Développement de polymères chargées pour le remplacement de plaques céramiques utilisées comme couche de protection balistique

Development of filled polymers for the replacement of ceramics used as ballistic protection layer

• Auteur / Autrice : Timothée Gentieu
• Direction : Julien Jumel, Anita Catapano, James Broughton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 19/12/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Oxford Brookes University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DuMAS : Durabilité des Matériaux, Assemblages et Structures
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : John Durodola
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : John Durodola, Yann Monerie, Pascal Forquin, Sophie Dartois, Éric Martin, François Barthélémy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Monerie, Pascal Forquin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles de zone cohésive

Composites à renforts particulaires

Micromécanique (ingénierie)

Microstructure (physique)

Mécanique de la rupture

Modèles mathématiques

Propriétés mécaniques

Composites céramiques-polymères

Mots clés libres

Composite

Composite à renfort particulaire

Microstructure

Homogénéisation

Micromécanique

Composite

Particle reinforced polymer

Microstructure

Homogenisation

Micromechanics

Résumé

Les matériaux céramiques présentent généralement des propriétés mécaniques très intéressantes pour la réalisation de blindages. Ce sont des matériaux très durs et pourtant légers. Les plaques de blindages en céramique sont classiquement mises en forme par pressage à haute température de poudres, ce qui limite la taille et la forme des réalisations tout en impliquant un coût élevé. Une alternative pour produire ces pièces est le moulage d’un composite constitué de particules de céramiques dans une matrice époxy. Ce procédé permet de réduire le coût des pièces tout en autorisant des géométries plus complexes et des dimensions plus importantes.Le comportement mécanique de ce type de matériau dépend de multiples paramètres de conception : propriétés mécaniques des constituants (matrice polymère et particules céramiques), proportion volumique des deux phases, taille et distribution spatiale des particules ou encore l’adhésion entre les constituants. L’objectif de la thèse est d’évaluer l’influence de ces paramètres sur les propriétés d’usage du matériau. Pour ce faire, une analyse multi-échelle du matériau sous sollicitations quasi-statique et dynamique est réalisée.Plus précisément, les propriétés statiques et dynamiques du composite à renforts particulaires ont été déterminées pour différentes combinaisons de ces paramètres de conception. En particulier, le mécanisme de décohésion particule/matrice a été spécifiquement étudié. Les approches de Modèles de Zone Cohésive (CZM) et de Mécanique de la Rupture Finie (FFM) ont été utilisées pour modéliser ce phénomène et un fort effet de taille des particules a été observé.

Ceramics have extensively been used for ballistic protection in the last decades. The combination of their mechanical properties makes them very interesting for armouring. Indeed, they exhibit a high hardness, large compression strength, high stiffness and low density. Ceramic armouring plates are commonly manufactured through a sintering process, where ceramic powders are pressed at high temperatures. This manufacturing process tends to limit the size and shape of components and imparts high costs. On the other hand, moulding using a polymer matrix composite provides an alternative process for developing lower cost parts whilst accommodating increased complexity of geometry and size.However, the mechanical behaviour of such a material is not completely known and depends on multiple design parameters: the mechanical properties of the phases, their volume fraction, the size and spatial distributions of the particles, and the adhesion between the components. The objective of the thesis is to evaluate the influence of the main morphological parameters on the overall mechanical properties, emphasising the influence of the particle/matrix adhesion. To do so, both numerical and experimental multiscale analyses of the material under quasi-static and dynamic loadings were carried out.More precisely, static and dynamic properties of the particle-reinforced composite have been determined for different combinations of the design variables. In particular, attention has been dedicated to the particle/matrix decohesion mechanism. Cohesive zone models (CZM) and Finite Fracture Mechanics (FFM) approaches were used to model this phenomenon and a strong effect of the particle size on debonding was observed.