Mécanique des matériaux

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Responsable : Benoit Vieille

Membres de l’équipe :  B. Vieille (PR), F. Barbe (MCF), L. Taleb (PR), M. Ben Azzouna (MCF), T. Davin (MCF) 

Ces activités font le lien entre les analyses et les développements sur les plans de la physique des matériaux (métaux, polymères, matériaux composites) avec les propriétés mécaniques en service, notamment à l’échelle macroscopique. Afin d'assurer ce lien sur la base d'une compréhension des mécanismes physiques mis en jeu et en s'appuyant sur les complémentarités d'expertise du département, les démarches multi-échelles et multi-physiques sont privilégiées, tant pour les analyses expérimentales que pour la modélisation. La compréhension fine des relations microstructure-propriétés alimente deux voies principales de développements : les lois de comportement destinées à la conception des structures et l’ingénierie de matériaux, en particulier par la voie de l’architecturation. L'intérêt est porté principalement sur les matériaux de structure, dans les conditions thermomécaniques complexes représentatives de leurs utilisations réelles, allant jusqu'aux conditions d'une exposition thermique extrême. 

Nos domaines d'expertise concernent l'élasto-visco-plasticité cyclique des matériaux, l’étude de l’endommagement et le comportement dans des environnements sévères, principalement des métaux et matériaux composites à matrice thermoplastique (TP). Les activités sont développées dans deux thématiques principales :

1. La fabrication additive (métallique et polymère) :
   
    Les compétences développées pour l’étude des matériaux métalliques et composites seront exploitées pour l’étude des matériaux issus de la fabrication additive qui constituent aujourd’hui un axe fédérateur de recherche au sein de l’équipe et du GPM. Nos projets réalisés en collaboration avec des partenaires académiques normands et industriels, s’articulent autour de deux problématiques : (i) la compréhension du lien entre procédé, microstructure et propriétés mécaniques et (ii) le comportement mécanique de structures lattices architecturées. La présence d'industriels de premier plan (SAFRAN Nacelles, Zodiac Aerospace, Ariane Group, Thalès, Airbus Safran Launchers, Renault, Arkema, Dedienne Multiplasturgy...) en Normandie impliqués dans la FA permet d'inscrire les activités de recherche en FA du GPM dans une dynamique forte. Le partenariat initié en 2016 avec la société VolumE, acteur national majeur de la FA métallique, est par exemple essentiel car il implique la maîtrise des moyens de fabrication mais également un savoir-faire fondamental (facteur clef pour pouvoir optimiser les nombreux paramètres de fabrication et donc les propriétés mécaniques). 

    

2. Le comportement au feu des matériaux pour l'aéronautique :
   Initiées il y a 10 ans par une collaboration avec le laboratoire CORIA (spécialisé en thermique, combustion et mécanique des fluides), les travaux sur la tenue au feu se focalisent sur le renforcement d’une expertise transversale dédiée à l’étude du couplage thermo-mécanique dans les matériaux composites aéronautiques soumis à des conditions critiques en service (incendie de moteur d’avion). Ces activités ont nécessité le développement de bancs d’essais feu (Figure 1) en lien étroit avec des industriels de l’aéronautique (Safran Nacelles, Daher Aerospace). Ces travaux ont été valorisés par 20 publications.

Dès l’origine, ces activités de recherche se sont inscrites dans une logique de transfert de technologie pour répondre aux enjeux de la transition écologique et énergétique dans le domaine du transport aérien. Dès 2015, avec le projet Carnot ESP Decolle (Développement d’une plateforme d’Etude du COmportement mécanique au feu de composites thermopLastiques pour L’aéronautiquE – 2015/2016 – 150k€). Les recherches partenariales menées conjointement avec les sociétés Safran Nacelle (thèse Cifre sur la tenue au feu des assemblages composite-métal – 2020/2023) et la société Daher Aerospace (Projet Caractp – 2019/2023 – 614k€) ont permis d’affiner la compréhension des mécanismes physique régissant la réaction au feu (flamme kérosène) des composites aéronautiques pour répondre aux exigences des normes de certification. Le projet Régional FEDER Aeroflamme (Comportement de composites AEROnautiques sous FLAMme et chargement MEcanique – 2018/2021 – 392k€) a renforcé nos capacités d’analyse expérimentale et numérique. Ainsi le banc d’essais de tenue mécanique sous flamme unique en son genre développé au sein du GPM a permis de lever des verrous technologiques en termes d’intégration d’un bruleur kérosène dans un banc mécanique et de mesure des grandeurs physiques mises en jeu. Ces travaux permettent aujourd’hui de reproduire de manière contrôlée et répétables les conditions critiques en service rencontrées lors d’un incendie moteur. Un projet de laboratoire commun est en cours de discussion avec Safran Nacelles, le GPM et le CORIA. En parallèle, 8 thèses (6 soutenues et 2 en cours) ont contribué à développer une connaissance fondamentale autour du couplage thermo-physico-chimico-mécanique dans les composites aéronautiques.

