application de la technologie Shear Thickening Fluid pour les gilets pare-balles

Le kevlar est donc le matériau utilisé aujourd’hui pour les gilets par balles. Avant cette invention, l'industrie de l'armement cherchait à découvrir des fibres de plus en plus résistantes, sans résultat apparent puisque le kevlar reste le matériau le plus utilisé. Néanmoins, depuis 1994, faute de nouvelles technologies alliant l’efficacité à la légèreté et à la flexibilité, les gilets pare-balles ne se développeront pas. Il faut attendre 2001 pour que l’US army adopte et développe une nouvelle technologie qu’ils ont appelée Shear Thickening Fluid. Les deux grands inventeurs de cette nouvelle technologie sont :

Norman J. Wagner, Ph. D. 

Il vient de l'université du Delaware ( le Delaware est un Etat des Etats-Unis) 

Et  Eric D. Wetzel, Ph. D. du laboratoire de recherche de l'armée américaine (U.S. Army Research Laboratory) 

On a vu dans la partie "le phénomène en détail" comment cette technologie fonctionnait. Cette partie se composera de plusieurs sous-parties:

-l'histoire de cette nouvelle technologie (pourquoi avoir effectué des recherches dessus?)

-sa commercialisation

-ses avantages et inconvénients

I-l'histoire de cette nouvelle technologie

Le projet d'utiliser du polyéthylène glycol et des nanoparticules de silice dans l'idée de faire des gilets pare-balles date de 2001. En outre, les premiers rapports que nous avons pus lire sur le sujets sont de 2004. Cette nouvelle technologie s'appuie sur les nanotechnologies, qui ont connu un développement extraordinaires lors de la dernière décennie.

On distingue 2 périodes clés dans le développement des nanotechnologies
Celle des nanostructures passives (2000-2005) est déjà loin avec la fabrication de raquettes de tennis renforcées avec des nanotubes de carbone, de pièces de voiture, de produits cosmétiques, de filtres pour la purification des eaux usées...
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.

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) devait d'ailleurs être produite avant la fin de l'année 2007 par la société Armor Holdings. A l'état de repos, le liquide reste fluide. Au moindre choc, il durcit, assurant une protection. On est bien là dans la période des nanostructures actives, puisque elle savent réagir à un changement de pression.

On voit dès lors tout le chemin parcouru par les gilets par balles, qui étaient au départ constitués de simples couches de soies.
Mais si l'armure moderne peut subir plusieurs coups, fournir une bonne résistance au feu et à la fumée, on a généralement un rajout d'une couche en céramique pour encaisser les impacts balistiques. Et l'utilisation de ce matériau augmente le poids et diminue 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 les pays, qu'il s'agisse par exemple en France de la Direction Générale de l'armement, mais aussi particulièrement de la DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) aux Etats-Unis, à l'heure où le nombre de militaires tués en Irak ou en Afghanistan ne cesse d'augmenter... Subventionnés par des crédits militaires ou de dons provenant 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 et université de Liverpool), ont montré que des nanocomposites fabriqués à partir de matrices de polyéthylène, de polypropylène, de Nylon 6 ou d'époxy (ce sont tous des polymères) dans lesquelles sont incluses des nanotubes de carbone ou des nanobilles sphériques de silice conduisent à un fort accroissement de la résistance et de la flexibilité. 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. 

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.

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 ( en à peine quelques millisecondes) l'ensemble. 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. C'est donc un fluide rhéoépaississant
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.

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, et particulièrement les personnes âgées, des protège-chevilles permettant d'éviter entorse ou fracture en cas de chute brutale...

