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Du côté
des labos
Une
armure liquide bientôt commercialisée
par
Christophe Jacquemin 10/04/07
|
Dans
son récent rapport "Nanotechnologies : le futur
est plus proche que nous le pensons", le Joint Economic
Commitee du Congrès américain distingue cinq
périodes clés dans le développement des
nanotechnologies [voir notre actualité
du 4 avril 2007].
Celle des nanostructures passives (2000-20005) est déjà
derrière nous avec la fabrication de raquettes de tennis
renforcées aux nanotubes de carbone, de pièces
de voiture, de produits cosmétiques, de filtres pour
la purification des eaux usées...
Selon ce rapport, nous sommes aujourd'hui passés dans
la période des nanostructures actives (2005-2010),
celle où elles changent
leur état durant leur utilisation, répondant
de façon prédictive à l'environnement
qui les entourent.
Le
rapport ne cite aucun exemple de telles nanostructures actives
mais nous pourrions l'illustrer par la conception de nouveaux
gilets pare-balles enrichis en nanoparticules. Un de ces gilets,
une espèce d"'armure liquide" (Shear Thickening
Fluid) doit d'ailleurs être produit avant la fin de
l'année par la société Armor Holdings.
A l'état de repos, le liquide reste fluide. Au moindre
choc, il durcit, assurant protection. On est bien là
dans la période des nanostructures actives, sachant
réagir à un changement de pression.
Ceci montre le chemin parcouru depuis les années 60
où la capacité de la céramique d'alumine
de résister à des impacts de balle a été
découverte. De grand progrès ont été
enregistrés avec des protections aujourd'hui sophistiquées,
utilisant les matériaux avancés allant du Kevlar
et fibres de verre, en passant par la céramique et
le composite carbone/époxy.
Mais si l'armure moderne peut endurer des coups multiples,
fournir une bonne résistance au feu et à la
fumée, elle se fonde généralement sur
une couche en céramique pour encaisser les impacts
balistiques. Et l'utilisation d'un tel matériau compromet
le poids et la flexibilité de l'armure.
Des
gilets pare-balles plus efficaces, légers et flexibles
grâce aux nanotechnologies ?
Peut-on
réaliser des gilets pare-balles plus efficaces, légers,
flexibles et peu encombrants grâce à l'utilisation
des nanomatériaux ?
On comprend que cette question intéresse fortement
le secteur militaire de tous pays, qu'il s'agisse par exemple
chez-nous de la Direction Générale de l'armement,
mais aussi particulièrement de la DARPA (Defense Advanced
Research Project Agency(1))
aux Etats-Unis, à l'heure où le nombre de militaires
tués en Irak ne cesse d'augmenter... Subventionnés
par des crédits militaires ou d'enveloppes émanant
de la National Science Foundation, de nombreux laboratoires
publics ont mené des recherches avancées dans
le domaine. C'est ainsi que des chercheurs américains
des Universités de Tuskegee (Alabama) et Florida Atlantic
(Floride), en collaboration avec des scientifiques britanniques
(Laboratoire Daresbury du CCLRC(2)
et université de Liverpool), ont montré que
des nanocomposites fabriqués à partir de matrices
de polyéthylène, de polypropylène, de
Nylon 6 ou d'époxy dans lesquelles sont incluses des
nanotubes de carbone(3)
ou des nanobilles sphériques de silice conduisent à
une résistance et une flexibilité accrues. La
résistance à la traction du Nylon 6 incorporant
des nanotubes de carbone est ainsi 220% supérieure
à celle du simple Nylon 6.
Les
travaux du professeur Hassan Mahafuz (université de
Floride) et de son collègue Shaik Jeelani (université
de Tuskegee) ont également montré que les matériaux
associant de la mousse de polyuréthane à des
nanoparticules d'oxyde de titane étaient très
résistants aux balles et projectiles à très
grande vitesse.
Succession
en fonction du temps des images (obtenues par caméra
ultrarapide à balayage de fente) de l'impact d'une
balle sur un matériau pur à base de polypropylène
(images ci-dessus) et sur un matériau à base
de polypropylène et de nanoparticules (ci-dessous).
La mesure de la hauteur de bombement provoqué par l'impact
de la balle en fonction du temps montre que le nanocomposite
est plus résistant aux projectiles.
(© Images : courtoisie d'Hassan Mahafuz et de Shaik Jeelani)
Aujourd'hui
les recherches s'appliquent à mieux comprendre la manière
dont se lient les nanoparticules avec la matrice et, de façon
plus large, de mieux connaître la structure intime de
ces particules.
Une
"armure liquide"
Issue
des travaux développés par deux équipes
de chercheurs américains (une menée par le chimiste
Norman Wagner de l'université du Delaware et l'autre
par Eric Wetzel, du laboratoire de recherches des armées
à Aberdeen (Maryland), l'armure liquide doit bientôt
voir le jour(4). Comme
déjà signalé plus haut, Armor Holdings
(Jacksonville - USA), entreprise spécialisée
dans les systèmes de protection pour l'armée
et la police, a acquis la licence d'exploitation de cette
technologie. Elle souhaite en proposer la fabrication industrielle
pour la fin de cette année.
Outre
son apport aux gilets pare-balles, cette technologie représente
une bonne solution pour la protection des parties non couvertes
par le gilet (bras et jambes), dont l'exposition présente
cependant un grand danger pour le soldat.
