Letteratura scientifica selezionata sul tema "Composites à matrice céramique – Durée de vie (ingénierie)"

L’objectif de ce travail était d'étudier l'influence des paramètres caractérisant les matrices autocicatrisantes et séquencées utilisées pour améliorer la durée de vie des composites à renforts de carbone. Ces paramètres sont la composition, la microstructure et les caractérisations thermomécanique et thermochimique des couches élémentaires constituant la matrice séquencée. La première partie du mémoire est consacrée à (i) la caractérisation de la réactivité à l'oxygène et (ii) la détermination des coefficients thermoélastiques des constituants du composite à renfort de carbone et à matrice séquencée. Dans la deuxième partie, il est proposé une optimisation de l'architecture à partir d'un travail de modélisation de la distribution des contraintes internes et d'un travail d'élaboration et de caractérisations de composites modèles 1D. Finalement, la dernière partie du mémoire est consacrée à la caractérisation thermomécanique des composites à texture multicouche à base de fibres de carbone et à matrice autocicatrisante et séquencée. Une optimisation de l'architecture de la matrice est notamment étudiée à partir d'essais de durée de vie à haute température en environnement oxydant
The goal of this work was to study the influence of parameters characterizing self-healing and layered matrices, which are used to improve lifetime of carbon fiber-reinforced composites. These parameters are the composition, microstructure, as well as the thermomechanical and thermochemical characteristics of each layer constitutive of the layered matrix. The first part of this work deals with (i) the characterization of the reactivity towards oxygen and (ii) the determination of the thermoelastic properties of all the constituants of the composite, including carbon fibers. In the second part, an optimization of the architecture of the layered matrix is proposed from the modelling of the internal stresses distribution and from the elaboration and characterization of model 1D composites. Finally, the last part deals with thermomechanical characterizations of 3D composites constituted by an interlocked carbon fiber preform and a self-healing and layered matrix. An optimization of the matrix architecture is more particularly studied, thanks to lifetime tests performed at high temperature in an oxidizing environment

Les composites à matrice céramique (C. M. C. ) renforcés avec des fibres (généralement en Carbure de Silicium (Hi-Nicalon (Nippon Carbon)) ou en carbone) sont des matériaux intéressants pour l'aéronautique et le spatial. En effet, ils permettent un gain de poids important tout en assurant une très bonne résistance mécanique dans des conditions sévères de température, de pression et d'environnement. Des composés borés ont été incorporés au sein de la matrice SiCm pour accroître la durée de vie des matériaux sous environnement oxydant et sollicitation thermomécanique. Ces matériaux ont des capacités d'autocicatrisation qui permet de limiter la diffusion de l'oxygène à coeur vers le renfort fibreux. La durée de vie sous charge des composites à matrice céramique dépend de plusieurs facteurs tels que la température, l'environnement et le mode de sollicitation (fatigue cyclique, fluage. . . ). Elle a été abordée d'un point de vue micromécanique en fatigue sous air à hautes températures. Les phénomènes élémentaires responsables de la rupture différée rn fatigue à haute température ont été déterminés sur des minicomposites. Les minicomposites sont composés uniquement d'un fil enveloppé d'une matrice multicouche. Les minicomposites permettent de s'affranchir des effets de l'architecture de renfort. Des essais complémentaires sur fils ont permis de déterminer des modes de fissuration lente des fibres prépondérants à 600°C. Des essais de fatigue hors axe à 45° ont été effectués sur des composites. La modélisation des comportements mécaniques afin de prévoir la durée de vie prend en compte non seulement les contraintes mécaniques mais également l'effet de phénomènes physico-chimiques induits par l'oxydation (dégradation et cicatrisation).

