual or a particular object.
I1 est connu dans l'art antérieur d'utiliser des matériaux stratifiés constitués de couches superposées de tissus à base de fibres et de résine comme protection lors de l'impact d'un projectile. L'énergie cinétique de ce projectile est dissipée par la déformation et le déplacement des couches de tissus imprégnés de résine. Dans ce cas, les fibres constituent l'élément essentiel du blindage, la résine étant présente pour assurer le maintien et donc l'intégrité du matériau. It is known in the prior art to use laminate materials consisting of superimposed layers of fiber-based and resinous fabrics as protection during the impact of a projectile. The kinetic energy of this projectile is dissipated by the deformation and displacement of resin-impregnated fabric layers. In this case, the fibers constitute the essential element of the shielding, the resin being present to ensure the maintenance and therefore the integrity of the material.
Ce type de protection peut être utilisé de plusieurs façons différentes, à savoir en support de couches dures comme protection contre les charges creuses, en protection unique, ou en structure composite avec d'autres éléments comme l'acier ou la céramique, par exemple. This type of protection can be used in several different ways, namely in hard layers support as protection against hollow charges, single protection, or composite structure with other elements such as steel or ceramic, for example.
Ces utilisations sont notamment illustrées par les deux brevets suivants
- le brevet français nO 1 507 333 décrit un casque
pare-balles en matériau stratifié réalisé au
moyen de tissu de verre imprégné de résine
polyester ou polyépoxyde,
- le brevet français nO 1 604 806 décrit un
blindage résistant aux petits obus destiné à
être utilisé dans les avions. Ce blindage est
formé d'une couche antérieure faite de plaques
en matériau très dur et d'une couche postérieure
en matière fibreuse imprégnée de résine. La
matière fibreuse est formée de fibres de verre
et la résine est une résine polyépoxyde.These uses are illustrated in particular by the two following patents
French Patent No. 1,507,333 describes a helmet
bulletproof material made of laminated material
medium of glass cloth impregnated with resin
polyester or polyepoxide,
French Patent No. 1,604,806 discloses a
shielding resistant to small shells intended for
to be used in airplanes. This shielding is
formed of an anterior layer made of plates
made of very hard material and a posterior layer
fiber material impregnated with resin. The
fibrous material is formed of glass fibers
and the resin is a polyepoxide resin.
Toutefois, ces matériaux malgré leur intérêt présentent certains inconvénients du fait de la nature même des fibres de verre qui ont des performances limitées et également à cause des résines d'imprégnation qui ne possèdent pas l'élasticité suffisante pour permettre la déformation et la mise en mouvement maximum des plis des tissus, ce qui diminue leur résistance lors d'impacts rapprochés. However, these materials despite their interest have certain drawbacks because of the very nature of the glass fibers which have limited performance and also because of the impregnating resins which do not have the sufficient elasticity to allow the deformation and the setting maximum movement of the folds of the tissues, which decreases their resistance during close impacts.
L'intérêt de ces matériaux s'est considérablement accru avec l'apparition des fibres organiques très résistantes telles que les fibres de polyamide aromatique fournies par Du Pont de Nemours. Ces fibres sont en effet caractérisées par une importante résistance à la traction, une faible masse volumique et donc par un rendement structurel élevé. The interest of these materials has increased considerably with the appearance of very strong organic fibers such as aromatic polyamide fibers provided by Du Pont de Nemours. These fibers are in fact characterized by a high tensile strength, a low density and therefore a high structural yield.
L'utilisation de ces fibres de polyamide aromatique dans les blindages est illustrée par le brevet français nO 2 348 991. The use of these aromatic polyamide fibers in the shielding is illustrated by French Patent No. 2,348,991.
Toutefois, les problèmes de tenue mécanique (résistance aux impacts rapprochés) et de tenue au choc restent insuffisamment résolus à cause des performances limitées des résines d'imprégnation qui ont été utilisées jusqu'ici. However, the problems of mechanical strength (close-impact resistance) and impact resistance remain insufficiently solved because of the limited performance of the impregnating resins that have been used so far.
