Développement et caractérisation des tissus 3D interlocks chaines comme renforts pour des solutions de protection contre les coups de couteau

Development and characterization of 3D warp interlock fabrics as reinforcements for protective solutions against stabbing

• Auteur / Autrice : Mengru Li
• Direction : François Boussu, Peng Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 11/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix) - Génie et Matériaux Textiles / GEMTEX
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ouagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Boussu, Peng Wang, Xiaogang Chen, Nadia Bahlouli, Damien Soulat, Frédéric Joseph Heim
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xiaogang Chen, Nadia Bahlouli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Design

Gilets pare-balles

Résistance à la pénétration

Propriétés mécaniques

Polyéthylène

Textiles et tissus à usages techniques

Mots clés libres

Polyéthylène à haut poids moléculaire

3D warp interlock fabrics

HMWPE

Mechanical properties

Stab resistance

Protective material

Résumé

Une demande croissante en matériaux utilisés pour la protection contre les coups de couteau a été formulée pour apporter plus de protection, flexibilité et légèreté. Les chercheurs se sont principalement concentrés sur les études relatives à la résistance aux coups de couteau des gilets pare-balles souples à base de fibres textiles et de tissus techniques 2D. Cependant, les matériaux de protection souples basés sur des tissus 3D ont rarement été étudiés dans les travaux de recherche récents, en particulier ceux qui révèlent que les architectures tissées en 3D peuvent jouer un rôle décisif lors d'un impact de couteau. Les tissus 3D interlock chaine (3DWIFs) peuvent également être utilisés dans un gilet souple pour des applications anti-poignard. L'objectif général de ces travaux de recherche actuels est d'explorer les différentes conceptions de tissus 3D interlock chaine (3DWIF) qui offrent la solution de protection la plus efficace. Par conséquent, cette thèse s'est concentrée sur les paramètres du processus de fabrication et les paramètres des produits résultants des tissus 3DWIF fabriqués avec des fils HMWPE. Les paramètres du processus de production ont été étudiés afin d'optimiser la fabrication et les propriétés mécaniques des tissus 3DWIF. Les paramètres produit des tissus 3D interlock chaine ont été étudiés afin de trouver la combinaison optimisée pour la meilleure résistance de protection contre les coups de couteau. Les quatre principales catégories d'architectures de tissus 3D interlock chaine, tels que : A/T, A/L, O/T et O/L, ont été tissées avec les mêmes fils retordus de polyéthylène à haut poids moléculaire (HMWPE). Les caractéristiques mécaniques des tissus 3D interlock chaine (3DWIF) ont été systématiquement testées et comparées. En outre, une étude expérimentale spécifique a été réalisée sur des tissus 3D interlock chaine soumis à un impact à faible vitesse, y compris les propriétés à simple et double passe en termes de profondeur de pénétration et de traumatisme. Les tests de double passage au couteau sont complémentaires des tests de simple passage au couteau. Il a été conclu expérimentalement que le tissu 3D interlock chaine de type orthogonal à liage à travers l'épaisseur a une bonne résistance aux coups de couteau. Entre-temps, les liens entre la résistance aux coups de couteau, les propriétés physiques et les propriétés mécaniques des 3DWIF ont été analysés.

An increasing demand for materials used for stab protection has been expressed to provide more protective, flexibility and lightweight. Researchers have mainly focused on studies about stab resistance of soft body armour based upon technical textile fibres and 2D fabrics. However, the soft protective materials based on 3D fabrics have been rarely study in recent research works, especially those revealing that 3D woven architectures can play a decisive role during stab impact. 3D warp interlock fabrics (3DWIFs) can be used in a soft vest for anti-stab applications. The overall aim of this current research has been oriented to explore different design of 3DWIFs that provide the more efficient protective solution. Hence, this thesis has been concentrated on both the manufacturing process parameters and the resulted product parameters of the 3DWIFs made with HMWPE yarns. The production process parameters have been studied to optimize the manufacturing and the mechanical properties of 3DWIFs. The product parameters of 3DWIFs have been investigated to find the optimized combination for the best protective resistance against stabbing. The four main categories of 3D warp interlock fabrics architectures as : A/T, A/L, O/T, and O/L, were woven by twisted high molecular weight polyethylene (HMWPE) yarns. The mechanical characteristics of 3DWIFs were systematically tested and compared. Besides, a dedicated experimental study has been performed on 3DWIFs submitted to low-speed impact, including single-stab and double-stab properties in terms of depth of penetration and trauma. The double-pass stabbing tests are complementary to single-pass stabbing tests. It was experimentally concluded that the orthogonal/through-the-thickness interlock fabric has a good stab resistance. Meanwhile, the links among stab resistance, physical properties, and mechanical properties of 3DWIFs have been analysed.