Le composite Cf/[Si-B-C], à fibres de carbone et à matrice auto-cicatrisante, a été développé par Snecma Propulsion Solide pour être utilisé à hautes températures et en milieux oxydants. Actuellement, les applications visées dans le domaine de l'aéronautique requièrent de longues durées de vie (>5000h), ce qui dépasse les durées d'expérimentation envisageables. De nouvelles méthodes sont donc nécessaires pour faire des prévisions de durées de vie de ces matériaux et valider leur utilisation sur le long terme. Ce travail vise à comprendre quels sont les mécanismes d'endommagement contrôlant la durée de vie du composite à hautes températures (>600°C), et à mesurer les cinétiques de ces mécanismes pendant les essais mécaniques. Pour cela, des essais de fatigue statique et de fatigue cyclique ont été réalisés entre 700°C et 1200°C dans le but de déterminer des durées de vie courtes (<1000h), de tracer un diagramme de durées de vie et d'analyser le processus de dégradation à chaud. Plusieurs indicateurs de l'endommagement ont été enregistrés en temps réel : la déformation, le module d'élasticité (mesuré à partir des boucles d'hystérésis des cycles de charge-décharge) et l'émission acoustique (EA). Par la suite, l'étude du comportement mécanique du composite a permis de mettre en évidence une évolution des interactions entre fibre et matrice avec la température en raison de l'oxydation des fibres et des effets d'usure d'interface. Un effet des cycles mécaniques sur l'endommagement des fils transversaux a pu être également constaté. Une méthode de classification non supervisée des signaux d'EA a été utilisée pour différencier les signaux provenant de différents mécanismes d'endommagement et de rupture (ruptures collectives ou individuelles des fibres, fissuration matricielle, décohésions fibre/matrice ou fil/fil, glissement interfacial). Ensuite, une méthode de classification supervisée a été développée, de manière à établir une classification des signaux en temps réel quels que soient la température, la contrainte appliquée et le mode de chargement (statique ou cyclique) à partir d'une bibliothèque applicable sur les données d'EA de tous les essais. A 700°C, un comportement en loi de puissance des données d'EA intervenant après environ 60% de la durée de vie de l'éprouvette a été mis en évidence. Ceci pourrait donc permettre d'interrompre les essais avant la rupture tout en ayant une estimation de la durée de vie restante de l'éprouvette. Cela est particulièrement intéressant dans le cas des essais de longues durées (<5000h), qui sont très couteux mais nécessaires pour faire des prévisions de durées de vie.

La rupture différée d’un composite SiC/SiC a été étudiée en fatigue statique, sous air, aux températures intermédiaires (500°C-800°C). Les résultats expérimentaux (durée de vie, loi de comportement en traction, déformation) et les fractographies ont permis d’identifier les modes de rupture de fibre qui interviennent dans la rupture différée. Un modèle mécanique probabiliste multiéchelle a été développé pour simuler le comportement en fatigue et prévoir la durée de vie. La microstructure est décrite par des distributions statistiques identifiées à partir des résultats de l’étude fractographique. Des diagrammes d’endurance du composite en fatigue ont été calculés pour prévoir la durée de vie. Ces derniers confirment que la tenue du composite est dictée par les fils. La modélisation montre que la microstructure joue un rôle déterminant sur la durée de vie et sa variabilité. Des relations microstructures-propriétés sont établies. Le lien entre contrainte résiduelle et durée de vie est également examiné. Une approche fiabiliste sur les échantillons à information faible est menée à l’aide de l’inférence bayésienne. Les résultats concordent avec l’approche mécanique
Delayed failure of SiC/SiC woven composite is studied under static fatigue, in air, for intermediate temperatures (500°C – 800°C). Experimental results and fractographic examination are used to identify damage mechanisms. A multi-scale probabilistic facture based model is proposed to simulate damage kinetics in longitudinal tows. Microstructure is described with appropriate statistical distributions identified on fractographic investigations. Simulations demonstrate a significant effect of the microstructure on the lifetime of the tows. Microstructure – properties relations are established

L'enjeu actuel pour les industriels de l'aéronautique est de diminuer la consommation en carburant et/ou d'augmenter le rendement des avions. A terme, Safran souhaite remplacer les aubes de turbine, actuellement en superalliage, par des aubes en matériau composite tissé de type SiC/SiBC. Il est alors important de prévoir leurs durées de vie. Ce travail a donc consisté à développer un modèle de durée de vie pour ces composites autocicatrisants. Ces matériaux tissés sont constitués de fibres Nicalon, d'une interphase de pyrocarbone et d'une matrice autocicatrisante multicouche (B4C, SiC et SiBC). La particularité de ces composites est l'oxydation de chaque constituant du matériau en fonction de l'environnement (température, atmosphère sèche ou humide). Le modèle de durée de vie développé offre un compromis entre des temps de calcul réduits, malgré la prise en compte de phénomènes physico-chimiques complexes, et une prévision de la durée de vie suffisamment précise. L'approche retenue est un couplage entre un modèle d'endommagement mécanique et un modèle physico-chimique. Un modèle de durée de vie uniaxial a été proposé afin de justifier les différents couplages nécessaires entre les parties mécanique et physico-chimique mais également pour optimiser les algorithmes de résolution. Ce modèle a permis d'identifier les coefficients pour deux nuances de matériaux. Afin de réaliser des essais de structures, un modèle de durée de vie multiaxial a été proposé et implanté dans le code de calcul ZéBuLoN. Un protocole d'identification a également été proposé dans ce travail même si les essais de caractérisation jusqu'ici réalisés ne sont pas suffisants pour identifier complètement le modèle 3D sur ces matériaux.

