Comportement mécanique à haute température d'un composite alumine/alumine et influence de l'atmosphère

par Antoine Debarre

Projet de thèse en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Michel Boussuge, Aurélie Jankowiak et de Guillaume Pujol.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) , MAT-Microstructure, Mécanique, Expérimentation - MIMEX (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les contraintes économiques et environnementales croissantes imposent de recourir à de nouveaux matériaux pour augmenter les performances des moteurs et des systèmes de propulsion (augmentation du rendement, diminution des émissions polluantes). Dans ce contexte, les composites thermostructuraux oxyde/oxyde, constitués d'une céramique de type oxyde renforcée par des fibres de même nature, ont atteint un degré de maturité technologique suffisant pour qu'il soit envisagé de les introduire dans la conception des moteurs de nouvelle génération. L'Onera développe ce type de composites depuis quelques années et s'intéresse particulièrement aux relations entre la nature des fibres, la microstructure et la nature de la matrice et leurs propriétés. Ainsi, des gammes de rigidité et de résistance à la rupture intéressantes ont été obtenues. Une modélisation du comportement mécanique à température ambiante a également été réalisée. Cependant, les bureaux d'études ont besoin de connaître leur loi de comportement en température afin de pouvoir concevoir des pièces correctement dimensionnées. De même, une bonne connaissance des vitesses de dégradation de ce type de matériaux au-delà de leur température d'utilisation serait un plus et pourrait ouvrir la voie pour de nouvelles applications. Pour les composites oxyde/oxyde de l'Onera, il s'agira dans un premier temps d'acquérir une compréhension plus poussée du comportement mécanique en température et plus particulièrement des mécanismes de dégradation même au-delà de la température d'utilisation. Des essais de flexion quatre points seront réalisés au Centre des Matériaux et des essais de traction-compression selon plusieurs directions seront effectués en température jusqu'à 1000°C sous gaz neutre sur le moyen d'essai disponible à la DGA-TA. De plus, pour évaluer l'action d'espèces oxydantes, des essais seront également effectués avec de la vapeur d'eau (600-800°C). Aussi des essais de vieillissement thermique permettront de décorréler l'action de la température de l'action d'espèces oxydantes sur les mécanismes de rupture. D Par la suite, une analyse poussée de la microstructure permettra de mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques associés à la dégradation des matériaux afin de proposer des voies d'optimisation. En parallèle, les informations issues de ces essais seront utilisées pour construire un modèle de prévision du comportement, de l'endommagement et de la rupture en température. Les essais de validation seront à définir

  • Titre traduit

    High temperature mechanical behaviour of an alumina/alumina composite and influence of the environment


  • Résumé

    Regarding the demanding technical characteristics relating to a high thrust-to-weight ratio, an increase in service temperatures is needed for high performance aero-engines. This is one of the reasons why advanced ceramics materials such as oxide/oxide composite are currently developed. This kind of materials is now considered in the design of the new generation of engines. ONERA is developing such materials since few years, with a special interest in the relationships between the fibers, the microstructure and the nature of the matrix and their final mechanical properties. Thus, several composites are studied with an interesting range of elasticity and mechanical strength. Moreover, the mechanical behavior at room temperature was modeled. However, designer still need some information about their mechanical behavior at high temperature to correctly size the different parts. Consequently, it would be interesting to have a better knowledge of the degradation of their properties at higher temperatures. This last point would also allow identifying new applications for these materials. In this context, considering the oxide/oxide composites developed at ONERA, a better understanding of their mechanical behavior and even of the degradation mechanisms at high temperature is required. 4-point bending test wilml be carried out at Centre des Matériaux. Tensile and compressive tests in several directions and fatigue tests will be performed up to 1000°C under inert gas and up to 600-800°C under water vapor. Furthemore ageing test will be performed to dissociatethe influence of the temperature and the influence of the oxidant species on the degradation mechanisms . After these characterizations, a fine microstructural analysis will allow to understand the physical and chemical mechanisms associated to the damage of the materials. In parallel, data from mechanical tests will be analyzed and used to develop a model for predicting, versus temperature and atmosphere, mechanical behavior and damage. Validation tests have to be defined.