I1 a maintenant été trouvé de manière tout à fait inattendu que l'utilisation de résine viscoélastique permettait de remédier aux inconvénients décrits précédemment en remplissant à la fois deux fonctions antagonistes, d'une part assurer l'intégrité et le maintien du matériau et d'autre part la déformation maximum des plis, lors d'un ou plusieurs chocs. It has now been found quite unexpectedly that the use of viscoelastic resin makes it possible to overcome the disadvantages described above by fulfilling both antagonistic functions, on the one hand to ensure the integrity and the maintenance of the material and to on the other hand the maximum deformation of the folds, during one or more shocks.
L'objet de l'invention est donc de fournir des dispositifs de protection présentant d'excellentes performances notamment en ce qui concerne leur pouvoir protecteur, leur tenue mécanique et leur tenue aux chocs. The object of the invention is therefore to provide protection devices having excellent performance, particularly with regard to their protective power, their mechanical strength and their impact resistance.
Selon l'invention les dispositifs de protection sont caractérisés en ce qu'ils sont constitués de matériaux stratifiés à base de tissus de fibres organiques ou inorganiques associés à une résine viscoélastique thermodurcissable ou thermoplastique présentant un facteur de perte tgd compris entre 0,5 et 1,5, un module d'élasticité
E compris entre 106 et 109 N/m2, à une fréquence de 100 Hz et à la température d'utilisation.According to the invention the protective devices are characterized in that they consist of laminated materials based on organic or inorganic fiber fabrics associated with a thermosetting or thermoplastic viscoelastic resin having a loss factor tgd of between 0.5 and 1. , 5, a modulus of elasticity
E between 106 and 109 N / m2, at a frequency of 100 Hz and at the temperature of use.
Une résine viscoélastique est un- élastomère qui présente les caractéristiques suivantes
- une élasticité multidirectionnelle, qui permet
à un bloc de matériau de se déformer suivant
ses divers degrés de liberté, le rappel élas
tique -étant isotrope. Cette propriété est
définie quantitativement par le module d'élas
ticité ou module d'Young E,
- un amortissement, lié à la nature même de
l'élastomère, qui se traduit par une dissipation
de l'énergie sous forme calorifique au sein de
la matière. La grandeur caractéristique de
l'amortissement est le facteur de perte tgs
Ces grandeurs sont définies à une certaine fréquence qui peut être prise arbitrairement.A viscoelastic resin is an elastomer which has the following characteristics
- multidirectional elasticity, which allows
to a block of material to deform next
its various degrees of freedom, the elastic recall
tick-being isotropic. This property is
defined quantitatively by the elastic module
ticity or Young's modulus E,
- depreciation, linked to the very nature of
the elastomer, which results in dissipation
energy in calorific form within
the matter. The characteristic size of
amortization is the loss factor tgs
These quantities are defined at a certain frequency that can be arbitrarily taken.
I1 existe une grande variété d'élastomères capables de répondre à ces caractéristiques devisco- élasticité. There is a wide variety of elastomers capable of responding to these characteristics of elasticity.
On peut citer à titre indicatif les résines thermodurcissables polyester ou polyépoxyde, les résines thermoplastiques polyuréthanne, chlorure de polyvinyle, etc.. Mention may be made, as an indication, of polyester or polyepoxide thermosetting resins, thermoplastic polyurethane resins, polyvinyl chloride, etc.
La résine époxyde Népurane 5500 (marque déposée) de la société déposante s'est révélée particulièrement intéressante dans cette application. The epoxy resin Népurane 5500 (registered trademark) of the applicant company has proved particularly interesting in this application.
Pour les raisons exposées dans le préambule de cette description il est avantageux mais non obligatoire d'utiliser des fibres de polyamide aromatique ou Aramid, par exemple les Kevlar 29 ou 49 (marque déposée) fournies par la société Du Pont de Nemours. On pourra également sans sortir de l'invention employer des fibres organiques connues par exemple les fibres de carbone, de bore, de polyamide, ou des fibres inorganiques telles que les fibres de verre. For the reasons explained in the preamble of this description, it is advantageous but not obligatory to use aromatic polyamide or Aramid fibers, for example Kevlar 29 or 49 (registered trademark) supplied by Du Pont de Nemours. It is also possible, without departing from the invention, to use known organic fibers, for example carbon, boron or polyamide fibers, or inorganic fibers such as glass fibers.
