Énergie cinétique, pare-balle, pare-couteaux ou pare-seringues…tout le monde sait ce qu’est un gilet pare-balle. Mais sur quel principe physique un « tissu » ou une plaque rigide arrêtent ils une balle ou un couteau et de quoi est constitué le matériau qui fait écran entre vous et un corps pénétrant ? Quelle ergonomie, quel poids et quel ratio bénéfices/risques pour l’utilisateur ? Quelle durée de vie (optimale) pour le matériau de protection ? bref un petit tour d’horizon pour vous aider à choisir la protection adaptée et à prendre en compte les contraintes qui vont avec !
L’idée générale c’est donc d’absorber (stopper net le projectile c’est tentant mais…vous vous souvenez que l’énergie ne subit pas une déperdition, simplement un transfert – je vous laisse imaginer ou elle ira si le matériau de protection stoppait le projectile sans en absorber l’énergie hein…) le transfert d’énergie du projectile sur une surface (la plus large possible) autre que votre corps. La ou ça ce complique c’est que la pointe d’un couteau ou le cône d’une balle présentent des surfaces à l’impact relativement « petites » tout en concentrant une énergie phénoménale !
Acier balistique, Kevlar, Goldflex, polyéthylène, dyneema, céramique…Avant de présenter les propriétés mécaniques des matériaux de protection, une petite liste de celles utilisées dans tous les gilets du marché (j’écarte volontairement les matériaux issus de nanotechnologies, le biosteel – les fameuses soies d’araignées – ou les modifications cellulaires de l’artiste Jalila Essaïdi) :
- Les fibres (déclinés en plaques souples) :
- Les para-aramides
- Twaron (société Teijin)
- Kevlar (société Dupont)
- Goldflex (société Honeywell)
- Les polyéthylènes
- Spectra (société Honeywell)
- Dyneema (société DSM)
De l’ensemble de ses fibres l’on retient le Goldflex (capacité de résistance accrue, comportement optimal à la torsion – plus cher à la production) et le Dyneema (rapport poids/résistance plus élevé que ses compétiteurs et une résistance remarquable à l’humidité, à l’abrasion et aux UV).
La encore l’on passe sur le procédé de fabrication et les différents stades de transformation des fibres, des tissages utilisés ainsi que sur les propriétés physique de chaque matériau ou de leurs déclinaisons (à titre info il existe 6 types de Kevlar différents, sans compter les types de Dyneema, obtenus selon un protocole de fabrication différent – je manque de temps pour écrire un bouquin…Mais si ça vous intéresse, envoyez nous un message, on vous enverra la documentation).
Vous retrouvez l’un de ces fibres dans toutes les plaques souples proposées actuellement sur le marché. Elles présentent peu ou prou, les mêmes capacités mécaniques – capacité d’absorption en joules par m2 – avec des variations quand à la résistance à l’humidité, à l’exposition aux UV et à l’abrasion. Évidemment certaines seront « meilleures » que d’autres mais de toute façon il faudra considérer qu’une plaque abimée (suite à l’absorption d’un tir, d’une exposition à un agent chimique, d’une déchirure…) doit impérativement être remplacée.
- Les aciers (déclinés en plaques dures ou en découpes spécifiques pour la protection d’un véhicule ou d’un bâtiment) :
- Armor ou Armox 500 – en fonction du fabricant
- Sans rentrer dans le détail un acier à la structure spécifique, utilisé pour la fabrication de plaques balistiques dures et de structures pare-balles pour les véhicules, des bâtiments modulaires…Décliné en épaisseur variable en fonction du besoin.
- L’indication 500 fait référence à l’indice de dureté (échelle de Brinell)
- L’on passe sur les aciers présentant un indice de 550 ou plus, ils ne sont pas utilisés pour la fabrication d’éléments de protection individuelle.
