Des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé une nouvelle façon d'étudier les fibres haute performance utilisées dans les gilets pare-balles modernes. Décrit dans le Journal de la science des polymères , la recherche peut aider à accroître la confiance dans les vêtements qui protègent les unités militaires, services de police et des personnalités publiques des coups de feu. Elle peut également conduire au développement de nouvelles, des matériaux plus légers pour les gilets pare-balles à l'avenir.

Les fibres polymères hautes performances sont utilisées dans les applications balistiques depuis plus de 40 ans. Traditionnellement, ces fibres sont tissées ensemble dans un tissu puis superposées 15 à 20 fois pour former un gilet d'une épaisseur d'environ 6 à 13 millimètres (un quart à un demi-pouce). Bien qu'efficace pour arrêter ou ralentir les balles, les utilisateurs ont parfois retrouvé ces gilets, qui sont portés sous ou par-dessus les vêtements, être lourd et volumineux, comme porter 15 à 20 chemises à la fois par une chaude journée d'été. Beaucoup aimeraient une alternative plus confortable.

Les tests de gilets pare-balles souples ont été une grande préoccupation car le déploiement d'un nouveau type de fibre, considéré comme supérieur au matériau précédent, a échoué de manière inattendue en 2003, entraînant la mort d'un policier. Cela et d'autres incidents ont entraîné un rappel en 2005 de certains des gilets fabriqués avec le nouveau matériau.

Bien que la performance de ces gilets était supérieure lorsqu'ils étaient fraîchement sortis de la boîte et en parfait état, des tests ultérieurs ont montré que les propriétés mécaniques des fibres à l'intérieur des gilets commençaient à se détériorer après quelques mois d'usure normale. Les nouveaux gilets ont finalement été entièrement retirés du marché et le fabricant a été poursuivi par le ministère de la Justice (DOJ).

Le DOJ a demandé au NIST de l'aider à évaluer le problème et à déterminer pourquoi ces gilets échouaient. En tant que laboratoire de mesure du pays, Les chercheurs du NIST sont particulièrement qualifiés pour développer des moyens de caractériser à la fois les fibres et leur éventuelle détérioration.

"Les fibres de ces applications balistiques ne peuvent pas échouer [sur le terrain], période, " dit Gale Holmes, ingénieur de recherche en matériaux au NIST. "Mais auparavant, nous n'avions aucun moyen de savoir s'ils changeaient au fil du temps au fur et à mesure que les gens les portaient et les utilisaient."

Les propriétés mécaniques idéales de ces gilets et autres équipements incluent une combinaison de rigidité élevée, grande résistance à la traction, et une tension à la rupture importante afin d'absorber l'impact de la balle. Les premiers travaux de Holmes ont révélé que les plis et plis naturels qu'un gilet rencontrerait normalement lors de son utilisation entraînaient une dégradation significative de ces propriétés mécaniques critiques, surtout en milieu humide.

Alors que la dégradation des propriétés mécaniques était évidente, ce qui manquait était une technique analytique pour caractériser les différences structurelles ou chimiques dans les fibres qui expliqueraient leur perte de performance. Bien qu'il n'y ait pas de matériel qui puisse être complètement « à l'épreuve des balles » en toutes circonstances, les chercheurs voulaient un moyen de caractériser les matériaux pour leur capacité variable à atténuer l'impact d'une balle, surtout après utilisation sur le terrain.

La méthode de caractérisation choisie par Holmes et Christopher Soles au NIST a utilisé une installation de faisceau de positons intense au réacteur nucléaire PULSTAR de la North Carolina State University.

La technique de spectroscopie de durée de vie par annihilation de positons (PALS) fournit une vue au niveau moléculaire de la structure des matériaux. Il a été utilisé pour tester des matériaux dans d'autres secteurs, y compris les membranes poreuses et les isolants semi-conducteurs. Pour ce travail, des positons ont été injectés dans des fibres balistiques et ont permis aux chercheurs de déterminer si des vides avaient été créés lors du pliage à une échelle inférieure à 5 nanomètres.

En utilisant PALS, Holmes et Soles ont découvert que les niveaux de vide sont des indicateurs très sensibles des dommages subis par les fibres après le pliage; une plus grande population de vides signifie une meilleure chance de défaillance de la fibre. L'équipe soupçonnait auparavant que la création de vide était un élément critique de la dégradation mécanique, mais les mesures de diffusion des rayons X aux petits angles qui avaient été utilisées dans le passé avaient tendance à être moins sensibles aux vides inférieurs à 5 nanomètres et se sont avérées peu concluantes. Les dommages critiques se produisaient sur des échelles de longueur beaucoup plus fines.

"Cela nous a permis de caractériser des changements dans les fibres que vous ne pouvez pas voir avec d'autres techniques, " a déclaré Holmes. "Nous avons été surpris lors de nos recherches de la sensibilité de la technique."

"Avant, nous n'avions pas un très bon moyen de discriminer pourquoi certains matériaux se sont cassés lors des tests de pliage et d'autres non, " a déclaré Soles. " Il s'agit du premier outil de caractérisation des matériaux qui donne un aperçu des raisons pour lesquelles certains matériaux peuvent être pliés tout en conservant leur résistance. "

Les résultats peuvent servir d'indice de conception pour ceux qui souhaitent développer de nouvelles alternatives aux gilets pare-balles actuels. Cela peut également aider à affiner la quantité de fibres actuellement prescrites pour ces produits, pour des gilets plus confortables.