Comme il a été décrit plus haut la résine est destinée à assurer l'intégrité et le maintien du matériau tout en assurant sa déformation maximum. As described above the resin is intended to ensure the integrity and maintenance of the material while ensuring its maximum deformation.
Le taux de résine peut varier de manière importante selon les applications auxquelles le dispositif est destiné. The resin content can vary significantly depending on the applications for which the device is intended.
En général ces matériaux présentent un grand intérêt chaque fois que la masse du dispositif constitue une contrainte importante. In general, these materials are of great interest whenever the mass of the device constitutes an important constraint.
Ces dispositifs peuvent notamment être utilisés comme blindages légers pour protéger les parties vitales d'un avion (en cas de rupture d'aube de réacteurs) ou d'un hélicoptère, les caisses à munition, comme gilets pareballes ou encore comme supports de blindage en céramique. These devices can in particular be used as light shielding to protect the vital parts of an aircraft (in case of rupture of dawn of reactors) or a helicopter, ammunition cases, such as vests defenders or as shielding supports in ceramic.
Dans ces applications les dispositifs de protection sont destinés à être soumis à des chocs de grande énergie. Dans ce cas le taux de résine ne doit pas etre trop important de manière à ne pas diminuer l'aptitude à la protection du matériau, aptitude assurée par les fibres. In these applications the protective devices are intended to be subjected to high energy shocks. In this case the resin content should not be too high so as not to reduce the ability to protect the material, ability provided by the fibers.
Ainsi le taux en poids de résine viscoélastique sera de préférence compris entre 10 et 30 % et sera avantageusement compris entre 15 et 24 %, par rapport au poids total du matériau. Thus the content by weight of viscoelastic resin will preferably be between 10 and 30% and will advantageously be between 15 and 24%, relative to the total weight of the material.
De manière générale, le pouvoir protecteur d'un stratifié à base de fibres augmente avec l'emploi de tissus de deniers plus élevés. Bien que des tissus dont le nombre de deniers varie de 500 à 15000 peuvent être utilisés, il est avantageux d'utiliser un tissu dont le nombre de deniers est supérieur à 1000. In general, the protective power of a fiber laminate increases with the use of higher denier fabrics. Although fabrics whose deniers range from 500 to 15000 can be used, it is advantageous to use a fabric with a denier number greater than 1000.
Un procédé particulièrement intéressant pour obtenir les blindages légers selon l'invention consiste à mouler les couches de tissus imprégnés de résine dans un autoclave avec un cycle de température variant de 60 à 1200C et à une pression de 7 à 25 bars. A particularly advantageous method for obtaining the light shieldings according to the invention consists in molding the resin-impregnated fabric layers in an autoclave with a temperature cycle ranging from 60 to 1200 ° C. and at a pressure of 7 to 25 bars.
Bien entendu d'autres procédés peuvent être utilisés sans sortir de l'invention. Ainsi, il est possible d'assembler dans un moule les couches de tissus sec et de verser ou encore d'injecter la résine. Le matériau est ensuite pressé et chauffé de manière à obtenir le matériau stratifié. Of course other methods can be used without departing from the invention. Thus, it is possible to assemble in a mold the dry tissue layers and pour or even inject the resin. The material is then pressed and heated to obtain the laminate material.
Ces dispositifs de protection peuvent encore être utilisés comme pare-chocs d'automobile. I1 a en effet été trouvé que ces dispositifs pouvaient avantageusement remplacer les pare-chocs utilisés jusqu'ici. Notamment, la résistance aux impacts frontaux ou de biais se révèle sensiblement supérieure avec les dispositifs selon l'invention. These protective devices can still be used as automobile bumpers. It has indeed been found that these devices could advantageously replace the bumpers used so far. In particular, the resistance to frontal impacts or bias is substantially greater with the devices according to the invention.
Pour la réalisation de ces nouveaux pare-chocs d'automobile il est possible d'utiliser un taux de résine viscoélastique nettement supérieur à celui conseillé pour les blindages légers. Ainsi ce taux de résine peut aller jusqu'à 85 % en poids par rapport au poids total du matériau et sera de préférence compris entre 40 et 80 %. For the realization of these new automobile bumpers it is possible to use a viscoelastic resin rate much higher than that recommended for light shielding. Thus this resin content can be up to 85% by weight relative to the total weight of the material and will preferably be between 40 and 80%.
