Matériaux énergétiques composites autoréparants – MECA

Les munitions telles que les bombes, les pénétrateurs, cônes de torpilles, têtes de missiles et certains obus contiennent maintenant des chargements d’explosifs composites. Les formulations utilisées sont alors constituées d’un liant polymérique qui enrobe des charges solides d’explosifs associés parfois, selon les effets souhaités et leurs applications, à des charges oxydantes et des particules métalliques réductrices. Les taux de charges solides sont élevés, de l’ordre de 85 à 90% en masse.
Les propergols composites présents dans les propulseurs à poudres relèvent souvent de cette même famille de formulations où un liant polymérique enrobe des charges cristallines oxydantes ou métalliques réductrices. Ces propergols solides sont utilisés pour les lanceurs spatiaux (propulseurs P240 d’Ariane 5 ainsi que le futur P120C d’Ariane 6). Le taux des charges solides est de l’ordre de 85%. Les propergols composites sont également utilisés dans les moteurs de nombreux missiles tactiques ou stratégiques.
L’intégrité mécanique des chargements contenant ces formulations est fondamentale et critique, car elle garantit la sécurité au tir, soit du propulseur soit de la munition explosive aéroportée ou lancée par une arme à tube. En effet, dans le cas d’un moteur à propergol solide, la présence d’une fissure dans son chargement énergétique va offrir plus de surface à la combustion que prévu et provoquer alors une montée en pression non souhaitée pouvant conduire à la destruction du propulseur. Dans le cas du tir d’un obus, les déplacements internes engendrés par l’accélération (10 à 30000g) peuvent conduire au frottement des lèvres de la fissure et provoquer l’allumage par échauffement localisé de la formulation, pouvant conduire à une réaction de l’obus dans le tube de l’arme.
Les objectifs sont donc de démontrer expérimentalement la faisabilité de l’obtention de polymères autoréparants à base de polybutadiène hydroxytéléchélique et éventuellement de PolyAzoture de Glycidyle, capables d’accueillir des taux de charges solides suffisamment élevés (au moins 80%) tout en conservant ses facultés de réparation et en offrant des propriétés mécaniques équivalentes aux formulations existantes.
Pour ce faire CNRS et EURENCO associent leurs forces pour développer une stratégie de recherches selon deux concepts de réparation chimique, la première concernant les autoréparations par cycloaddition de Diels-Alder et la seconde par chimie « click ». L’ensemble de ces réactions de ligation opérant l’autoréparation seront étudiées sur des plateformes moléculaires multivalentes innovantes.
Ces concepts seront développés pour intégrer les formulations composites développées et produites par EURENCO. Celles-ci sont majoritairement composées de charges explosives solides et d’un liant polymérique, de plastifiants et d’additifs. La matrice du liant est composée de PBHT. Cette matrice est réticulée ultérieurement par un isocyanate de manière à former un polyuréthane. Le PBHT est un polymère di-fonctionnel qui possède en bout de chaine des fonctions hydroxyle et des chaînes pendantes alcéniques. Ces chaînes pendantes vont permettre les réactions d’autoréparation.
Les deux voies (et variantes) de réparation seront testées et validées tout d’abord sous forme de films sans charges solides. Puis, après vérification préalable des compatibilités chimiques des ingrédients, notamment avec les charges explosives, une phase de formulations avec des charges inertes sera abordée à petite échelle grâce à la technologie du mélangeage résonant acoustique (RAM). La meilleure voie sera appliquée à une formulation énergétique équivalente à celles qui sont employées couramment dans les chargements des bombes aéroportée et par ailleurs voisine d’une formulation générique de propergol composite. Les démonstrations d’autoréparation seront réalisées d’une part après fissuration manuelle puis grâce à un montage permettant l’apparition de fissures au retrait thermique.