Les applications futures

 

 Les fluides non-newtoniens sont présents sur la Terre, dans le corps, ou encore sous la Terre... Mais en approfondissant le sujet, on peut se rendre compte que les caractéristiques très spéciales de ces fluides permettraient à l'Homme de créer des objets ou concepts aussi spéciaux et impressionnants que ceux-ci. C'est pour cette raison que des études sont menées dans les fluides non-newtoniens afin de chercher et trouver ces nouveaux concepts et objets, qui pourraient être utilisés dans le futur...

 

 

I- Le gilet pare-balle liquide

 

1- Contexte

 

Un gilet pare-balles est un gilet recouvrant le thorax, l'abdomen et le dos, porté par les forces spéciales d'intervention policière ou les armées nationales, protégeant partiellement contre les tirs d'armes à feu tels que les mitraillettes et les lance-roquettes, armes puissantes et très meurtrières. Il est constitué de fibres synthétiques tissées entre elles et très résistantes appelées Kevlar (nous y reviendrons). Pour que le gilet soit plus résistant, on y incorpore des plaques de métal ou de céramique pour qu'il puisse être plus efficace face aux armes puissantes. Malgré sa solidité, le gilet en Kevlar ne protège pas totalement, premièrement il ne protège pas les membres, et lors de cas extrêmes de combats, il peut blesser gravement le corps.

 

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                                                             Un gilet pare-balles en Kevlar

 

Source: http://www.stockus.fr/equipement-surplus-militaire/gilet-pare-balles-plaques-balistiques/

 

 

 

C'est pour cette raison que des recherches ont été faites pour étudier un nouveau type de gilet pare-balles plus résistant. L'institut de recherche polonais Moratex est le premier laboratoire à avoir découvert une nouvelle composition beaucoup plus résistante pour les gilets pare-balles, dont le principal constituant est évidemment un fluide non-newtonien.

 

 

 

2- Composition et effet du gilet liquide

 

Ce gilet pare-balles liquide est en réalité une modification du gilet en Kevlar de base. En effet celui-ci est constitué d'une couche de tissu Kevlar avec un mélange non newtonien rhéoépaississant ou STF (Shear thickening fluid) contenant un liquide appelé polyéthylène glycol et des particules colloïdales de silice. Le polyéthylène glycol est un liquide visqueux incolore, il est stable en toutes conditions, non inflammable et ni volatile: il est considéré comme un produit sûr, ce qui justifie le choix d'un tel liquide. Les particules de colloïdes de silice sont la suspension de nanoparticules, ici des particules de silice ( la silice est la forme naturelle du dioxyde de sodium faisant partie de la composition de nombreux minéraux, souvent sous forme cristalline).

Mais pourquoi les chercheurs ont fait le choix d'un fluide rhéoépaississant? C'est un choix très pertinent car celui-ci est fluide au repos, et voit sa viscosité augmenter brusquement lorsqu'il est soumis à une contrainte de cisaillement. Il a la même réaction que le mélange eau- maïzena. Donc l'impact d'une balle sur un tel fluide permettrait donc d’arrêter celle-ci instantanément. Mais pour renforcer la résistance de ce gilet liquide, on a imbibé le mélange STF aux particules des fibres du Kevlar, d'où le choix de placer des nanoparticules dans le liquide. On considère ainsi l'étude de ce mélange comme celui des nanotechnologies (étude, manipulation de structures à l'échelle du nanomètre). De plus, grâce aux propriétés d'un fluide rhéoépaississant, on a remarqué que plus la vitesse de la balle arrivant sur le gilet était grande, plus la contrainte de cisaillement était grande donc plus le gilet se solidifiait.

 

 

 

 

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Sur ce schéma représentant les particules d'un fluide rhéoépaississant (STF), on observe que les particules sur le schéma du haut sont réparties de manière équilibrée sur la surface (equilibrium), or sur le schéma du bas on voit que lorsqu'une contrainte est appliquée, les particules se regroupent entre elles, créant un épaississement de la surface (thickened): c'est le comportement du gilet pare-balles liquide lorsqu'une balle arrive à sa surface (on y reviendra).

 

Source: http://science.howstuffworks.com/liquid-body-armor1.htm

 

 

 

 

3- Comparaison du gilet liquide avec le gilet Kevlar actuel

 