Le composite SiCf/[Si-B-C], à fibres en carbure de silicium et à matrice auto-cicatrisante, a été développé par Snecma Propulsion Solide pour être utilisé à haute température et en milieux corrosifs. Actuellement, les applications visées dans le domaine de l’aéronautique civile requièrent des durées de vie de l’ordre de 20 000 h, ce qui dépasse les durées d’expérimentation envisageables. De nouvelles méthodes sont donc nécessaires pour faire des prévisions de durées de vie de ces matériaux et valider leur utilisation sur le long terme. Ce travail vise à déterminer quels sont les mécanismes d’endommagement contrôlant la durée de vie du composite aux températures intermédiaires (<800°C), et à mesurer les cinétiques de ces mécanismes pendant les essais de fatigue statique. Pour cela, la technique de l’émission acoustique (EA) a été utilisée. Une procédure de classification des signaux d’EA a été développée, de manière à différencier les signaux provenant de différents mécanismes (fissuration matricielle, décohésion interfaciale, ruptures de fibres). Cette méthodologie a été mise au point sur des matériaux modèles de plus en plus complexes : mèches de fibres, minicomposites, monostrates. Elle a ensuite été utilisée et validée pour le matériau composited’architecture industrielle sollicité à température ambiante. Des essais de fatigue statique ont ensuite été réalisés entre 450°C et 750°C dans le but de déterminer des durées de vie courtes (< 1000 h), de tracer un diagramme de durées de vie et d’analyser le processus de dégradation à chaud. Plusieurs indicateurs de l’endommagement ont été enregistrés en temps réel : la déformation, le module d’élasticité (mesuré à partir des boucles d’hystérésis des cycles de charge-décharge), le nombre de signaux d’EA enregistrés. Un critère simple basé sur l’activité acoustique a été mis en évidence, il permet de détecter environ la demi-vie d’une éprouvette en cours de sollicitation de fatigue statique. Ce critère pourrait permettre d’interrompre les essais avant la rupture tout en ayant une bonne estimation de la durée de vie restante de l’éprouvette. Cela est particulièrement intéressant dans le cas des essais de longue durée (< 5000 h), qui sont très coûteux mais nécessaires pour faire des prévisions de durées de vie très longues (20 000 h). La classification des données d’EA permet d’isoler les signaux provenant des ruptures de fibres, et donc de mesurer la cinétique de ces ruptures. La durée de vie étant contrôlée par la dégradation du renfort fibreux, cela ouvre des perspectives très intéressantes pour une modélisation de la dégradation du composite et de nouvelles méthodes de prévision de durées de vie
The SiC/[Si-B-C]] composite has been developed for specific applications under high temperatures and corrosive environments. The envisioned applications in civil aircraft engine is require very long lifetimes (20 000 h), which cannot be measured experimental y. New methods are thus necessary to predict lifetimes of this composite. This study aims at determining the damage mechanisms limiting the composite's lifetime at intermediate temperatures. The acoustic emission (AE) technique was used to measure the damage kinetics during Static fatigue experiments. A methodology for AE signals clustering has been developed, in order to separate the signals coming from different damage mechanisms: matrix cracking, interfacial deboning sliding fiber failure. This methodology was first drawn up with ae data recorded during experiments on model materials. Then it has been applied and validated in the case of the 3d composite tested at room temperature. Static fatigue experiments were performed at temperatures in the range [450•c-750•c], in order to Determine short lifetimes and to plot a lifetime diagram as a function of the applied stress. The Degradation mechanisms were analyzed. Several damage indicators were measured during the tests: The strain, the elastic modulus and the number of AE signals. A basic criterion has been proposed for Lifetime prediction: it is possible to detect minimum of the acoustic activity, during a static fatigue experiment, at nearly 60% of the time to failure. The AE signals of fiber failures have been successfully identified. The kinetics of fiber failures could be used to model the composite's degradation and to predict lifetimes