- La céramique – ou plutôt un matériau composite incluant de la céramique (déclinée en plaques dures ou en billes, exclusivement pour un usage pare-balle) :
- Composé la plupart du temps d’une première couche d’epoxy ou de fibre de verre – protection de la plaque contre les éclats, les rayures, les chocs contondants… – de céramique (alumine, carbure de bore…), puis de couches de polyéthylène UHMWPE (ultra high molecular weight polyethylene) ou d’une fibre balistique souple (voir plus haut) qui vont assurer la dispersion de l’énergie sur toute la surface de la plaque. C’est ce qui donne la fameuse plaque balistique SAPI (Small Arms Protective Insert)
- Les trois formules de céramique utilisées (le plus couramment) pour la fabrication d’une plaque de protection balistique :
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- Oxyde d’aluminium (Al2O3 – communément appelé Alumine)
- C’est la formule la plus économique (au cout de fabrication et du volume de matière à utiliser pour obtenir un niveau de protection optimal) et celle qui présente la plus forte densité – en fonction de la pureté du produit final – son processus de fabrication doit afficher une pureté de 90 à 99,95% et une porosité inférieure à 2%
- Carbure de bore (B4C)
- 2 fois plus dur que l’alumine, mais aussi d’une densité inférieure, c’est le matériel idéal pour « stopper » une balle…sauf qu’il est cher à la production, extrêmement cassant à la « déchirure » – ce qui est la caractéristique d’une balle perforante par exemple – et qu’il nécessite un processus de fabrication différent en fonction que l’on veut obtenir une protection optimale pour l’absorption d’une seule ou de plusieurs. Pour exploiter ses performances exceptionnelles le carbure de bore est en général utilisé en conjonction du carbure de silicium.
- Carbure de silicium (SiC)
- L’on retrouve, grosso merdo, les mêmes capacités physiques que le carbure de bore, avec cependant une densité plus importante. La combinaison d’une dureté quasi similaire à l’alumine et au carbure de bore avec sa densité – en fonction du processus de fabrication – plus ou moins élevée en font le choix idéal pour (ou contre plutôt) les balles à très haute vitesse ou perforantes.
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Il est à noter que le composant céramique, par nature, est « cassant » et que la plaque de protection en céramique subira invariablement des dommages importants à l’impact – c’est même en partie ce qui assure le transfert d’énergie et l’arrêt du projectile. Nous aborderons plus loin la différence entre « single » et « multi » hits (plaque qui présente la possibilité d’absorber l’énergie d’une seule ou de plusieurs projectiles) mais, comme noté en introduction du chapitre « céramique », assurer la cohérence du matériau, lui permettre de conserver ses propriétés balistiques et éviter la projection d’éclat, passe par l’ajout d’un matériau composite (en couverture – epoxy, résines de polyester fibre de carbone) et d’un matériau balistique (à base de fibre polyéthylène ou d’aramide par exemple – permettant la réduction des microfissures de la plaque céramique et une absorption optimale de l’énergie cinétique). La plupart des plaques céramiques présentent aussi une couche de matériau (mousse phénolique) pour sa résistance au feu et ses propriétés d’isolation thermique.
En deux mots, plus la plaque céramique est rigide (et fabriquée en conjonction avec une « couverture » et « renforcée » avec une fibre balistique), plus la céramique utilisée est « dure » – plus dure que la matière de la balle – mieux c’est !
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Le polyéthylène haute performance (UHMWPE – ultra high molecular weight polyethylene) dans sa forme composite stratifié (dans sa version fibre le UHMWPE c’est – notamment – les matières de protection balistique Dyneema et Spectra sous forme de plaques balistiques souples) – la encore le matériau sera exploité sous la forme de plaques individuelles ou à la découpe pour la protection de véhicule ou d’aéronefs. On va faire simple : à ce jour c’est le composé thermoplastique le plus résistant (aux chocs, aux solvants, à l’abrasion) et il n’absorbe quasiment pas l’humidité. Composé d’une répétition d’unités monomère (en gros la répétition de la structure d’une macromolécule – des milliers de fois. La polymérisation), l’UHMWPE peut être fabriqué selon plusieurs processus (avec l’imprégnation d’une matrice thermostatique, avec un nombre de filaments plus ou moins élevés ou d’une section plus ou moins large, avec un filage particulier…) et la plaque de protection peut présenter un nombre de feuilles variable (la « feuille » d’ UHMWPE fabriquée par DSM Dyneema® SB71 par exemple), mais, dans le cas d’une plaque dure elle sera toujours présentée sous forme composite. Sa très faible densité et sa capacité de résistance exceptionnelle en font le matériel idéal pour un ratio protection/poids optimal.
- Vous retrouverez l’UHMWPE dans la composition de la plupart des boucliers balistiques et des visières – notamment parce qu’il permet la transparence et donc une vision optimale pour le porteur.