Liste des publications orientées tenue au feu des composites aéronautiques

Liste des publications orientées tenue au feu des composites aéronautiques
[1]    PHILIPPE D., VIEILLE B., BARBE F. (2023)
Modelling the gradual through thickness porosity formation and swelling during the thermal aggression of thermoplastic-based laminates. Composites Part B
[2]    VIEILLE B., COPPALLE A., ALIA A., L. LANHUI (2023)
    In situ tensile behavior of hybrid carbon and glass fibers reinforced PEEK laminates: isothermal or fire testing conditions. Composites Part B 262: 110807
[3]    VIEILLE B., COPPALLE A. (2023)
    Influence of temperature degradation on the low velocity impact behavior of hybrid thermoplastic PEEK laminates. Journal of Thermoplastic Composite Materials, doi: 10.1177/08927057231171830

[4]    CHAUDHARY A., COPPALLE A. GODARD G., XAVIER P., VIEILLE B. (2023)
    Phosphor thermometry for surface temperature measurements of composite materials during fire test; International Journal of Heat and Mass Transfer, 211: 124215.
[5]    CARPIER Y., VIEILLE B., BARBE F., COPPALLE A. (2022)
    Meso-structure-based thermomechanical modelling of thermoplastic-based laminates subjected to combined mechanical loading and severe thermal gradients. Composites Part A, 162, 107165.
[6]    SCHUHLER E., CHAUDHARY A., COPPALLE A. VIEILLE B. (2022)
    Using a new kerosene-flame bench test to analyze at small scales the fire reaction of fiber reinforced polymer matrix composites. In: Solutions for Maintenance Repair, Aviation and Technology, Springer, doi:
[7]    VIEILLE B., COPPALLE A., LE PLUART L., SCHUHLER E., CHAUDHARY A., RIJAL B., ALIA A., DELPOUVE N., BOURDET A. (2022)
    Influence of a flame-retardant on the fire-behaviour and the residual mechanical properties of C/PEKK composite laminates exposed to a kerosene flame. Composites Part A, 152, 106720.
[8]    VIEILLE B., COPPALLE A., SCHUHLER E., CHAUDHARY A., ALIA A., DELPOUVE N. (2022)
    Influence of kerosene flame on fire-behaviour and mechanical properties of hybrid carbon glass fibers reinforced PEEK composite laminates. Composite Structures, 279, 114786.
[9]    VIEILLE B., COPPALLE A., LE PLUART L., SCHUHLER E., CHAUDHARY A., RIJAL B., ALIA A., DELPOUVE N. (2021)
        Kerosene flame behaviour of C/PEKK composite laminates: influence of exposure time on residual mechanical properties. Composites Part B, 222, 109046.
[10]    CARPIER Y., ALIA A., VIEILLE B., BARBE F. (2021)
        Experiments based analysis of thermal decomposition kinetics model. Case of carbon fibers PolyPhenylene Sulfide composites. Polymer Degradation and Stability, doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2021.109525
[11]    SCHUHLER E., CHAUDHARY A., VIEILLE B., COPPALLE A. (2021)
        Fire behaviour of composite materials using kerosene burner tests at small-scales. Fire Safety Journal, doi: 10.1016/j.firesaf.2021.103290
[12]    CARPIER Y., VIEILLE B., COPPALLE A., BARBE F. (2020)
        Study of thermomechanical coupling in carbon fibres woven-ply reinforced thermoplastic laminates: tensile behaviour under radiant heat flux. Polymer Composites, doi: 10.1002/pc.25641
[13]    CARPIER Y., VIEILLE B., COPPALLE A., BARBE F. (2020)
        About the tensile mechanical behaviour of carbon fibres fabrics reinforced thermoplastic composites under very high temperature conditions. Composites Part B, 181: 107586.
[14]    CARPIER Y., VIEILLE B., DELPOUVE N., DARGENT E. (2019)
        Isothermal and anisothermal decomposition of Carbon fibres polyphenylene sulfide composites for fire behavior analysis. Fire Safety Journal, 109: 102868.
[15]    CARPIER Y., VIEILLE B., MAAROUFI M.A., COPPALLE A., BARBE F. (2018)
        Mechanical behavior of carbon fibers polyphenylene sulfide composites exposed to radiant heat flux and constant compressive force. Composite Structures, 200, pp. 1-11.
[16]    SCHUHLER E., COPPALLE A., VIEILLE B., YON J., CARPIER Y. (2018)
        Behaviour of aeronautical polymer composite to flame: A comparative study of thermoset- and thermoplastic-based laminate. Polymer Degradation and Stability, 152, pp. 105-115.
[17]    MAAROUFI M.A., CARPIER Y., VIEILLE B., GILLES L., COPPALLE A., BARBE F. (2017)
        Post-fire compressive behaviour of carbon fibers woven-ply Polyphenylene Sulfide laminates for aeronautical applications. Composites Part B, 119, pp. 101-113.
[18]    VIEILLE B., COPPALLE A., CARPIER Y., MAAROUFI M.A., BARBE F. (2016)
        Influence of the matrix chemical nature on the post-fire mechanical behavior of notched polymer-based composite structures for high temperature applications. Composites Part B, 100, pp. 114-124. 
[19]    VIEILLE B., COPPALLE A., KELLER C., GARDA M-R., VIEL Q., DARGENT E. (2015)
        Correlation between post fire behavior and microstructure degradation of aeronautical polymer composites. Materials and Design, 74, pp. 76-85. 
[20]    VIEILLE B., LEFEBVRE C., COPPALLE A. (2014)
        Post fire behavior of carbon fibers thermoplastic- and thermosetting-based laminates for aeronautical applications: a comparative study. Materials and Design, 63, pp. 56-68. 
 