La compréhension du comportement d'un composite à matrice céramique (CMC) lorsqu'il est sollicité en fatigue est l'un des points clés pour permettre son utilisation dans un cadre industriel. Il est en effet nécessaire de déterminer la chronologie des différents mécanismes d'endommagement ainsi que d'estimer la durée de vie en conditions d'utilisation. Il est alors nécessaire de réaliser une caractérisation mécanique mais aussi de définir des indicateurs d'endommagement permettant la prévision de durée de vie. Dans ce but, il est intéressant de coupler l'analyse des paramètres mécaniques et les observations microstructurales à des techniques de suivi en temps réel de l'endommagement. L'émission acoustique (EA) est une méthode de suivi non destructive qui permet de répondre à cette problématique. Elle permet notamment de quantifier et de localiser l'endommagement. Dans ce travail, de nouveaux indicateurs d'endommagement sont mis en place tels la "Sévérité" des signaux définie à partir de l'énergie acoustique ainsi que la "Sentry function" définie à partir de l'énergie acoustique et de l'énergie mécanique. Ce travail s'articule autour de deux principaux axes. Dans un premier temps il s'agit de caractériser les effets de la sollicitation cyclique sur ce type de matériau, ceci notamment en comparant l'évolution des paramètres mécaniques, les observations microstructurales ainsi que l’analyse de l'évolution globale de l'émission acoustique (EA) lorsque le matériau est soumis à un chargement statique et à un chargement cyclique. La seconde partie consiste à déterminer un scenario d'endommagement. Dans un premier temps, les signaux d’EA sont analysés en fonction de leur détection dans le cycle (charge/décharge). Ensuite la détermination de la signature acoustique des différents mécanismes d'endommagement par application de techniques de reconnaissance de formes supervisées a permis d'évaluer leur chronologie d'activation durant les essais de fatigue cyclique. Cette étude a permis de mettre en évidence un ensemble de mécanismes propres à la sollicitation cyclique, composé principalement de décohésion et de frottement aux interfaces fibre/matrice et matrice/matrice. De plus, l'utilisation de l'émission acoustique a permis de définir des temps caractéristiques ou critiques pouvant être utilisés dans un objectif de prévision de la durée de vie. En effet, par exemple la sévérité des signaux a permis de mettre en évidence un temps caractéristique situé entre 25 et 45% de la durée de vie du matériau. La détection en temps réel de ce temps caractéristique permet d'estimer la durée de vie restante
The full understanding of a ceramic matrix composite under fatigue loading is needed in view of industrial applications. It is necessary to determine the damage mechanisms chronology and to be able to forecast the lifetime of the material in the conditions of use. To reach these purposes, a mechanical characterisation has to be done as well as the definition of damage indicators. It is then interesting to link the analysis of mechanical parameters and microscope observations with a non-destructive monitoring technique. Acoustic emission (AE) appears to be a good candidate to monitor material damage under loading. It makes the quantification and the material damage localisation possible. In this study, indicators based on released acoustic energy are used as "Severity" of signals or "Sentry function" which depends on both acoustic and mechanical energies. This work is organised in two parts. First, the analysis of mechanical parameters behaviour, material microstructure and global evolution of acoustic emission under static and cyclic loading makes the characterisation of the effects of cyclic fatigue on the material possible. The second part consists in determining a damage scenario. First acoustic emission signals are analysed depending on their acquisition during a cycle (loading or unloading). Then the connection between the acoustic emission signals and the different damage mechanisms, using a supervised clustering method, facilitated the estimation of the activation of these different damage mechanisms during cyclic fatigue tests. This study pointed out different damage mechanisms generated by cyclic loading, which are mainly debonding and friction at matrix/fibre and matrix/matrix interfaces. In addition, damage indicators based on acoustic emission enabled to determine characteristic times which can be used for lifetime forecast. For example, signal severity shows a characteristic time between 25% and 45% of the time to ultimate failure. Detection of this time in real-time during a test can be used to estimate the time of the ultimate failure of the material

Les modèles de comportement thermomécanique qui ont été proposes pour les mini composites, ont permis de calculer la durée de vie de mini composites c/c/sic (composites élabores a partir de fils uniques) en traction a haute température dans l'air, mais aussi les phénomènes fondamentaux qui déterminent le comportement mécanique en fonction de la température, a savoir la multi fissuration de la matrice, l'ouverture des fissures, les dilatations et l'effet des contraintes résiduelles. Les données expérimentales nécessaires a la validation des modèles ont été détermines grâce a des essais de traction réalises a température ambiante et a haute température jusqu'a 1200c sur des mini composites de la famille des c/c/sic élabores par voie gazeuse par la société européenne de propulsion. Les résultats expérimentaux obtenus par d'autres auteurs sur les mini composites sic/sic ont aussi été examines. La partie expérimentale a nécessite un certain nombre d'essais originaux, tels que des essais de traction dans un microscope électronique a balayage a des températures variant de la température ambiante jusqu'a 1200c

