Note publique d'information : Ce manuscrit de thèse porte sur l’élaboration de nouveaux matériaux pour la protection
balistique grâce à l’apport du procédé de frittage flash. Il s’agit, en effet, d’associer
deux composés possédant des températures de frittage éloignées, tels que l’alumine
et l’aluminium, matériaux de référence utilisés dans la protection balistique.La première
voie testée était un assemblage bi-matériau, réalisé par frittage d’une poudre d’aluminium
sur un plot d’alumine préalablement fritté. Cette étude a permis d’observer la formation
de la liaison alumine/aluminium par microscopie électronique à balayage et en transmission
et d’optimiser les paramètres d’assemblage pour l’obtention d’un bi-matériau possédant
une forte cohésion interfaciale. Des outils de caractérisation adaptés (diffraction
des rayons X et indentation Vickers) ont mis en évidence des contraintes résiduelles
dans la céramique qui résultent de la différence de coefficients de dilatation thermique
entre les deux composés lors du refroidissement du bi-matériau. Ces assemblages ont
également fait l’objet d’essais statiques (essais de traction indirects) et d’essais
dynamiques (tirs balistiques). Ces essais ont démontré la très grandec ohésion des
assemblages et ont permis de valider la pertinence de l’étude de matériaux de protection
balistique par des essais statiques, qui sont plus faciles à mettre en oeuvre.L’autre
voie envisagée était de fritter en une seule étape un matériau à gradient de composition,
de l’alumine pure à l'aluminium pur avec une interphase constituée de mélanges alumine/aluminium.
D’un point de vue technique, le frittage flash a démontré sa capacité à générer un
gradient de température de plusieurs centaines de degrés à l’intérieur d’un échantillon
de quelques millimètres de haut, grâce à l'utilisation d'un moulede forme spécifique.
Malheureusement, la mauvaise mouillabilité de l’alumine par l’aluminium n’a pas permis
d’abaisser la température de frittage des mélanges alumine/aluminium par rapport à
l’alumine pure. Elle a au contraire conduit à augmenter la température de frittage
des mélanges de ~200 °C, empêchant l’élaboration du matériau à gradient de composition.
Cette voie a tout de même permis l’élaboration de composites denses (>99 %) à matrice
d'alumine avec de faibles quantités d'aluminium, de l'ordre de 5 % en masse.
Note publique d'information : This dissertation describes the synthesis of new components for ballistic protection
with the assistance of flash sintering. Indeed, the objective is to associate two
compounds showing very different sintering temperatures – such as alumina and aluminum,
two reference materials for ballistic protection applications.The first synthesis
method tested was the elaboration of a bi-material via the sintering of aluminump
owder on alumina bulks. This study permitted to observe the formation of the alumina/aluminum
bonding by scanning and transmission electron microscopy and to optimize the assembly
parameters in order to obtain a bimaterials howing a strong interfacial cohesion.
Adapted characterization techniques (X-rays diffraction and Vickers indentation) revealed
residual stresses inside the ceramic that stemmed from the difference of thermal expansion
coefficients between the two compounds during the cooling of the bi-material. Moreover,
these assemblies have been tested with static (indirect tensile) tests and dynamic
(ballistic) tests. These tests evincedthe very strong cohesion of the assemblies and
permitted to confirm the relevance of static tests, which are easierto set up, for
the evaluation of materials for ballistic protection.The other synthesis method considered
was the one step sintering of a material displaying a gradient of composition, from
pure alumina to pure aluminum with an interphase constituted by alumina/aluminum combinations.
From a technical point of view, the flash sintering process proved capable of generating
a thermal gradient of several hundreds of degrees inside a sample a few millimeters
high, thanks to the use of a specific shape die. Unfortunately, the limited wetting
of alumina by aluminum prevents the sintering of the alumina/aluminum mixtures from
temperatures being lower than that of pure alumina. On the contrary, this limited
wetting leads to an increase in the sintering temperature of the composites of ~200
°C and prevents the preparation of a material showing a composition gradient. Nevertheless,
this method permits the synthesis of dense alumina composites (<99 %) containing ~5
wt.% aluminum.
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