L'armure est composée d'un tissu souple résistant
(Kevlar) auquel on adjoint un mélange de polyéthylène
glycol (fluide non toxique et non évaporant) comprenant
des nanoparticules de silice en suspension. Un tel mélange
a la propriété de rester fluide au repos, dans
des conditions d'énergie réduites. Mais sous
l'effet d'un choc, l'énergie reçue entraîne
la réorganisation en faisceaux des nanoparticules,
rigidifiant instantanément l'ensemble(5).
Après le choc, une fois l'énergie de l'impact
dissipée, le produit retrouve naturellement son état
fluide et le gilet redevient souple et flexible.
Ainsi, durant le port normal, le fluide est déformable
et coule comme un liquide. Lorsqu'une balle ou une grenade
frappe le gilet, il devient rigide, empêchant les projectiles
de pénétrer dans le corps du soldat. Ceci parce
que le raidissement du liquide permet à l'énergie
d'un impact d'être répartie sur une superficie
beaucoup plus grande. Plutôt que d'être concentrée
sur le secteur d'une tête de balle, la force est alors
répartie sur une grande partie du tissu environnant.
Tissu qui, incorporé du mélange protecteur,
ne pèse que 20% de plus que celui non-traité
et n'entrave pas les mouvements.
 |
| Impact
de balle : à gauche, sur un Kevlar normal ; à
droite : sur du Kevlar imprégné d'un mélange
de polyéthylène glycol liquide et de nanoparticules
de silice. © Photo : D.R |
Ces gilets résistent au tranchant d'une lame ou aux
piqûres (pic à glace par exemple), ce qui n'était
pas non plus le cas du simple Kevlar.
Si l'on pense immédiatement à un usage militaire
ou policier, on pourrait aussi évoquer des applications
civiles avec la mise au point de combinaison pour motard,
le protégeant en cas de chute, la production de genouillères
et de protection pour les coudes à l'usage des sportifs.
Et pourquoi pas, pour tout un chacun et particulièrement
les personnes âgées, des protège-chevilles
permettant d'éviter entorse ou fracture en cas de chute
brutale...
Notes
(1) Au sein du ministère de la défense américain,
cette Agence est chargée d'anticiper les besoins des
armées et des agences fédérales, puis
d'engager des programmes de recherche avancée. Chaque
année, l'agence distribue quelque 3 milliards de dollars
de subventions.
(2) Central Laboratory of the Research Councils.
(3) Voir par exemple : Mahfuz H., Adnan Ashfaq, Rangari V.
K., M. M. Hasan, S. Jeelani., W. J. Wright, S. J. DeTeresa,
“Enhancement of Strength and Stiffness of Nylon 6 filaments
through carbon nanotubes reinforcement", in Applied Physics
Letters, 88 (2006) 83119 [voir
abstract].
(4) Une partie de leur travaux a été publiée,
notamment :
- R. G. Egres Jr., M. J. Decker, C. J. Halbach, Y. S. Lee,
J. E. Kirkwood, K. M. Kirkwood, E. D. Wetzel, N. J. Wagner,
“Stab Resistance of Shear Thickening Fluid (STF)-Kevlar
Composites for Body Armor Applications,” in Proceedings
of the 24thArmy Science Conference, (Orlando, FL, November
29-December 2, 2004.
- G. Egres Jr., C. J. Halbach, M. J. Decker, E. D. Wetzel,
and N. J.Wagner. "Stab performance of shear thickening
fluid (STF) fabric composites for body armor applications."
Proceedings of SAMPE 2005: New Horizons for Materials and
Processing Technologies. Long Beach, CA. May 1-5, 2005.
- Caroline H. Nam, Matthew J. Decker, Christopher Halbach,
Eric D. Wetzel, and Norman J. Wagner. "Ballistic and
rheological properties of shear thickening fluids (STFs) reinforced
by short, discontinuous fibers." Proceedings of SAMPE
2005: New Horizons for Materials and Processing Technologies.
Long Beach, CA. May 1-5, 2005.
- Norman Wagner et al: "The rheology and microstructure
of acicular precipitated calcium carbonate colloidal suspensions
through the shear thickening transition", in Journal
of Rheology Volume 49, Issue 3, pp. 719-746 (mai juin 2005)
- M. J. Decker, R. G. Egres, E. D. Wetzel, and N. J. Wagner.
"Low velocity ballistic properties of shear thickening
fluid (STF)-fabric composites."Proceedings of the 22nd
Int. Symp. on Ballistics. 14-18 November 2005.
(5)
D'autres solutions ont également été
envisagées. Signalons à ce sujet les travaux
du MIT sur les fluides magnéto rhéologiques.
Il s'agit ici d'une suspension de nanoparticules de fer dans
une solution épaisse de pétrole ou de sirop.
Quand un champ magnétique est appliqué, les
particules de fer s'alignent selon une certaine direction
et le fluide devient extrêmement rigide. Le degré
de rigidité change selon la force du champ appliqué.
Ce champ pourrait être activé via un commutateur.
Cela dit, cette solution pose la question du déclenchement
de ce champ en fonction de l'arrivée du projectile...
Et puis elle suppose que le soldat porte un boîtier.
Pour
en savoir plus
Armure
liquide :
http://www.ccm.udel.edu/STF/index.html
Armor
Holdings :
http://www.armorholdings.com/home/