L'objectif de cette thèse est d'initier une réflexion sur le vieillissement des matériaux composites utilisés en renforcement des structures du Génie Civil. En effet la méconnaissance de la durabilité des matériaux composites est un frein à leur utilisation. Au cours de ce travail de thèse, nous avons dans un premier temps étudié l’influence des conditions de mise en œuvre sur les propriétés initiales du composite. Dans cette première partie, les composites carbone-Epoxy et carbone-vinylester ont été élaborés par moulage au contact tout en variant le couple Température-Humidité de mise en œuvre et du support béton ainsi que la formulation des systèmes réactifs. Dans la deuxième partie, nous avons sélectionné des cycles de vieillissement reflétant les conditions réelles dans lesquelles travaille le matériau composite en réparation et/ou renforcement des structures. Les composites ont subi un vieillissement accéléré (contrainte thermique, hygrométrique, chimique, thermochimique, hygrothermique, des cycles de gel-dégel,…) pendant 18 mois. En parallèle, nous avons lancé des essais de vieillissement naturel. Un élément prépondérant du vieillissement est le support contact en l’occurrence le substrat béton qui présente un pH basique, ce qui nous a mené à étudier le vieillissement du couple béton-composite. Plusieurs essais de caractérisation de type mécanique ou thermo-rhéologique ont été mis en œuvre afin de suivre l’évolution des propriétés des composites vieillis. La finalité de ce travail de thèse consiste à tester des méthodes de vieillissement représentatives des conditions réelles en génie civil et à développer des essais de caractérisation précis afin de pouvoir déterminer des indicateurs de durabilité fiables. Les résultats enregistrés sur une base de temps de vieillissement programmée entre 0 et 18 mois démontrent que selon le milieu de vieillissement, la nature de la matrice (époxy ou vinylester) et les conditions de mise en œuvre, les propriétés des composite et évoluent différemment au cours du temps
The objective of this PhD thesis is to treat the ageing of composite materials with polymeric matrix used in the reinforcement and/or repair of Civil Engineering structures. Indeed the ignorance of the durability of theses materials is a barrier to their use. During this analysis, we initially studied the influence of the implementation conditions on the initial properties of the composite. Carbon-Epoxy and carbon-vinylester composites were manufactured by hand lay-up process. To simulate errors inherent to the transformation process of composite, we intentionally varied the implementation conditions (temperature, moisture, the formulation of the reactive systems,…). In a second time, we selected cycles of ageing reflecting the real civil engineering conditions during the service life of composite. The experimental program considers two main orientations: the first approach consists in submitting composites samples and mixed concrete-composites specimens to real external conditions defined by the location of the experimental site. On the other hand, laboratory accelerated tests are carried out where the ageing factors selected are separated or combined. We have essentially considered the influence of the temperature, the moisture and alkaline solution. : In order to follow the evolution of the aged composites properties, several tests of characterization (mechanical and thermo-rheological) were carried out. The finality of these tests consists in testing representative methods of ageing in real civil engineering applications conditions and developing precise tests of characterization in order to determine reliable indicators of durability and design factors. The results recorded after 18 months of exposition show that according to the medium of ageing, the nature of the matrix (epoxy or vinylester) and the implementation conditions, the properties of the composites and concrete-composites interfaces evolve differently

Le comportement thermomécanique d'une nouvelle génération de composites SiC/SiC à matrice séquencée et autocicatrisante a été déterminé. Le mécanisme de fluage à 1100°C a été décrit comme un phénomène de fissuration sous critique de la matrice intratoron et le fluage des fibres. L'effet de la déviation des fissures, de la cicatrisation, et des micromécanismes de fissuration sous critique de la matrice intratoron sur la durée de vie à 600°C et 1100°C ont été mis en évidence lors des essais de fatigue. L'étude de la fatigue de fils de fibres Nicalon NLM 207 et de minicomposites à matrice séquencée ont permis d'attribuer la durée de vie des composites SiC/SiC à un phénomène de fissuration lente des fibres, et associé à une dégradation plus ou moins rapide de l'interphase.