- Une plaque en UHMWPE ne pourra être utilisée pour la protection contre une balle perforante ou à très haute vitesse (un ensemble de test l’ont démontré) mais sera un excellent additif à la plaque céramique pour permettre une espèce de plaque individuelle en « sandwich » – la plaque céramique et composite comme présenté plus haut – qui assurera une protection contre la plupart des calibres légers (en excluant certaines munitions spécifiques, le .50 BMG, .408 CheyTac, en gros tout ce qui pourra aussi servir de calibre anti-véhicule).
Super ! Mais alors comment ça fonctionne concrètement ? Relativement simple ! qu’il s’agisse d’une fibre, d’acier ou de céramique, l’important c’est :
- Que la structure moléculaire du matériau ait une capacité d’absorption de l’énergie maximale.
- Que l’absorption de l’énergie se fasse sur une surface la plus large possible.
- Dans le cas d’un gilet pare-balle, que la force de l’impact sur le matériau de protection permette la déformation (et donc réduise la concentration d’énergie en permettant à la balle de s’expanser) ou l’éclatement du projectile.
Pour les matières de protection proposées « souples » (kevlar, goldflex, spectra ou dyneema) :
Dans un souci de vulgarisation j’écarte volontairement les différences structurelles entre para-aramides et polyéthylène. Imaginons un filet de terrain de tennis (ou le filet des buts d’un terrain de foot). Quand une balle (ou un ballon) touche le filet celui-ci se déforme de manière conique et les cordes qui composent le filet absorbent l’énergie à 360° jusqu’à ce qu’elle soit totalement absorbée et que le ballon s’arrête. La matière textile « souple » d’une plaque pare-balle va agir exactement de la même manière, à ceci près que le trauma causé par une pénétration conique très puissante – et sur une surface très réduite – vers l’intérieur du corps pourra être tout aussi mortel que si le projectile pénétrait réellement le corps. La différence réside donc dans un maillage de la fibre beaucoup plus serré que le maillage d’un filet de sport. Ce maillage très fin va permettre la dispersion de l’énergie sur toute la surface de la plaque et donc la réduction de la déformation conique que lui impose le projectile (on y reviendra au chapitre des différentes normalisations officielles).
Pour permettre cette dispersion de l’énergie et l’arrêt complet du projectile avant pénétration, il faut :
- La succession de couches textiles qui agissent individuellement comme un filet
- Un maillage de chaque couche qui soit suffisamment fin pour une dispersion maximale de l’énergie sur toute sa surface
- Qu’à l’impact le transfert d’énergie agisse sur le projectile lui-même en « l’écrasant » pour supprimer une partie de la pénétration due à la forme conique des balles – et donc en contribuant à augmenter la surface de « prise en charge » de la balle
- Que la fibre utilisée ait des propriétés de résistance à la tension exceptionnelle
- Le cas particulier des plaques pare-couteaux ou pare-seringues :
- La différence de vélocité (la vitesse) d’un coup porté avec un couteau (ou un pic, ou une seringue) est très inférieure à celle d’une balle (même de très petit calibre). De fait les fabricants (la première normalisation des plaques anti-couteau date de…1993) ont dû adapter la résistance mécanique des fibres usuellement utilisées pour arrêter les balles.
- Les fibres utilisées ont les mêmes dénominations commerciales – Dyneema ou Kevlar – mais le processus de fabrication diffère pour obtenir un maillage à même d’absorber et d’arrêter la progression d’une lame ou d’une seringue dans la surface de la plaque.
