Etude expérimentale et numérique de la sensibilité de compositions énergétiques ˸ influence de la microstructure et rôle de l'endommagement

Experimental and numerical study of the sensitivity of energetic materials ˸ influence of the microstructure and role of the mechanical damage

• Auteur / Autrice : Elodie Kaeshammer
• Direction : François Willot, Petr Dokladal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Morphologie mathématique
• Date : Soutenance le 31/03/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de morphologie mathématique (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Bailly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Willot, Petr Dokladal, Michel Arrigoni, Lionel Borne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carole Nadot-Martin, Thierry Fournel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtomographie

Traitement d'images

Morphologie mathématique

Mots clés libres

Microtomographie

Traitement d'images

Simulations dynamiques

Segmentation

Angularité

Simulations FFT

Microstructure granulaire

Echelle mésoscopique

Image processing

Micro-computed tomography

Granular microstructure

Mesoscopic scale

Segmentation

Angularity

FFT simulations

Dynamic simulations

Résumé

La sensibilité au choc d’un matériau énergétique est liée à sa microstructure. L’onde de choc interagit avec la microstructure en créant des sauts de pression et des hausses de température localisés que l’on appelle points chauds. Ces points chauds sont de potentiels sites d’initiation de la détonation. L’objectif de thèse est d’étudier l’influence de différents paramètres microstructuraux sur la sensibilité au choc d’un matériau énergétique. Dans un premier temps, les microtomographies de trois matériaux RDX/Cire (70/30 en masse) sont étudiées. Ces trois matériaux sont identiques en termes de composition mais diffèrent par leur microstructure ainsi que par leur seuil d’amorçage en détonation. Les microtomographies sont filtrées et segmentées avant d’être caractérisées. La caractérisation permet d’identifier et de quantifier les différences de granulométries, distributions spatiale, formes des grains, points de contact entre les grains et réponses élastiques des 3 matériaux. Chaque grain labellisé est ensuite étudié individuellement (volume, surface, rayon moyen, sphéricité, convexité, angularité) et extrait pour former une bibliothèque de grains. Les résultats d’analyse d’images sont comparés avec des mesures expérimentales pour vérifier la validité de l’outil de segmentation mis en œuvre. Dans un second temps, des microstructures virtuelles sont générées à partir de la bibliothèque de grains réels afin de contrôler les caractéristiques des grains présents dans le matériau virtuel et d’isoler les effets de différents paramètres microstructuraux, tout en respectant la granulométrie et la distribution spatiale du matériau réel. Des simulations numériques dynamiques ont mis en évidence le rôle des défauts intra-granulaires ainsi que des points de contact entre les grains dans la localisation des contraintes et la formation de points chauds. L’importance des points de contact entre les grains était déjà pressentie à la suite de calculs FFT élastique quasi statique. Parallèlement à ce travail numérique, des expériences de récupération sous choc ont été mises au point et réalisées à l’ISL. Les échantillons endommagés sont microtomographiés. Les premières observations visuelles révèlent d’importantes fissurations et décohésions pour des pressions de choc bien inférieures au seuil d’amorçage de la détonation

Shock sensitivity of explosive formulations is linked to their microstructure. Shock waves interact with the heterogeneitiesof the microstructure which lead to localized increase of pressure and temperature called hot spots. The hot spots can potentially initiate the detonation. The objective of the PhD thesis is to study the influence of different microstructural parameters on the sensitivity to shock of energetic materials. First, the micro-computed tomography images of three RDX/Wax materials (70/30 in weight) are studied. These three materials have the same composition but different microstructures and different sensitivity to shock. The micro-computed tomography images are filtered, segmented and characterized. The characterization allows the identification and quantification of the differences between the three materials: granulometry, spatial distribution, grains shape, contact points between grains and elastic response to deformation. Then, each labeled grain is extracted and characterized with several descriptors (volume, surface, mean radius, sphericity, angularity) to create a library of grains. The results of image analysis are compared with experimental data to evaluate the effectiveness of the segmentation tool. Then, virtual microstructures are generated with the library of grains. It allows to control the characteristics of the grains implanted in the virtual material and to isolate the effects of some microstructural parameters, while respecting the particle size and spatial distribution of the real material. Dynamic numerical simulations have demonstrated the importance of the intra-granular defects and of the contact points between the grains in the localization of stresses and the formation of hotspots. The role of the contact points between the grains was already highlighted in FFT elastic quasi-static simulations. In addition to this numerical work, shock recovery experiments were developed and performed at the ISL. Damaged RDX/Wax samples were imaged with micro-computed tomography. The first visual inspections reveal numerous cracks in the grains and an important grain-wax decohesion for shock pressure largely under the detonation threshold.