Experimental characterisation and modelling of the dynamic fracture and fragmentation properties of a projectile ammunition and armour ceramics

Some ceramic grades, such as silicon carbide (SiC) or alumina (Al2O3), are used as ballistic materials thanks to their excellent mechanical performances, such as their hardness, while being light, where weight gain is a major issue for the design of military equipment for personal and vehicle protection. Since the Vietnam War, ceramics have been largely used and integrated as front face in bilayer shielding to stop the threat of AP (Armour Piercing)-type projectiles during a ballistic impact. Nevertheless, the projectile leads to an intense damage in the ceramic due to, amongst other phenomena, a dynamic tensile loading that manifests by multiple cracking, called fragmentation, particularly unfavourable for the integrity of the ballistic protection and its capacity to deal with a second impact. In order to develop a more performing shielding material, it is essential to understand the link between the microstructure of ceramics, the damage generated under impact and their ballistic performances.This thesis seeks to better understand the dynamic fragmentation phenomenon generated at high strain rates in high fracture-toughness ceramics, including a bio-inspired alumina material mimicking nacre microstructure. This artificial nacre is, a priori, more crack resistant than conventional ceramics as it is characterised by a high static fracture-toughness due to its specific “Brick-and-Mortar” (or BM) microstructure reproduced in the material called here MAINa.
Certaines nuances de céramiques, comme les carbures de silicium (SiC) ou les alumines (Al2O3), sont utilisées comme matériaux balistiques en raison de leurs excellentes performances mécaniques, notamment leur dureté, tout en étant légères, là où le gain de masse est un enjeu majeur pour la conception d’équipements militaires de protection individuelle ou de véhicule. Depuis la guerre du Viêt Nam, les céramiques ont été largement utilisées et intégrées comme face avant de blindage bicouche pour stopper la menace des projectiles de type AP (Armour-Piercing) durant un impact balistique. Néanmoins, le projectile provoque un endommagement intense dans la céramique en raison, notamment, d’un chargement de traction dynamique qui se manifeste par une fissuration multiple, appelée fragmentation, particulièrement défavorable à l’intégrité de la protection balistique et à sa capacité à faire face à un second impact. Afin de développer un matériau de blindage plus performant, il est essentiel de comprendre le lien entre la microstructure des céramiques, l’endommagement généré sous impact et leurs performances balistiques.Cette thèse cherche à mieux comprendre le phénomène de fragmentation dynamique généré à hautes vitesses de déformation dans des céramiques à forte ténacité, incluant un matériau aluminé bio-inspiré de la nacre. Cette nacre artificielle est, a priori, plus réfractaire aux fissures que les céramiques conventionnelles car elle se caractérise par une haute ténacité statique en raison d’une microstructure spécifique de type « Brique-Mortier » (ou BM) reproduite dans le matériau appelé ici MAINa.