- On y reviendra plus tard mais ce sont les anglais (foutus rosbif) qui ont (en 1993 donc), via l’HOSDB (Home Office Scientific Development Branch – l’institut scientifique du ministère de l’intérieur quoi) développent une norme spécifique conçue pour la protection contre les lames de couteau ou les seringues (capacités balistiques, protocole de test, niveaux d’efficience…
- On note qu’une plaque pare-couteau pourra être portée en conjonction d’une plaque pare-balle
Pour les matières de protection proposées « dures » (céramiques & UHMWPE) :
Le process est légèrement différent ! Une plaque dure a pour but de protéger son porteur des dégâts mécaniques d’une munition beaucoup plus véloce (potentiellement avec un design conçu pour une pénétration accrue ou la concentration de l’énergie cinétique sur une surface restreinte). Le comportement d’une balle de calibre plus « modeste » (ou avec une explosion de départ plus réduite) lors de son impact sur une plaque « textile » ne pourra absolument pas être identique dans le cas d’une balle plus rapide et plus « puissante ». D’une part parce que l’énergie cinétique dégagée pourrait permettre au projectile de pénétrer la surface de protection sans problème – et continuer sa trajectoire dans le corps du porteur – et d’autre part parce même en cas d’absorption de l’énergie la déformation conique imposée mécaniquement provoquerait des dégâts physiologiques potentiellement aussi mortels que s’il n’y avait pas de protection du tout. Il est donc impératif que la plaque dure :
- Soit composée d’un matériau plus dur que celui qui lui est opposé (la balle qui tente de pénétrer)
- Que l’absorption de l’énergie se fasse (comme pour les plaques souples) sur une surface la plus grande possible
- Qu’à l’impact (toujours comme pour les plaques souples) le projectile s’écrase ou se désagrège au maximum
- Le cas particulier du « multi-hits » (la plaque en mesure d’absorber l’énergie de plusieurs projectiles à la suite) :
- La rien de bien compliqué – reportez vous au chapitre « La céramique – ou plutôt un matériau composite incluant de la céramique » qui détaille la structure d’une plaque constituée de différentes couches (revêtement de protection – époxy, céramique, matière balistique composite et potentiellement une couche de mousse phénolique).
- C’est cette composition en « sandwich » qui va permettre de conserver principalement les propriétés de la céramique (qui, comme indiqué plus haut va se fragmenter dès le premier impact). Même en « morceau » le matériau céramique, dès le moment ou la conception en « sandwich » lui conserve sa structure initiale – en deux mots la céramique en morceau reste compressée dans sa gangue (avant le premier impact), va conserver ses propriétés mécaniques. La matière balistique composite va quant à elle continuer à assurer son rôle d’absorbant de l’énergie.
- En plus de la composition en « sandwich » intervient te type de structure utilisé pour la surface en céramique. D’après les tests cités ci-dessous il est essentiel que la céramique soit disposée non pas d’un seul tenant mais en plusieurs « tuiles ». Ce tuilage permet de conserver intact les capacités de protection des tuiles adjacentes à la tuile qui a absorber le premier impact. Logique quoi.
- Sur la base d’un test comparatif V50 (velocity 50 – voir plus bas) effectué par messieurs Horsfall et Buckley ainsi que Watson et al (jetez un œil sur google si leurs tests ont un intérêt pour vous) avec des plaques intactes et des plaques ayant subis un impact, le résultat indique (en fonction de la vitesse de la balle à l’impact / avec une munition de 7,62 / sur des plaques SAPI en alumine) une baisse de la performance de 3 à 8%. Ce qui permet quand même de constater que le matériau conserve une capacité de 24 à 12% supérieure aux exigences de la norme.
- Attention : même si le matériau fait le boulot, il ne pourra pas assurer votre protection contre des dizaines d’impacts ! En deux mots à couvert fissa !
- Le cas particulier des plaques « stand-alone » (la plaque qui assure le niveau de protection qu’elle indique – en fonction de la norme choisie pour son test – sans être utilisée en conjonction avec une autre plaque de protection (souple) :
- La encore il s’agit d’une plaque de protection (dure) qui aura bénéficié d’un processus de fabrication ou d’une structure qui permet son utilisation seule, sans être portée en conjonction avec le support d’une plaque souple (classiquement une plaque de protection portée dans un gilet ET une plaque dure portée par dessus dans un compartiment prévu à cet effet). En deux mot vous pouvez utiliser cette plaque dans un « porte-plaque » tactique – ce qui réduira le volume et le poids que représente la conjonction gilet avec plaque souple + plaque dure ainsi que le confort de mouvement du porteur. Évidemment cela réduit aussi la surface de protection, mais si vous êtes à peu près sur de faire face à des tirs de calibres plus puissants que ceux « traités » par une plaque souple…autant ne pas s’emmerder – pensez quand même au risque d’éclats de shrapnels…
- La plaque « anti-trauma » :
- Simple : c’est une plaque souple additionnelle (généralement en fibre, mais ça a existé en acier ou en aluminium) qui est conditionnée dans un format beaucoup plus fin que la plaque souple pare-balle classique (mais dans le même matériau donc). L’idée n’est pas de proposer une protection « en plus » mais de limiter la déformation conique à l’impact (et le trauma physiologique qui en résulte) en optimisant la surface de dispersion de l’énergie et l’écrasement du projectile à l’impact.
