Comportement thermomécanique de composites à matrice métallique pour applications spatiales

Thermomechanical behavior of metal matrix composites for satellite structures

• Auteur / Autrice : Jocelyn Gaudin
• Direction : Yves Bienvenu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance en 1997
• Etablissement(s) : ENSMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Carbone

Magnésium

Résumé

Les structures de satellite à haute stabilité dimensionnelle, telles que téléscopes ou antennes, nécessitent l'usage de matériaux légers, rigides, résistants, présentant de faibles allongements sous des solicitations thermiques ou mécaniques et montrant une bonne reproductibilité de leurs performances. L'objet de notre travail est de développer des matériaux composites à base de préformes tissées en fibres de carbone et de matrices en alliages légers pour de telles applications. Dans un premier temps, les modèles de prévision des propriétés thermoélastiques sont mis en place et validés expérimentalement sur un composite unidirectionnel à matrice métallique puis sur différentes composites tissés. On montre qu'il est possible, avec une matrice en alliage d'aluminium ou magnésium, d'obtenir un composite présentant dans une direction une très grande rigidité et un coefficient de dilatation thermique quasiment nul. Les moyennes et les écart-types de ces propriétés sont évalués numériquement et expérimentalement. Un algorithme évolutionniste est exploité pour mener une recherche exhaustive des solutions les moins sensibles aux variabilités d'élaboration. L'intérêt des composites à matrice métallique vis-à-vis des composites à matrice organique est alors clairement mis en évidence. Dans un second temps, le domaine de stabilité est exploré, tant sous l'action d'un chargement thermique que mécanique. On montre que l'ondulation des fibres dans le composite réduit notablement l'aptitude du matériau à subir un chargement mécanique sans allongement résiduel. En parallèle, l'étude de l'évolution des contraintes résiduelles dans la matrice permet d'envisager l'excursion thermique optimale pour obtenir à la température d'utilisation le matériau le plus stable possible, c'est à dire celui présentant un niveau de contraintes résiduelles extrêment faible. Le risque d'une instabilité dimensionnelle sous l'effet d'une relaxation de contraintes peut alors être écarté. Les composites optimisés à travers le taux de fibres, la définition du tissu et l'excursion thermique présentent ainsi des propriétés thermoélastiques spécifiques et une stabilité dimensionnelle intéressantes pour les applications visées.

Dimensionnally stable satellite structures, such as telescopes or antennas, need light, stiff, high strength materials, which present very low strains for a given mechanical or thermal load, and with reproductible properties. The aim of this work is to developp metal matrix composites for such applications, based on carbon woven fabric and light metal matrix. In a first step, a unidirectional composite is tested so as to validate micromechanical models. Then different woven fabric composites are considered. Both magnesium-matrix and aluminium matrix composites show almost null coefficient of thermal expansion and high stifness in the principal direction. Experimental average and standard deviation of main thermoelastic properties are compared with their simulation counterparts, calculated using a Montre Carlo approach. Using evolutionnist optimization techniques, an exhaustive search of composites for dimensionally stable structures is conducted. Dispersion reduction can also be included in the optimization. With this approach, metal matrix composites appears clearly in comparison with organic matrix composites when long term stability is considered. Metal Matrix composites stability is then analyzed under a mechanical and thermal loading. Its is shown that the fiber waving in the composite reduces drastically the composite elastic domain. An important amount of work is also dedicated to residual stresses in the composite under thermal loadings. Different thermal cycles are considered so as to model matrix residual stress evolution with temperature. An excursion at low temperature is emphasized to reduce room temperature residual stresses and increase composite dimensional stability. A global optimization through fiber volume, woven fabric definition and thermal excursion lead to significantly enhanced dimensional stability properties, when compared to traditional organic matrix composites.