Des chercheurs américains, notamment de la US Army Research Laboratory ont comparé les effets du gilet Kevlar actuel et ceux du gilet liquide. La grande différence entre ces deux gilets, c'est la superficie de la surface de protection sensible au choc et la profondeur de choc lorsqu'un projectile arrive sur le gilet. En effet, lorsqu'une balle frappe la surface du gilet Kevlar, seule la partie du gilet où la balle a frappé absorbe le choc, donc celui-ci est ainsi très violent, malgré la résistance du gilet. Résultat, si le gilet Kevlar est ajusté pour coller au corps, l'impact de la balle peut blesser gravement voire mortellement le soldat. Mais lorsqu'une balle frappe la surface du gilet liquide, comme la surface du gilet est fluide, le choc de la balle va solidifier le gilet dans un premier temps, et cette force va se répartir, non pas que sur la partie touchée du gilet, mais aussi autour de cette partie, la superficie où la force est répartie est donc beaucoup plus grande. Résultat, l'impact est beaucoup moins concentré donc moins brutal, permettant au soldat  portant ce gilet de n'être qu'un petit peu blessé. Ainsi les chercheurs ont démontré que la menace de blessure sur un gilet liquide était supprimée de 100%, car une balle peut déviée de 4cm de profondeur lors de son impact sur un gilet Kevlar, alors que sur un gilet liquide la balle peut dévier de seulement 1 cm, c'est très impressionnant.

 

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Voici un test réalisé pour comparer les effets d'un coup de couteau sur les deux gilets, «neat Kevlar» pour le gilet Kevlar et «STF-Kevlar» pour le gilet liquide. On remarque ainsi la différence de profondeur de choc par le coup de couteau entre les 2 gilets.

 

Source: http://tpefluidesnon-newtoniens.webnode.fr/application-pour-les-gilets-pareballe/application-de-la-technologie-shear-thickening-fluid-pour-les-gilets-pare-balles/

 

 

De plus, le gilet liquide serait plus confortable à porter par les soldats selon les chercheurs polonais car, comme il est en grande partie liquide, donc très souple, cela ne gênerait pas le mouvement des soldats pendant leurs missions, contrairement au gilet Kevlar, qui, étant épais et résistant de base, est moins confortable à porter. Le gilet liquide serait également moins lourd que le gilet Kevlar, car il demanderait la conception de pièces spécifiques plus légères. Le gilet liquide est bien plus résistant car il résiste au tranchant d'une lame ou aux piqûres, ce qui n'est pas le cas d'un gilet classique Kevlar. Pour finir, le gilet liquide serait plus sécurisé car il protégerait le dos, thorax et abdomen, mais également les membres, alors que le gilet Kevlar ne protège que le tronc.

 

 

 

4- Autres protections

 

Selon les chercheurs polonais, ce liquide pourrait être aussi utilisé dans des armures sous forme de prothèse pour sportifs, mais également pour les pare-chocs de voiture, pour des combinaisons de motards. L'usage de ce liquide dans ces concepts suivent la même optique que le gilet pare-balle STF: amortir un choc lors d'une chute, ou d'une collision, d'une façon plus efficace.

 

 

 

5- Applications d'aujourd'hui et conclusion

 

Malgré que les fluides non-newtoniens soient peu connus et utilisés aujourd'hui, un fluide rhéoépaississant est néanmoins appliqué de nos jours dans quelques produits commercialisés. C'est le D3O, un fluide dilatant, sous forme de pâte à modeler orange, commercialisé par l'entreprise britannique D3O. Il est appliqué dans certains produits pour sa capacité à se durcir lors d'un choc puis à redevenir instantanément souple. Il est utilisé notamment pour des protections de smartphones et tablettes (protection Tech21) ou encore pour des tenues de sport telles que les combinaisons de ski.

Coque de smartphone en D3O: «protection Tech21».

 

 

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Test de résistance de la pâte D3O avec une contrainte exercée, et une protection de smartphone "Tech21" à côté.

Source: https://youtu.be/h0Q1eY-use4

 

 

 

Pour conclure, la découverte et la création du concept de gilet pare-balles liquide est révolutionnaire, et sa commercialisation, qui est prévue, permettrait une sécurité et une efficacité renforcée inégalée pour les armées et les forces spéciales pendant des missions à risque mortel.

 

 


 

Sources:

 

http://forums.futura-sciences.com/tpe-tipe-autres-travaux/406732-experience-gilet-pare-balle.html

http://www.huffingtonpost.fr/2015/04/05/armure-liquide-invention-video_n_7006970.html

http://science.howstuffworks.com/liquid-body-armor1.htm

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89thyl%C3%A8ne_glycol

http://www.journaldugeek.com/2009/09/01/on-a-trouve-la-protection-ultime-pour-iphone/

http://fr.metrotime.be/2015/04/09/must-read/une-armure-liquide-innovante-et-plus-resistante-quun-gilet-pare-balles-en-kevlar/

http://fluidesnonnewtoniens.wix.com/tpelsk#!processusalliage/cnej

http://www.pieuvre.ca/2015/04/06/science-armure-fluide/

http://www.automatesintelligents.com/labo/2007/avr/armureliquide.html

https://fr.wikipedia.org/wiki/Collo%C3%AFde

https://fr.wikipedia.org/wiki/Nanotechnologie

https://fr.wikipedia.org/wiki/D3o

 

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