Mais alors quel type de plaques arrête quel type de calibres ou d’éclats ?
Chaque pays industrialisé – France, USA, Allemagne, Chine, Russie, Angleterre…A défini, à un moment ou à un autre, un protocole de test qui défini les capacités de protection (pour les éclats, les munitions, l’effet de souffle et les couteaux) de chaque matériau utilisé. Les différents protocoles proposent tous (en fonction des contraintes exigées pour les tests) une échelle qui permet de déterminer quel produit est le plus adapté au risque que l’on veut traiter.
Bon on commence par chez nous hein ? Ç’est la moindre des choses ! Le protocole et l’échelle d’évaluation française donc :
- Bon ben il y a comme un léger problème : l’AFNOR (Association Française de Normalisation) ne propose pas un protocole spécifique aux matériaux pare-balles utilisés pour la protection individuelle ou sur véhicule
- L’on notera cependant :
- Les normes NF A36-800-2 et NF A50-800-2 (Tôles en acier soudable laminées à chaud pour blindage – Partie 2 : méthode d’essais de tir)
- La norme NF P 78-401 (remplacée par la norme européenne NF EN 1063 – Verre dans la construction – Vitrage de sécurité – Mise à essai et classification de la résistance à l’attaque par balle)
- La norme NF EN 1522/1523 (Fenêtres, portes, fermetures et stores – Résistance aux balles – Prescriptions et classification)
- Bref no comment…
Le protocole et l’échelle d’évaluation américain :
- Vous connaissez tous la norme définie par la NIJ. Mais les ricains aiment bien faire les choses en grand ! Cela donne donc :
- Les normes définies par la NIJ (National Institute of Justice – l’organe de normalisation et de recherche scientifique fédéral américain) :
NIJ Standard 0101.07 – Ballistic Resistance (draft)
NIJ Standard 0101.06 – Ballistic Resistance
NIJ Standard 2005 Interim Requirements for Ballistic Resistance
NIJ Standard 0101.04 – Ballistic Resistance
NIJ Standard 0101.04 Revision A – Ballistic Resistance
NIJ Standard 0101.03 – Ballistic Resistance
NIJ Standard 0115.00 – Stab Resistance
NIJ Standard 0104.02 – Riot Helmets and Face Shields
NIJ Standard 010600 – Helmets
NIJ Standard 0117.00 – Public Safety Bomb Suit Standard
NIJ Standard 0108.01 – Ballistic Protective Materials
FBI body armor test protocol 2008
HP White 401-01b Helmet Testing Procedure
- Les normes définies par l’armée américaine :
MIL-STD-662F, MILITARY STANDARD: V50 BALLISTIC TEST FOR ARMOR
Le protocole et l’échelle d’évaluation Allemand :
- Avec mes excuses, impossible de trouver une version des documents en français ou en anglais, je vous livre donc la version originale en allemand – vous reste à utiliser google translate hein…
- L’organisme de certification allemand (Vereinigung der Prüfstellen für angriffshemmende Materialien und Konstruktionen) défini les normes suivantes :
VPAM KDIW2004 Stand: 18.05.2011
VPAM KDIW 2004 Stand: 12.05.2010
VPAM HVN 2009 Stand: 12.05.2010
VPAM APR 2006 Edition: 2009-05-14
VPAM BSW 2006 Stand: 14.05.2009
Le protocole et l’échelle d’évaluation Russe :
- Le GOST (pour ceux qui sont intéressé par une traduction du document envoyez moi un message, on sait faire en interne).
GOST R 50744 95
Le protocole et l’échelle d’évaluation Anglais :
- L’on rappelle que c’est l’institut scientifique anglais qui a le premier défini un protocole spécifique aux matériaux fabriqué pour la protection contre les couteaux et les seringues en 2013.
- L’organisme de certification anglais – l’HOSDB (Home Office Scientific Development Branch) défini les protocoles suivants :
HOSDB Body Armour Standards for UK Police (2007)
HOSDB Body Armour Standards for UK Police (2007) Part 1: General Requirements
HOSDB Body Armour Standards for UK Police (2007) Part 2: Ballistic Resistance
HOSDB Body Armour Standards for UK Police (2007) Part 3: Knife and Spike Resistance
Le protocole et l’échelle d’évaluation Chinois :