2) sa commercialisation:

 Comme déjà signalé plus haut, Armor Holdings (Jacksonville - USA: localisation:), 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 l'année 2007. Malgré nos recherches sur leur site internet voire même sur des sites de ventes de gilets pare-balles en ligne, nous n'avons pas pu trouver un exemple d'armure qui soit commercialisée. Il semblerai donc que la nouvelle génération des gilets pare-balles ne soit pas encore sur le marché. Toutefois, une ligne de vêtement japonaise à mis en vente certains éléments qui sont faits à partir des fluides rhéoépaississants

L'entreprise espère pouvoir vendre les modèles d'entrée de gamme vers les 500 ou 600€. Ce qui veut dire que le prix n'est pas relativement élevé puisque les gilets haut de gamme d'aujourd'hui sont composés quasi-entièrement de Kevlar et coûte environ 800€. Le rapport qualité/prix de ces nouveaux produits est donc extrêmement attirant.

III- Ses avantages et inconvénients:

Le fait d'utiliser les propriétés fascinantes des fluides rhéoépaississants pour les gilets pare-balles veut bien dire qu'il y a des avantages donc aussi quelques inconvénients.

Tout d'abord, nous pouvons voir sans aucun problèmes la capacité accrue à absorber les chocs qu'offre cette nouvelle technologie. On peut constater en effet sur cette image (les images proviennent des test effectués par les scientifiques) que le kevlar simple soumis à des tirs d'armes à balles résiste beaucoup moins bien que le kevlar traité STF: (neat voulant dire net, pur)

De plus on sait que le kevlar (ou les autres fibres d'ailleurs) ne résistaient pas aux attaques de couteaux ou de pics à glaces. Cette imperfection est donc corrigée puisque le kevlar traité résiste bien à ces coups, comme les tests le démontrent: la première image montrant du kevlar non traité et du kevlar traité à l'avant et à l'arrière, après avoir subi une tentative de perforation avec un pic à glace. On voit clairement que le kevlar est tout près d'être perforé tandis que celui qui est traité n'a qu'une marque vague de l'attaque.

Sur cette deuxième image, on voit le test effectué avec un couteau. De même que pour le pic à glace, le kevlar traité stoppe vraiment mieux les coups:

Pour le dernier test les scientifiques ont procédé à un tir à l'arc sur les mêmes matériaux. On distingue nettement les 4 pénétrations de la flèche dans le kevlar pour 4 tirs tandis que pour le matériau traité, la flèche rebondit car il n'y a pas de perforation.

 La même équipe de scientifique a réalisé des test de tir avec armes à feu sur du nylon pur et sur du nylon traité. Les vidéos sont à la fin de cette partie.

Autre avantage, la masse du gilet. Effectivement, le gilet a besoin de moins de couches de kevlar (une dizaine contre 20 à 40). Il est donc moins lourd et permet donc d'avoir une flexibilité plus grande. 

Outre son apport aux gilets pare-balles qui protègent le thorax et le dos, cette technologie représente une bonne solution pour la protection des parties non couvertes par le gilet (bras et jambes), dont l'exposition présente un grand danger pour le soldat. En effet, un rapport de l'US Army montre que beaucoup de soldats sont touchés par des blessures non mortelles aux bras et aux jambes.

 On passe maintenant aux inconvénients. Ils sont peu nombreux mais existent tout de même. On a en effet le coût: comme vu dans la partie commercialisation les gilets ne sont pas excessivement cher mais coûte tout de même plus cher de quelques petites centaines d'euros.

Le deuxième et dernier inconvénient se situe sûrement dans sa production. Les gilets pare-balles "nouvelle génération" devaient en effet paraître fin 2007 mais nous sommes en 2011 et il n'y en a encore pas d'exemples sur le marché. Les travaux scientifiques étant finis nous pensons donc que c'est cette partie là qui coince.

On a ci-dessus une vidéo montrant un reportage de la chaîne américaine Science sur la nouvelle technologie Shear Thickening Fluid.

L'homme blond est le reporter, et on le voit tester la résistance du matériau traité STF.

En dessous, on peut voir le tir d'une arme à feu sur du nylon traité STF

Encore en-dessous on peut voir le tir de la même arme sur du nylon pur