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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 ?

© D.RPeut-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.

Impact d'une balle, en fonction du temps, sur un matériau à base de polypropylène - © Images :  courtoisie d'Hassan Mahafuz et de Shaik Jeelani

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)

Impact d'une balle, en fonction du temps, sur un matériau  nanocomposite-  ©  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.

Nanoparticules de silice, utilisées  dans l'armure liquide, vue au microscope électronique © D.ROutre 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.

© Photos : DR
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

armure liquide, résitante à toute sorte de pointes ou couteaux... 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.
Aspect du fluide magnétorhéologique, après application d'un champ magnétique(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/

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