Les matériaux composites balistiques se présentent sous de nombreuses formes et offrent différents niveaux de performances. Parmi eux, les composites-renforcés de fibres se distinguent par leur légèreté et leur forte résistance à la pénétration. Il s'agit des matériaux balistiques les plus étudiés aujourd'hui et également du segment-à la croissance la plus rapide du marché.
Les fibres hautes-performances couramment utilisées dans les-composites balistiques renforcés de fibres comprennent la fibre de Kevlar, la fibre de carbone, la fibre de polyéthylène à très-haut-poids moléculaire-(UHMWPE) et la fibre de verre. Une question souvent débattue dans l’industrie est de savoir si la fibre de carbone elle-même peut être utilisée pour la protection balistique.
La fibre de carbone peut-elle être utilisée pour la protection balistique ?
Principes de fonctionnement des composites balistiques
Lorsqu’un projectile pénètre dans un matériau composite, plusieurs mécanismes d’endommagement se produisent simultanément. Ceux-ci incluent le délaminage du stratifié, la décollement fibre-résine, la rupture en traction des fibres et la déformation de la face arrière. Au cours de ces processus, l'énergie cinétique du projectile est progressivement réduite, ce qui conduit à une protection balistique.
Après l'impact, des ondes de contrainte sont générées au point de contact. Ces vagues se propagent de deux manières principales. Premièrement, ils se déplacent le long de l’axe de la fibre. Les fibres sont liées par de la résine aux points d'intersection. Lorsque les ondes de stress atteignent ces points, elles sont transférées vers d’autres fibres. Cela augmente la zone de répartition du stress et aide à dissiper l'énergie. Deuxièmement, lorsque les ondes de contrainte atteignent l’interface fibre-résine, une réflexion se produit et un délaminage se forme. Ce processus absorbe de l'énergie supplémentaire.
Dans les composites balistiques renforcés de fibres, la face de frappe subit principalement une rupture par cisaillement, tandis que la face arrière subit principalement une rupture par traction. Pour cette raison, les composites renforcés avec un seul type de fibre ne peuvent souvent pas atteindre des performances balistiques optimales. En combinant différentes fibres et en concevant une structure en couches, une meilleure protection balistique peut être obtenue.
Présentation de la fibre de carbone
La fibre de carbone fait référence aux fibres dans lesquelles le carbone représente plus de 90 % de la masse totale. Il est produit à partir de fibres organiques par des réactions en phase solide- et forme un matériau carboné polymère fibreux. La fibre de carbone est connue pour son faible poids, sa haute résistance, son module élevé, sa résistance à la chaleur, sa résistance aux chocs, sa stabilité chimique et sa faible dilatation thermique.
Cependant, la fibre de carbone présente un faible allongement à la rupture et une ténacité limitée. Pour cette raison, il est rarement utilisé seul et est principalement utilisé comme matériau de renforcement dans les composites.
Les gilets balistiques et autres armures de protection reposent sur des matériaux superposés capables d'absorber et de distribuer l'énergie d'impact. Ces matériaux ont généralement une résistance à la traction élevée et peuvent se déformer sous l'effet d'une contrainte, ce qui contribue à dissiper l'énergie d'une balle.
Bien que la fibre de carbone ait une très haute résistance, elle a une faible ductilité et une capacité limitée à absorber et à dissiper l’énergie cinétique. Il est également fragile et sujet à la rupture sous l'effet d'un impact ou d'une charge répétée. En conséquence, les composites en fibre de carbone fabriqués uniquement à partir de résine et de fibre de carbone ne sont pas efficaces pour la protection balistique. Dans la pratique, la fibre de carbone est généralement combinée avec d'autres fibres hautes-performances pour obtenir des performances balistiques.
Le rôle de la fibre de carbone dans les matériaux balistiques
Si la fibre de carbone ne convient pas comme principal matériau d'arrêt de balle, pourquoi est-elle encore utilisée dans certains composites balistiques ?
La fibre de carbone est appréciée pour sa résistance spécifique et sa durabilité élevées. Lorsqu'il est utilisé comme composant de renforcement dans les matériaux balistiques, notamment lorsqu'il est combiné avec du Kevlar ou d'autres fibres balistiques, il améliore la résistance à la perforation et à la fragmentation. En même temps, il réduit le poids global, ce qui améliore le confort et la mobilité.
La fibre de carbone contribue principalement des manières suivantes :
Renforcement structurel :
La fibre de carbone ajoute une intégrité structurelle aux matériaux balistiques composites. Lorsqu'il est superposé avec du Kevlar ou d'autres fibres balistiques, il aide à maintenir l'intégrité du matériau après l'impact et favorise la répartition de l'énergie d'impact, réduisant ainsi le risque de pénétration.
Réduction de poids :
Les composites balistiques reposent généralement sur des structures multi-couches pour arrêter les projectiles. La faible densité de la fibre de carbone contribue à réduire le poids total, améliorant ainsi le confort et la flexibilité du porteur.
Conclusion
La fibre de carbone offre une résistance élevée et un faible poids, mais en raison de sa fragilité et de sa capacité limitée d’absorption d’énergie, elle n’est pas balistique en soi. Sa rigidité et sa tendance à se briser sous l'impact réduisent son efficacité à arrêter les balles. Cependant, lorsqu’elle est utilisée dans un système composite, la fibre de carbone peut soutenir les performances balistiques. En combinant sa résistance structurelle avec d’autres fibres qui absorbent et dissipent l’énergie, une protection balistique efficace peut être obtenue.
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