Elaboration de matériaux à gradient de fonction céramique / métal par SPS pour la protection balistique

par Clémentine Madec

Thèse de doctorat en Chimie - physique

Sous la direction de Frédéric Bernard, Sophie Le Gallet et de Bruno Salesse.

Le président du jury était Dominique Goeuriot.

Le jury était composé de Eric Petitpas, Jean-Philippe Chateau-Cornu.

Les rapporteurs étaient Sylvain Marinel, Guy Dirras.


  • Résumé

    Les propriétés idéales d’un matériau de blindage sont la combinaison d’une extrême dureté pour casserles noyaux des projectiles et d’une grande ductilité pour résister à l’impact et arrêter les fragments du projectile. Or cettecombinaison de propriétés est incompatible avec un matériau unique. Pour pallier ce problème, les concepteurs de blindageassocient un matériau dur (céramique) à un matériau ductile (métal). Une autre solution serait de réaliser un matériauprésentant un gradient de propriétés mécaniques : dans le cas présent, d’une très grande dureté de la face avant à une grandeductilité de la face arrière. Les technologies non conventionnelles de frittage telles que le Spark Plasma Sintering (SPS)permettent d’assembler ou de fritter/assembler des matériaux aux caractéristiques aussi différentes et complémentaires. Ils’agit donc d’étudier les conditions d’assemblage ou de cofrittage de tels matériaux (dans le cas présent, Al2O3 et Ti) ainsique l’influence de la microstructure résultante de l’ensemble sur sa performance balistique.La première partie de ce travail a porté sur la caractérisation de l’alumine et du titane. Cinq poudres d’alumines ontété étudiées d’un point de vue comportement au frittage. Trois d’entre elles sont retenues en raison de leurs microstructuresintéressantes, proches en termes de densité et de taille de grains. Ces alumines ont été caractérisées mécaniquement (dureté,ténacité, résistance à la rupture) et balistiquement pour n’en garder qu’une dans la deuxième partie du travail. Le titane, frittédans les mêmes conditions que l’alumine, a montré qu’il n’avait malheureusement pas les propriétés attendues (absence deductilité).La seconde partie du travail a montré que l’obtention de MGFs sains à partir de Al2O3 et Ti uniquement est délicate,que ce soit avec un intercalaire sous forme de monocouche ou de multicouche. La forte affinité du titane avec l’oxygène(formation d’oxyde ou en insertion) et le carbone (formant des carbures), ainsi que sa réactivité avec l’alumine (produisantdes intermétalliques) rend le MGF fragile et incapable d’accommoder les contraintes résiduelles d’élaboration. L’insertiond’une faible proportion de nickel (plus ductile et moins réactif vis-à-vis de l’oxygène que le titane) dans les composites apermis d’obtenir des MGFs sains, dont le comportement balistique a pu être évalué.

  • Titre traduit

    Elaboration of metal / ceramic functionally graded materials by SPS for ballistic protection


  • Résumé

    The objective is to improve ballistic performance of armors. A perfect armor combines ductility to resistto the impact and high hardness to stop projectile’s fragments. However, such an association of properties is inconsistent witha single material. The solution is to perform a functionally graded material (FGM) with a ductile metal at the back side of thesample and a hard ceramic on the top side. Non-conventional technologies like Spark Plasma Sintering allow joining orsintering all types of materials with different and additional properties. Furthermore, with this technique, high heating ratescan be achieved, limiting grain growth and resulting in a fine microstructure. The goal is to study joining conditions or cosinteringof such materials (in this case, Al2O3 and Ti), as well as the resulting microstructure on the ballistic efficiency.The first part of the study focused on the characterization of alumina and titanium. Five powders of alumina werestudied from a sintering point of view. Three of which were selected because of their interesting microstructures, close indensities and grain sizes. These ceramics have been characterized mechanically (hardness, toughness and strength) andballistically. One of them is adopted to realize FGM. Titanium, sintered with the same conditions, unfortunately, doesn’t haveexpected properties (absence of ductility).The second part of the work showed that the preparation of FGM without cracks from Al2O3 and Ti only ischallenging, with an interlayer with one or more layers. The strong affinity of Ti with oxygen (formation of oxides orinsertion) with C (forming carbides) and its reactivity with alumina (forming intermetallics) make the FGM brittle and enablethe release of residual stresses during the process. By adding a low amount of nickel (more ductile and less reactive withoxygen and titanium) in composites, FGMs almost without cracks were obtained. The latter were evaluated ballistically.

Accéder en ligne

bibliorespect

Autre version

Elaboration de matériaux à gradient de fonction céramique / métal par SPS pour la protection balistique


Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université de Bourgogne. Service commun de la documentation. Bibliothèque de ressources électroniques en ligne.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.

Consulter en bibliothèque

à

Informations

  • Sous le titre : Elaboration de matériaux à gradient de fonction céramique / métal par SPS pour la protection balistique
  • Détails : 1 vol. (110 p.)
  • Annexes : Bibliographie en fin d'ouvrage. 250 références.
La version de soutenance de cette thèse existe aussi sous forme papier.

Où se trouve cette thèse\u00a0?

Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.