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Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation Défense (ASTRID)
Edition 2012


SUPREMATIE


Amorçage d’exploSifs intrinsèqUes par des nanothermites : application de ce PRincipe à dEs Munitions à hAute énergie pour la protecTIon des forcEs de l’ordre

Amorçage d’explosifs intrinsèques par des nanothermites : application de ce principe à des munitions à haute énergie pour la protection des forces de l’ordre.
Le projet SUPREMATIE se propose d'étudier expérimentalement différentes nanothermites, en termes de sensibilités et de vitesses de réaction (ISL), afin de pouvoir modéliser la réactivité de ces nouveaux matériaux énergétiques et leurs effets sur des explosifs secondaires tels que la pentrite, l'hexogène et le CL-20 (Institut PPRIME). Des tests d'amorçabilité externe ou interne, serviront à développer des matériaux explosibles, destinés à garnir l'ogive de munitions à haute énergie.

L'amorçabilité d'explosifs secondaires par les nanothermites : pour jeter les fondements de la pyrotechnie du futur et développer des matériaux énergétiques sur mesures.
Les nanothermites sont des matériaux énergétiques jeunes dans l'histoire de la pyrotechnie ; leurs propriétés particulières en font des matériaux de choix pour de nombreuses applications exigeant une forte puissance. Les enjeux sont à la fois d'ordre scientifiques, réglementaires et sociétaux.

1. Enjeux scientifiques : L'amorçage en détonation des explosifs secondaires exige un choc, souvent produit par un explosif primaire, ou une transition de la déflagration vers la détonation (phénomène moins bien défini). Les nanothermites ayant une réactivité intermédiaire, se situant entre celles des poudres et les explosifs, il est intéressant d'évaluer leur potentiel d'amorçage.

2. Enjeux réglementaires : La réglementation européenne REACH restreint l'usage industriel de substances chimiques jugées dangereuses. Parmi celles-ci figurent les sels de plomb, pourtant indispensables à la fabrication de nombreux explosifs primaires. La substitution du plomb par des substances amorçage moins nocives serait une avancée majeure dans ce domaine.

3. Enjeux sociétaux : L'amorçage des explosifs par les nanothermites permettrait de développer des détonateurs de sécurité qui seraient utilisés dans différents domaines tels que : la sécurité civile, l’industrie minière, le génie civil et les travaux publics, la sécurité automobile, les dispositifs pyrotechniques aérospatiaux, la pyrotechnie de divertissement et la sécurité informatique.

Dans le cadre du projet SUPREMATIE, la mise au point de nanomatériaux explosibles, permettra de garnir les ogives de munitions en dotation dans les forces de l'ordre, afin d'accroitre de manière très significative l'énergie libérée à l'impact. Ces munitions à haute énergie (MuHE) seraient un atout précieux pour les forces de l'ordre puisqu'elle auraient une efficacité renforcée contre les malfaiteurs protégés et limiteraient les dégâts collatéraux, par l'absence de ricochets massifs. Enfin, les MuHE seraient utilisables dans les armes en dotation.

L'amorçage externe et l'amorçage interne : deux approches complémentaires qui se rejoignent dans une même finalité.
L'effet produit par la réaction des nanothermites a été étudié selon deux approches : l'amorçage externe, dans lequel la nanothermite et l'explosif sont séparés et réagissent successivement, et l'amorçage interne dans lequel l'explosif est incorporé dans la nanothermite et réagit avec elle.

1. L'amorçage externe a consisté à soumettre des comprimés d'hexocire graphitée, composition explosive contenant 93,1% en masse d'hexogène, aux effets produits par la réaction en confinement de différentes nanothermites. Le diagnostic qualitatif (déflagration ou détonation) est établi grâce à une plaque métallique témoin sous-jacente. Des mesures de vitesse ont également été enregistrées à l'aide de sondes à court-circuits positionnées sur la génératrice du cylindre d'explosif.

2. L'amorçage interne a été étudié au moyen d'un dispositif expérimental similaire à celui utilisé pour caractériser la combustion des nanothermites pures. Le matériau composite {nanothermite + explosif} est confiné dans un tube transparent au-travers duquel l'évolution de la réaction est suivie par vidéo rapide. Cette technique permet, non seulement de suivre l'évolution de la vitesse et de l'accélération, mais aussi d'acquérir de précieuses informations sur les phénomènes observés et leurs mécanismes.

Résultats

1. Préparation de nanothermites WO3/Al et CuO/Al insensibles au choc (> 49,6 J) et au frottement (> 360 N) en jouant sur la taille des particules d’oxyde. Ces nanothermites, sous forme de poudres foisonnantes, ont cependant des vitesses de réaction en semi-confinement de 100 et 450 m/s.

2. Mesures expérimentales de la conductivité thermique des nanothermites et de leurs précurseurs (oxydes métalliques et aluminium).

3. Étude des propriétés morphologiques et réactives d’une nouvelle famille de thermites (Bi2O3/B et CuO/B), préparées à partir de nanoparticules de bore.

4. Démonstration que le choc produit par la réaction des nanothermites étudiées, dans une configuration l'amorçage externe, est insuffisant pour initier la détonation de l'explosif.

5. Obtention d’un phénomène de détonation à basse vitesse (1260 m/s), par amorçage interne de l’hexogène contenu dans des nanothermites.

Perspectives

Les travaux sur le développement de nanothermites plus réactives, obtenues par l’adjonction d’explosif, se poursuivront. Des systèmes {nanothermite + explosif}, fonctionnant sur le principe de l'amorçage interne, seront intégrés dans des ogives de projectiles. Ces recherches passeront par l’optimisation chimique et morphologique des compositions, puis par l’étude de leur intégration dans l’ogive vectrice et la caractérisation des effets à l’impact, afin d’obtenir puis de maximiser l’effet recherché. Des tests en arme, se rapprochant de conditions opérationnelles seront effectués.
Les travaux de modélisation de la réactivité des nanothermites et de leur influence sur les explosifs se poursuivront à la lumière des résultats expérimentaux obtenus en matière d'amorçage externe et interne.

