Selon l'ancienne tradition, Gengis Khan a demandé à ses cavaliers de porter des gilets en soie sous leur armure pour mieux se protéger contre un assaut de flèches pendant la bataille. Depuis l'époque de Khan, Les gilets pare-balles ont considérablement évolué :la soie a cédé la place à des matériaux ultra-durs qui agissent comme des murs impénétrables contre la plupart des munitions. Cependant, même cette armure peut échouer, en particulier s'il est touché par des munitions à grande vitesse ou d'autres objets se déplaçant rapidement.

Des chercheurs de la Texas A&M University ont formulé une nouvelle recette qui peut prévenir les faiblesses des armures modernes. En ajoutant une infime quantité de l'élément silicium au carbure de bore, un matériau couramment utilisé pour fabriquer des gilets pare-balles, ils ont découvert que les engins pare-balles pouvaient être considérablement plus résistants aux impacts à grande vitesse.

« Depuis 12 ans, les chercheurs ont cherché des moyens de réduire les dommages causés par l'impact des balles à grande vitesse sur les armures en carbure de bore, " a déclaré le Dr Kelvin Xie, professeur adjoint au Département de science et génie des matériaux. "Notre travail répond enfin à ce besoin non satisfait et constitue un pas en avant dans la conception d'un gilet pare-balles supérieur qui protégera contre des armes à feu encore plus puissantes pendant le combat."

Cette étude a été publiée dans le numéro d'octobre de la revue Avancées scientifiques .

Carbure de bore, surnommé "diamant noir, " est un matériau synthétique, qui se classe deuxième après un autre matériau synthétique appelé nitrure de bore cubique pour la dureté. Contrairement au nitrure de bore cubique, cependant, le carbure de bore est plus facile à produire à grande échelle. Aussi, le carbure de bore est plus dur et plus léger que d'autres matériaux d'armure comme le carbure de silicium, ce qui en fait un choix idéal pour les équipements de protection, en particulier les gilets balistiques.

Malgré les nombreuses qualités recherchées du carbure de bore, son principal défaut est qu'il peut s'endommager très rapidement lors d'un impact à grande vitesse.

"Le carbure de bore est vraiment bon pour arrêter les balles qui se déplacent en dessous de 900 mètres par seconde, et ainsi il peut bloquer les balles de la plupart des armes de poing assez efficacement, " dit Xie. " Mais au-dessus de cette vitesse critique, le carbure de bore perd soudainement ses performances balistiques et n'est pas aussi efficace."

Les scientifiques savent que les secousses à grande vitesse provoquent des transformations de phase du carbure de bore, un phénomène au cours duquel un matériau modifie sa structure interne de telle sorte qu'il se trouve dans deux états physiques ou plus, comme liquide et solide, à la fois. L'impact de la balle convertit ainsi le carbure de bore d'un état cristallin où les atomes sont systématiquement ordonnés à un état semblable à du verre où les atomes sont disposés au hasard. Cet état semblable à du verre affaiblit l'intégrité du matériau au point de contact entre la balle et le carbure de bore.

"Lorsque le carbure de bore subit une transformation de phase, la phase vitreuse crée une autoroute pour la propagation des fissures, " dit Xie. " Alors, tout dommage local causé par l'impact d'une balle se propage facilement à travers le matériau et cause progressivement plus de dommages. »

Des travaux antérieurs utilisant des simulations informatiques ont prédit que l'ajout d'une petite quantité d'un autre élément, comme le silicium, avait le potentiel de rendre le carbure de bore moins cassant. Xie et son groupe ont étudié si l'ajout d'une petite quantité de silicium réduisait également la transformation de phase.

Pour simuler l'impact initial d'une balle à grande vitesse, les chercheurs ont fait des bosselures bien contrôlées sur des échantillons de carbure de bore avec une pointe en diamant, dont la largeur est plus petite qu'un cheveu humain. Puis, sous un microscope électronique à haute puissance, ils ont regardé les dommages microscopiques qui ont été formés par les coups.

Xie et ses collaborateurs ont découvert que même avec de minuscules quantités de silicium, le degré de transformation de phase a diminué de 30%, réduisant sensiblement les dommages causés par l'indentation.

Bien que le silicium serve bien à améliorer les propriétés du carbure de bore, Xie a expliqué que plus d'expériences doivent être faites pour savoir si d'autres éléments, comme le lithium et l'aluminium, pourrait également améliorer les performances du carbure de bore.

Dans le futur proche, Xie prédit que ces cousins ​​plus puissants du carbure de bore pur trouveront d'autres applications non militaires. Une de ces utilisations est dans les boucliers nucléaires. Il a déclaré que l'utilisation d'une touche de silicium dans du carbure de bore modifie l'espacement entre les atomes et les espaces vides créés pourrait être de bons sites pour absorber les radiations nocives des réacteurs nucléaires.

"Tout comme en cuisine où une petite pincée d'épices peut grandement rehausser la saveur, by using a small amount of silicon we can dramatically improve the properties of boron carbide and consequently find novel applications for these ultrahard materials, " Xie said.