Caractérisation de la cinétique de formation des porosités au sein de matériaux composites aéronautiques soumis à une agression thermique homogène ou hétérogène

Problématique scientifique

L’étude de la dégradation du matériau sous agression thermo-mécanique est une thématique transdisciplinaire initiée depuis une dizaine d’années dans l’équipe de recherche Mécanique des Matériaux du Groupe de Physique des Matériaux, en collaboration avec le laboratoire CORIA, spécialisé en thermique, combustion et mécanique des fluides [1-3]. Les travaux réalisés ont permis de mettre en évidence l’importance des porosités dans le processus de tenue au feu. Les porosités sont générées au sein de la matrice par sa décomposition (pyrolyse) et par les décohésions dues aux contraintes internes, notamment liées au contraste de dilatation entre fibres de carbone et matrice au sein de composites stratifiés soumis à de forts gradients thermiques. Ces porosités, qui peuvent être interconnectées, vont contribuer à modifier la distribution des contraintes mécaniques et des flux de chaleur au sein du matériau. Il est donc essentiel de caractériser la densité, la distribution spatiale et la morphologie des porosités.

Cette problématique s’appuie sur des moyens originaux et uniques, en particulier un banc de tenue mécanique au feu, permettant d’imposer un chargement mécanique à des éprouvettes soumises à une agression thermique par une flamme kérosène. Pour compléter ces analyses, l’équipe dispose également d’un tomographe RX équipé d’une cellule de force, permettant notamment d’étudier l’initiation, la propagation et la coalescence des fissures induites par les porosités qui agissent comme des concentrateurs de contraintes lors d’un chargement mécanique (Figure 1).

Méthodologie

Dans le cadre de cette thèse, le(la) doctorant(e) bénéficiera de nombreux moyens d’analyse : diffusivomètre, caméra IR, tomographe RX, banc de tenue mécanique au feu. Ces équipements seront mis en œuvre pour atteindre les objectifs énoncés précédemment, mais il(elle) pourra également développer d’autres méthodes de caractérisation innovantes. Les travaux se dérouleront autour de plusieurs axes de recherche :

• Mesures par diffusivomètrie, sur toute la gamme de températures rencontrées lors d’une exposition au feu, afin de formuler des lois entre la diffusivité thermique et les porosités,

• Réalisation d'essais mécaniques in situ tomographe RX sur des échantillons composites aéronautiques ayant subi une agression en conditions isothermes (four) ou anisothermes (flamme),

• Réalisation d’essais mécaniques suite à une agression thermique ou lors d’essais combinés en conditions isothermes et anisothermes,

• Analyses numériques par Eléments Finis traduisant le couplage entre la formation des porosités et localisation/redistribution des contraintes dans les différents plis des stratifiés.

Encadrement

Benoit Vieille, Enseignant-chercheur INSA Rouen/GPM : benoit.vieille@insa-rouen.fr Tanguy Davin, Enseignant-chercheur INSA Rouen/GPM : tanguy.davin@insa-rouen.fr

Démarrage souhaité : Octobre 2024
Mots-clés : matériaux composites, comportement thermo-mécanique, analyse multi-échelles, porosités, tomographie RX