Comme fibre on pourra avantageusement mais non obligatoirement utiliser un matelas de fibres courtes (de verre, par exemple). As fiber can advantageously but not necessarily use a short fiber mat (glass, for example).
Bien entendu d'autres applications peuvent être envisagées sans sortir de l'invention. Of course other applications can be envisaged without departing from the invention.
Les exemples ci-dessous illustrent l'invention de manière non limitative et montrent les améliorations apportées par ces matériaux en ce qui concerne le pouvoir protecteur, la tenue mécanique, la tenue au choc et l'application aux blindages arrières de charge creuse. The examples below illustrate the invention in a nonlimiting manner and show the improvements made by these materials with regard to the protective power, the mechanical strength, the impact resistance and the application to the back shields of hollow charge.
A - POUVOIR PROTECTEUR
Les essais sont effectués dans les conditions suivantes
- cible de 100 x 200 mm tenue seulement sur deux côtés,
par des pinces de largeur 20 mm. 80 % de la cible
reste donc libre,
- projectile en acier doux cylindre à bout plat ayant
un diamètre de 7,5 mm et un poids de 3 g,
- afin d'évaluer les performances on mesure la vitesse
balistique limite (VBL) pour chaque projectile ainsi
que la protection ramenée à 100 % de fibres,
- % VF est le pourcentage de fibre en volume par rapport
au volume fibre et résine. A - PROTECTIVE POWER
The tests are carried out under the following conditions
- target of 100 x 200 mm held only on two sides,
by clamps of width 20 mm. 80% of the target
therefore remains free,
- soft steel cylinder projectile with flat end having
a diameter of 7.5 mm and a weight of 3 g,
- in order to evaluate the performance, we measure the speed
ballistic limit (LAV) for each projectile as well
that protection reduced to 100% of fibers,
-% VF is the percentage of fiber in volume relative to
to fiber and resin volume.
Trois résines ont été testées dont l'une à titre comparatif.Three resins were tested, one for comparison.
I1 s'agit des résines suivantes
I - Résine Népuranne 5500 (polyépoxyde), viscoélastique : le module d'Young E, est de 108 N/m2, le facteur de perte tgs est de 1, à 200C et à 100 Hz II - Résine Y 200 (polyépoxyde), viscoélastique
E 6.108 N/m2, tgz 1,1, à 200C et à 100 Hz
III - Résine polyester classique (à titre d'essai comparatif)
E 1010 N/m2, tgs 0,05, à 200C et à 100 Hz
Les différents résultats sont réunis dans le tableau ciaprès.These are the following resins
I - Népuranne 5500 resin (polyépoxide), viscoelastic: the Young's modulus E, is 108 N / m2, the loss factor tgs is 1, at 200C and at 100 Hz II - Resin Y 200 (polyepoxide), viscoelastic
E 6.108 N / m 2, t g 1.1, 200 C and 100 Hz
III - Classical polyester resin (as a comparative test)
E 1010 N / m2, 0.05 tgs, 200C and 100 Hz
The different results are shown in the table below.
On constate d'après ce tableau que les matériaux selon l'invention présentent un meilleur pouvoir protecteur que les matériaux réalisés avec des résines non viscoélastiques.
<tb> :Ex. <SEP> Tissu <SEP> Résine <SEP> : <SEP> % <SEP> VF <SEP> : <SEP> Masse <SEP> : <SEP> VBL <SEP> :Protection
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<Tb>
- Le tissu A est du tissu Kevlar 29 (Du Pont de Nemours) 1500 deniers,
armure : toile 310 g/m2, nombre de plis : 37,
masse surfacique : 11,3 kg/m2 - Le tissu B est du tissu Kevlar 29, 1500 deniers, armure : toile
540 g/m2, nombre de plis : 23,- masse surfacique : -11,3 kg/m2 - Le tissu C est du tissu Kevlar 29, 1080 deniers, amure : toile
540 g/m2, nombre de plis : 42, masse surfacique : 11,3 kg/m2
On doit par ailleurs remarquer en se référant aux exemples 1 et 3 que la vitesse balistique limite est meilleure dans le cas de l'exemple 1 alors que la masse surfacique est sensiblement inférieure.Fabric A is Kevlar fabric 29 (Du Pont de Nemours) 1500 deniers,
weave: canvas 310 g / m2, number of plies: 37,
weight per unit area: 11.3 kg / m2 - Fabric B is Kevlar 29 fabric, 1500 denier, weave: canvas
540 g / m2, number of plies: 23, - surface mass: -11,3 kg / m2 - fabric C is Kevlar 29, 1080 denier, tack: canvas
540 g / m2, number of folds: 42, basis weight: 11.3 kg / m2
It should also be noted with reference to Examples 1 and 3 that the ballistic speed limit is better in the case of Example 1 while the mass per unit area is substantially lower.
