Formation de jets non cohésifs des chemises de charges creuses en alliage amorphe à base de Zr : un modèle prédictif

Pourquoi la rupture d’un jet métallique peut être une bonne chose

Les explosifs sont souvent utilisés pour percer des trous étroits et profonds dans des blindages ou du béton en comprimant un cône métallique en un jet fin et rapide. Cette étude examine une nouvelle façon de façonner ces jets en utilisant un métal « amorphe » spécial à base de zirconium. Plutôt que de former une seule pointe lisse, ce matériau se fragmente naturellement en une pluie de fragments à grande vitesse. Ce compromis — une profondeur légèrement moindre, mais un trou beaucoup plus large — pourrait être utile pour les ogives de nouvelle génération et les technologies de protection.

Un métal explosif d’un autre type

Les charges creuses traditionnelles utilisent des métaux ductiles comme le cuivre, qui s’effondrent en un jet long et cohésif creusant profondément le long d’un chemin étroit. Les ingénieurs ont appris que les jets « non cohésifs » — des jets qui se scindent rapidement en de nombreuses pièces — peuvent être préférables lorsqu’on souhaite endommager une zone plus large, par exemple pour dégager un vaste tunnel en vue d’une seconde charge ou pour perturber des structures complexes. La plupart des jets non cohésifs existants reposent sur des mélanges légers de métal et de plastique, qui ne pénètrent pas très loin. Les alliages amorphes à base de Zr, parfois appelés verres métalliques massifs, combinent une densité élevée avec une grande résistance et une réactivité chimique, ce qui en fait des candidats prometteurs pour des jets puissants mais à dispersion large. Des essais antérieurs ont montré que ces alliages produisent des jets discrets, semblables à des particules, mais jusqu’à présent il n’existait pas de théorie prédictive expliquant pourquoi.

Modéliser l’effondrement du cône

Les auteurs développent un modèle mathématique qui zoome sur la petite région où la chemise métallique est écrasée vers l’intérieur par l’explosif. Près de l’axe, l’écoulement du métal est détourné autour d’un petit « noyau de stagnation », suivant des trajectoires courbes plutôt que rectilignes. Le modèle traite cette région comme un écoulement circulaire compressible et utilise une description matérielle adaptée aux solides fragiles de type verre (le modèle JH‑2). En résolvant les bilans de masse et de quantité de mouvement dans cette zone d’écoulement courbe, et en les reliant au reste du cône en effondrement, le modèle prédit comment la pression, la densité et la vitesse d’écoulement varient des lignes d’écoulement intérieures aux extérieures. Ces prédictions sont ensuite liées à une question clé : à quel point les vitesses d’écoulement locales atteignent‑elles ou dépassent‑elles la vitesse du son dans le matériau, condition qui tend à déstabiliser le jet et à pousser les particules latéralement plutôt que droit devant.

Une limite cachée : l’angle maximal d’effondrement

Lorsque le cône s’effondre, chaque anneau de matériau se referme à un angle et une vitesse particuliers. Le nouveau modèle montre que pour l’alliage amorphe à base de Zr il existe un angle d’effondrement maximal : au‑delà de cette valeur, les équations décrivant un écoulement stationnaire et bien comporté cessent simplement d’admettre une solution. Physiquement, cela signifie que le métal se fragmente tôt, que la région d’écoulement courbe ne peut pas rester stable et que de fortes vitesses latérales (radiales) se développent. Les chercheurs dérivent une vitesse d’entrée critique pour le métal pénétrant dans cette région et montrent comment elle dépend de la géométrie et de la vitesse du son du matériau. Ils affinent également un rapport géométrique caractérisant la taille de la zone d’écoulement, rapprochant les prédictions numériques du modèle des calculs détaillés (à environ un demi‑pourcent près).

Observer la désintégration du jet en temps réel

Pour vérifier leur théorie, l’équipe a fabriqué de véritables charges creuses utilisant une chemise en alliage amorphe Vit1 et les a fait détoner tout en filmant le jet avec des caméras à rayons X haute énergie. Environ 30 millionièmes de seconde après la détonation, le jet ressemblait beaucoup à un jet conventionnel : long et presque continu, avec seulement un épaississement en forme d’ampoule à la pointe où les particules se concentraient. À 60 microsecondes, cependant, la tête du jet s’était ouverte en une cavité en forme de trompette et des amas de matériau se détachaient radialement, signes évidents d’un jet non cohésif. Des simulations numériques utilisant les mêmes lois matérielles ont reproduit ces caractéristiques — la pointe bombée, la cavité croissante et le nuage de fragments — confirmant que le modèle capturait la physique essentielle.

Des petits éléments au comportement global du jet

Parce que le modèle relie chaque petit élément de la chemise à son mouvement final dans le jet, les auteurs peuvent cartographier quelles régions du cône produisent des segments cohésifs et lesquelles produisent des particules lâches. Ils constatent que le matériau près du nez du cône et à sa base tend à rester cohésif, alimentant la pointe du jet et le « bloc » arrière, tandis que le matériau de la région centrale est le plus susceptible de devenir non cohésif. Ce schéma correspond aux images aux rayons X, où le corps du jet montre finalement une forte fragmentation tandis que la queue reste relativement solide. Fait important, le modèle explique pourquoi cette fragmentation se produit même si les vitesses de collision dans l’alliage amorphe demeurent en dessous du seuil de vitesse du son traditionnel applicable au cuivre : le caractère fragile, semblable à du verre, de l’alliage et l’existence de l’angle maximal d’effondrement poussent conjointement le jet à se fragmenter.

Ce que cela signifie en pratique

Pour les non‑spécialistes, la conclusion principale est que la manière dont un cône métallique se casse sous chargement explosif — qu’il s’écoule en douceur ou qu’il se brise — peut être prédite et conçue. Ce travail fournit un outil fondé sur la physique que les concepteurs peuvent utiliser pour choisir des formes de chemises et des matériaux afin d’obtenir soit une pénétration profonde et étroite, soit une ouverture plus large et plus destructive, tout en conservant une bonne impulsion avant. En particulier, il montre que les alliages amorphes à base de Zr favorisent naturellement la rupture contrôlée du jet, offrant une voie vers des dispositifs compacts capables de creuser de larges passages ou de produire des dommages internes étendus avec une seule charge.

Citation: Niu, Y., Ji, L., Jia, X. et al. Non-cohesive jet formation of Zr-based amorphous alloy shaped charge liners: a predictive model. Sci Rep 16, 5647 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35608-0

Mots-clés: jets de charges creuses, alliages amorphes, jets non cohésifs, chemises en verre métallique, pénétration explosive