Productions scientifiques et brevets

1. Publication dans une revue à comité de lecture de l'American Chemical Society (ACS) :

M. Comet, F. Schnell, V. Pichot, J. Mory, B. Risse, and D. Spitzer, Boron as Fuel for Ceramic Thermites, Energy & Fuels, 28 (2014) 4139-4148.
dx.doi.org/10.1021/ef500221p


2. Communications à l'occasion de congrès internationaux :

M. Comet, D. Hassler, B. Khasainov, F. Schnell, A. Bach, V. Pichot, D. Spitzer, Reactive properties of some nanothermites, 40th International Pyrotechnics Seminar, July 13-18, 2014, Colorado Springs, CO, USA.

M. Comet, B. Khasainov, B. Baschung, V. Pichot, D. Spitzer, The nanothermites: functional nanocomposites for fast energy release, XII International Conference on Nanostructured Materials (NANO 2014), July 13-18, 2014, Moscow, Russia.


3. Présentations à des colloques scientifiques :

M. Comet, F. Schnell, B. Risse, D. Spitzer, Oxides for reactive nanothermites, ISL Scientific Symposium, March 17-21, 2014, Saint-Louis, France.

M. Comet, Nanothermites: versatile energetic materials for high power applications, Séminaire scientifique «Nanodual« ISL-CNRS-UdS, 2 juin 2014, Saint-Louis, France.

Partenaires

Divers public

Institut Pprime Institut Polytechnique de Poitiers P', UPR 3346 CNRS, Département Fluide-Thermique-Combustion

Aide de l'ANR 294 552 euros
Début et durée du projet scientifique décembre 2012 - 36 mois

Résumé de soumission

L’objectif du projet SUPREMATIE consiste à étudier l’amorçabilité d’explosifs secondaires couramment utilisés dans des charges civiles ou militaires par des compositions énergétiques de nouvelle génération, telles que les nanothermites. Les nanothermites sont des substances énergétiques obtenues par mélange physique ou chimique de nanoparticules d’oxydes métalliques et de métaux réducteurs. La densité volumique d’énergie libérée par la décomposition des thermites est supérieure à celle de la plupart des explosifs. Les thermites classiques, qui sont constituées de particules micrométriques, possèdent de faibles vitesses de combustion. De ce fait, leur puissance est peu élevée. En revanche, les thermites formulées à partir de nanoparticules i.e. les nanothermites possèdent des vitesses de décomposition se rapprochant de celles des explosifs. La puissance développée par la décomposition des nanothermites semble a priori suffisante pour provoquer la déflagration voire la détonation d’un explosif secondaire. Les explosifs secondaires qui seront étudiés pour valider ce concept sont : la pentrite (PETN), l’hexogène (RDX) et l’hexanitrohexaazaisowurtzitane (CL 20). Les études d’amorçage seront réalisées avec les compositions aluminothermiques identifiées expérimentalement par l’ISL comme étant les plus réactives (e.g. WO3/Al ; CuO/Al ; Bi2O3/Al).
A ce jour, l’amorçage d’explosifs secondaires est opéré par l’effet de la détonation d’explosifs primaires tels que les azotures ou les fulminates métalliques (Ag, Pb, Hg), ou les perchlorates de complexes azotés de métaux de transition (BNCP). L’utilisation à cette fin de nanothermites est inédite. Les nanothermites présentent l’avantage d’être très stables dans le temps et bien moins sensibles aux chocs thermiques et à l’impact que les explosifs primaires. En outre, leurs propriétés réactives sont très reproductibles. Enfin, certains procédés permettent d’activer les nanothermites dans les instants qui précèdent leur mise à feu.
La validation du concept d’amorçage d’explosifs secondaires par les nanothermites ouvrirait des horizons jusqu’alors insoupçonnés en termes de sécurité pyrotechnique, par la muratisation relative ou absolue de l’élément le plus sensible des chaînes pyrotechniques. En outre, les substances entrant dans la composition des nanothermites peuvent être choisies de manière à ce que la thermite et ses produits de décomposition aient un faible impact toxicologique sur l’homme et l’environnement. Ces aspects sont d’autant plus importants que dans les années à venir, l’utilisation civile de substances énergétiques et d’explosifs est appelée à se banaliser pour effectuer des opérations ne pouvant être réalisées que par un procédé pyrotechnique. Les domaines concernés sont, par exemple, la sécurité civile ; la pyrotechnie spatiale, automobile et de divertissement ; la déconstruction d’ouvrages bétonnés ; l’extraction de minerais et d’hydrocarbures ; le retraitement de déchets nucléaires, ainsi que certaines applications inédites en électronique ou en médecine.
La validation de ce concept ouvrirait la voie à des applications duales dont certaines pourraient être développées à très court terme et répondraient à des besoins clairement identifiés. La dernière étape du projet consistera à étudier l’intégration de systèmes {nanothermite + explosif} dans l’ogive de munitions de 9 mm utilisées par nos forces de police. Ces munitions à haute énergie (MuHE) et à sécurité d’utilisation extrêmement élevée permettraient aux forces de l’ordre d’assurer leur protection et celle des citoyens, en disposant d’un moyen de riposte efficace contre des criminels équipés d’armements de guerre.

 

Programme ANR : Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation Défense (ASTRID) 2012

Référence projet : ANR-12-ASTR-0012

Coordinateur du projet :
Monsieur Marc COMET (Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.