B - TENUE MECANIQUE -On constate que pour les essais décrits dans les exemples 1,2 et 4 la zone détériorée est très faible. Ainsi il a été possible de tirer cinq fois de suite dans une de ces cibles à une vitesse balistique de 500 m/s et 3 fois à la vitesse de 700 m/s.B - MECHANICAL STRENGTH - It is noted that for the tests described in examples 1, 2 and 4 the deteriorated zone is very weak. Thus it was possible to fire five times in one of these targets at a ballistic speed of 500 m / s and 3 times at a speed of 700 m / s.
Dans une cible identique réalisée avec un matériau non viscoélastique la zone détériorée après un tir est très large et ne permet pas d'autres tirs. In an identical target made with a non-viscoelastic material the deteriorated area after a shot is very wide and does not allow other shots.
C - TENUE AU CHOC
On a réalisé un pare-chocs pour voiture de série en imprégnant un matelas de fibres de verre courtes avec la résine viscoélastique Népuranne 5500 à un taux d'environ 75 % en poids par rapport au poids total fibre et résine.C - KEEPING AWAY
A standard car bumper was made by impregnating a short fiberglass mat with viscoelastic resin Népuranne 5500 at a rate of about 75% by weight based on the total fiber and resin weight.
Le pare-chocs ainsi réalisé a un poids total de 6,57 kg. Ce pare-chocs est soumis à l'essai suivant : un bélier à charge constante de 1098 kg vient heurter frontalement, à une vitesse variable, le pare-chocs qui est fixé sur un véhicule de 1308 kg. Ce pare-chocs résiste à un impact de 5,68 km/h, c'est à dire que l'on n'observe pas de rupture en deçà de cette vitesse limite, alors qu'un pare-chocs classique réalisé de la même façon avec une résine polyester classique du type de l'exemple 3 ne résiste qu'à un choc de 4,02 km/h, c'est à dire à une énergie moitié moindre.The resulting bumper has a total weight of 6.57 kg. This bumper is subjected to the following test: a ram with constant load of 1098 kg comes to hitting frontally, at a variable speed, the bumper which is fixed on a vehicle of 1308 kg. This bumper withstands an impact of 5.68 km / h, that is to say that no break is observed below this limit speed, whereas a conventional bumper made of the same way with a conventional polyester resin of the type of Example 3 only withstands a shock of 4.02 km / h, ie at half the energy.
D - BLINDAGE ARRIERE CONTRE LES CHARGES CREUSES
On opère de la manière suivante
On place à l'arrière d'une plaque d'acier un matériau stratifié selon l'invention de masse surfacique 30 kg/m2.D - REAR SHIELD AGAINST HOLLOW LOADS
We operate as follows
At the back of a steel plate is placed a laminated material according to the invention with a surface mass of 30 kg / m 2.
Le tir est effectué avec une charge creuse sous une incidence de 600.Shooting is done with a hollow charge at an incidence of 600.
On constate que pour un accroissement de 9 % de la masse de blindage
- l'énergie des éclats passe de 12,7 kJ à 1,4 kJ et que
la zone atteinte est très faible
- l'énergie de l'éclat le plus menaçant diminue de
3,7 kJ à 0,22 kJ, soit une baisse de 94 %. It can be seen that for a 9% increase in the armor mass
- the energy of the fragments goes from 12.7 kJ to 1.4 kJ and that
the affected area is very weak
- the energy of the most threatening brightness decreases
3.7 kJ to 0.22 kJ, a decrease of 94%.
Claims (6)
Priority Applications (3)
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