Le laboratoire de recherche de l'armée américaine travaille au développement de nouveaux matériaux céramiques légers qui résistent à la rupture, et a fait équipe avec des chercheurs de l'Université de Floride pour mieux comprendre exactement comment ces matériaux, qui conviennent aux systèmes de protection individuelle des soldats et de l'armée, fracture, et comment ils peuvent être encore améliorés. Ils se concentrent sur l'échec par craquage; le matériau finit par se désintégrer dans un état granulaire par un processus appelé broyage.

"Alors que divers matériaux céramiques possèdent une dureté élevée, ils échouent facilement lorsqu'ils sont séparés. C'est-à-dire, lorsqu'il est soumis à des efforts de traction. La quantité de tension que ces matériaux peuvent supporter avant rupture, est une petite fraction de la compression qu'ils peuvent supporter. Par conséquent, l'impact à grande vitesse des balles et des fragments provoque une fissuration et une fragmentation importantes du matériau, réduire sa capacité à utiliser pleinement sa dureté supérieure pour résister aux états de contrainte complexes générés par l'événement d'impact, " a expliqué le Dr Sikhanda Satapathy, de la branche des sciences de la protection des soldats de l'ARL.

Traditionnellement, la relation entre la capacité du matériau granulaire à résister à la compression et sa capacité à résister à la déformation par cisaillement, qui provoque le changement de forme du matériau a été décrit par le modèle de Mohr-Coulomb. Ce modèle se rapproche de la résistance du matériau à la déformation par cisaillement (résistance au cisaillement) en fonction linéaire de la pression appliquée. En réalité, la résistance au cisaillement n'augmente pas linéairement avec la pression et saturera à des pressions élevées.

Les chercheurs de l'UF ont développé un nouveau modèle qui décrit plus précisément la réponse du matériau granulaire en étudiant l'état de contrainte auquel une variété de céramiques échoue, tel que rapporté dans la littérature par diverses équipes de recherche.

L'ARL et l'équipe UF ont collaboré pour utiliser ce modèle de réponse granulaire amélioré en conjonction avec un cadre de modélisation d'expansion de cavité dynamique pour capturer la réponse de la céramique à l'état de contrainte complexe induit par l'impact qui comprend la compression, tension et cisaillement. Le cadre de modélisation d'expansion de cavité dynamique utilise la pression requise pour élargir une cavité dans un matériau intact pour caractériser sa capacité à résister à une pénétration profonde. Cette pression, bien sûr, dépend de la façon dont le matériau réagit à la compression, forces de traction et de cisaillement. En raison de l'applicabilité de ce nouveau modèle à une large classe de céramiques, le besoin d'expériences coûteuses pour caractériser la réponse de pénétration est considérablement réduit. Le nouveau modèle de pénétration améliore la compréhension de la façon dont la céramique cassante réagit aux contraintes d'impact élevées en se fracturant et en se fragmentant en un matériau de type granulaire, et augmente la capacité de modélisation des événements de pénétration.

Il a été démontré que le modèle amélioré prédit mieux la résistance d'une large gamme de cibles en céramique lorsqu'elles sont tirées par des projectiles à longue tige à des vitesses allant jusqu'à 3 km/s. Les paramètres matériels importants pour la performance de pénétration d'une cible en céramique ont été identifiés grâce à cet effort de collaboration, qui guidera la manière dont les processus de défaillance de la céramique peuvent être contrôlés grâce à une conception améliorée des matériaux ou à une approche de systèmes multi-matériaux.

« La compréhension de la mécanique de la réponse des matériaux aux conditions de stress générées par l'impact d'un projectile est cruciale dans cette recherche, " Satapathy dit. La recherche apparaîtra dans le Journal international des solides et des structures .