Céramiques légères A base de Phosphure de Bore pour Applications Balistiques – CAPBAB

L’objectif de ce projet vise à développer des protections balistiques constituées de céramiques de très faible densité à base de phosphures de bore dont les performances (dureté, résistance mécanique) seraient exacerbées par rapport aux matériaux métalliques ou encore aux céramiques structurales existantes. Cet objectif nécessite de mettre en œuvre des procédés céramiques adaptés intégrant toutes les étapes clés de l’élaboration de ces céramiques, de la synthèse de poudres spécifiques par des voies originales jusqu’à l’étape de densification rapide permettant le contrôle des (micro-)nanostructures des céramiques frittées. Compte-tenu des performances envisagées pour ces nouvelles céramiques liés à leurs excellentes propriétés intrinsèques (faible densité, haute dureté) et des méthodes d’élaboration envisagées permettant d’envisager la production de céramiques totalement densifiées et nano-structurées, ce projet pourrait conduire à une réduction substantielle des masses embarquées pour les protections balistiques.
Par ailleurs, les composés BP et B12P2 sont les phases « phosphures de bore » les plus stables du système binaire B-P. Actuellement, ces phases ne sont pas disponibles commercialement sous forme de poudres ou de céramiques massives, elles restent donc des « curiosités » de laboratoire et sont encore très mal connues. Néanmoins, leurs propriétés physiques restent exceptionnelles : grande stabilité thermique, conductivité thermique élevée et surtout une haute valeur de dureté (> 30 GPa). Actuellement, les procédés étudiés pour la synthèse et la mise en forme des poudres de BP et de B12P2 requièrent la combinaison des hautes températures et des hautes pressions (quelques GPa) et s’appuient sur des réactions chimiques souvent lentes et parfois même explosives.
Dans ce projet, nous proposons donc :
- de développer des procédés de synthèse de poudres fines et pures de BP et de B12P2 ;
- de fabriquer par frittage SPS des céramiques denses de phosphures de bore dont la micro-, nano-structure serait homogène et contrôlée ;
- de développer une chaîne complète de synthèse et de frittage « flash » de lots de poudres de phosphures de bore permettant réalisation de grandes pièces céramiques ;
- de tester et d’interpréter les propriétés mécaniques de ces nouvelles céramiques sous chargement d’impact aboutissant à une compréhension du lien entre performances et caractéristiques microstructurales.
L’originalité de ce projet réside principalement dans l’élaboration de céramiques de faible densité et de très haute dureté à base de phosphures de bore sur la base de procédés de synthèse et de frittage simples à mettre en œuvre, rapides et économiques. Il s’agit d’une rupture technologique qui peut comporter des retombées étendues aussi bien civiles que militaires. Les verrous scientifiques et technologiques de ce projet relèvent principalement du contrôle de la pureté des poudres de phosphures de bore pendant les étapes de synthèse SHS ou par mécanochimie et de la maîtrise de la composition chimique ainsi que de l’homogénéité microstructurale des céramiques lors de l’étape de frittage SPS notamment des pièces de grandes dimensions.
Le consortium est composé de quatre laboratoires académiques, un centre de transfert, reconnus dans leurs domaines d’expertises avec un historique de collaborations fructueuses. Ces collaborations ont notamment conduit des premières céramiques denses à base de phosphures de bore par frittage « flash ».