 

Thèses en cours

• D. Philippe, 2020-2023 : Modélisation de l'endommagement thermiquement activé de composites à matrice thermoplastique
• S. Benmabrouk, 2021-2024 : influence des paramètres de fabrication sur le comportement à rupture d'alliages NiCr élaborés par fusion sur lit de poudre
• Y. Lanhui, 2022-2025 : étude des couplages thermomécanique à haute température au sein des composites à matrice thermoplastique
• A. Dashti, 2019-2023 : influence du procédé d'étirage à froid sur le comportement mécanique des fils composites CuAl
• C. Victor, 2019-2023 (CIFRE Safran Nacelles) : tenue au feu des assemblages composite/métal
• J. Jimenez, 2020-2023 : Analyse de la plasticité de transformation sous diverses conditions de chargement
• S. Yoshi, 2020-2023 : Multiscale investigation based on microstructure and mechanical properties of a novel Ni20Cr manufactured by Laser powder bed fusion and the dissimilarities with its cast counterpart
• Y. Duval : Effet de l’histoire du chargement sur le comportement cyclique et la durée de vie d’aciers austénitiques
• L. Ifounga, 2019-2023 (CIFRE Analyses et Surfaces): optimisation des propriétés mécaniques des pièces en acier 316L issues du procédé Fusion Laser sur Lit de Poudre (Selective Laser Melting en anglais, SLM)

Projets en cours

• Région Tactics, 2022-2024 : Contrôle des propriétés de rupture de treillis élaborés en fabrication additive
• Région Clip Fam, 2018-2023 : Caractérisation du Lit de Poudre pour la Fabrication Additive Métallique, mise en corrélation de la qualification des poudres métalliques avec les propriétés du produit fini
• Région Atomomex, 2022-2023 : Couplage microstructure-propriétés par analyses in-situ tomographie RX
• Région Plateforme FAP Normandie, 2023-2026 : fédération des acteurs industriels et académiques normands de la FA polymères et mutualisation des compétences et moyens
• Stimul'Aero, 2022-2023 : études des interactions flamme-microstructure-propriétés mécaniques dans les matériaux métalliques issus de procédés de FA
• Industriel Caractp Daher Aerospace, 2018-2023 : tenue au feu des matériaux composites aéronautiques
• Collaboration Purdue University, 2021- ? : étude du comportement mécanique multiaxial des matériaux métalliques issus de la FAM
• Collaboration Université de Palermes, 2020 - ? : mechanics of bio-inspired lattice structures