Durabilité des matériaux composites sandwichs en conditions extrêmes : tenue au feu et évolution des propriétés mécaniques

Durability of composite materials in extreme conditions : resistance to fire and evolution of mechanical properties

• Auteur / Autrice : Georgio Rizk
• Direction : Frédéric Jacquemin, Khaled Khalil, Vincent Legrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 10/12/2018
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Rouhaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoit Vieille, Laurent Ferry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais de comportement au feu

Matières inflammables

Composites

Mots clés libres

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Résumé

Les matériaux composites jouent un rôle de plus en plus important dans notre société dans de très nombreux domaines (aéronautique, naval, génie civil), de par leurs avantages en terme de légèreté, d’inaltérabilité et de rigidité. Il est donc primordial de comprendre et d’évaluer leurs propriétés sur le long terme (durabilité). Cependant, l’utilisation de ce type de matériau nécessite des précautions particulières notamment en ce qui concerne la tenue au feu. En effet, les composites sandwichs sont hautement inflammables et résistent mal à la chaleur. L’objectif de ce projet de thèse est d’étudier de manière combinée la durabilité thermo-mécanique (tenue au feu) de matériaux composites sandwichs à matrice polymère par le biais de mesures expérimentales au cône calorimètre. Il s'agit également de modéliser les variations de propriétés mécaniques induites en fonction de la température et du temps de combustion, en utilisant un modèle multiphysique basé sur une approche éléments finis (Abaqus). Les processus de dégradation thermique de ces matériaux sont présentés en fonction de la température et du temps, ainsi que les lois de comportement et les modèles d’estimation des propriétés thermiques et mécaniques. Un modèle numérique thermique amélioré est programmé sur le logiciel Abaqus et validé en lien avec des mesures expérimentales de tenue au feu (four, cône calorimètre). Des confrontations mesures expérimentales / modèle numérique, effectuées sur plusieurs configurations de scénario de tenue au feu, sont réalisées afin de comprendre et prédire le comportement et les propriétés thermo-mécaniques des matériaux composites sandwichs.

Composite materials play an increasingly important role in our society in many fields (aeronautics, naval, civil engineering), because of their advantages in terms of lightness, unalterability and rigidity. It is therefore essential to understand and evaluate their properties in the long term (durability). However, the use of this type of material requires special precautions, particularly with regard to fire resistance. Indeed, sandwich composites are highly flammable and poorly heat resistant. The aim of this thesis project is to study in a combined way the thermomechanical durability (fire resistance) of polymer matrix composite sandwich materials by means of experimental measurements with a calorimeter cone. It is also a question of modeling the variations of mechanical properties induced as a function of the temperature and the combustion time, using a multiphysical model based on a finite element approach (Abaqus). The processes of thermal degradation of these materials are presented as a function of temperature and time, as well as behavior laws and of thermal and mechanical properties predictions. An improved thermal numerical model is programmed and validated in relation to experimental fire resistance measurements (oven, calorimeter cone). Confrontations between experimental measurements and numerical model, performed under several fire resistance scenario configurations, are carried out in order to understand and predict the behavior and thermomechanical properties of composite sandwich materials.