Relations entre la structure de milieux fibreux et leurs propriétés thermiques et de transfert de masse

Relations between fibrous media structure and their thermal and mass transfer properties

• Auteur / Autrice : Carole Charles
• Direction : Gérard Louis Vignoles, Cédric Descamps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 03/12/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Irina Graour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Louis Vignoles, Cédric Descamps, Irina Graour, Steven Le Corre, Christophe Binétruy, Camille Perrot, Mathieu Blanchard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Irina Graour, Steven Le Corre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à fibres de carbone

Propriétés thermiques

Transfert de masse

Mots clés libres

Transfert de masse

Propriétés thermiques

Milieux fibreux

Composites carbone/carbone

Mass transfer

Thermal properties

Fibrous media

Carbon/carbon composites

Résumé

Les composites carbone/carbone sont produits industriellement pour diverses applications : composants ultra-haute température pour la propulsion spatiale, protections thermiques pour la rentrée atmosphérique, freins pour l'aéronautique civile, outillages pour l'industrie lourde, ... Ils font partie des composites dits "thermo-structuraux" qui maintiennent leur intégrité structurale à très haute température (2500 K). Ils sont obtenus à partir d’une préforme fibreuse en fibres de carbone qui va être densifiée par un ajout de matrice carbonée. Cette matrice est généralement apportée soit par voie liquide (par imprégnation de la préforme) soit par voie gaz (par Infiltration Chimique en Phase Vapeur).Dans le cadre de leur fabrication par voie gaz, deux types de propriétés viennent conditionner la réussite du procédé : les propriétés de transport thermique et de transport d'espèces gazeuses. L'impact de l'arrangement des fibres sur ces propriétés est très important, et c'est ce qui fait l'objet du travail proposé. L'objectif est de fournir à l'ingénieur des pistes d'optimisation de procédés sur la base de la connaissance fine des phénomènes de transport au sein du milieu fibreux lors de son remplissage progressif par une matrice.Des préformes fibreuses de composites C/C infiltrées à divers degrés par une matrice carbonée sont étudiées expérimentalement et, en parallèle, ont été tomographiées et numérisées. La perméabilité aux gaz à pression variable, comprenant l'effet du transport en régime raréfié (ou "glissant") a été déterminée expérimentalement et comparée à des calculs basés image, avec un très bon accord ; des corrélations entre le transport visqueux, le transport raréfié, et la diffusion de gaz en régime continu ont été obtenues. La diffusivité thermique des constituants (fibre, matrice) et des composites a été déterminée expérimentalement à diverses températures. Ainsi, un jeu complet de propriétés de transfert dépendantes de la température, de la pression et du taux de porosité a pu être obtenu. Elles ont été utilisées dans une modélisation simple d'infiltration chimique avec gradient de température (TG-CVI) pour produire des pistes d'optimisation du procédé en termes d'homogénéité de l'infiltration.

Carbon/carbon composites are produced industrially for various applications: ultra-high temperature components for space propulsion, protections thermiques pour la rentrée atmosphérique, thermal protection for atmospheric re-entry, brakes for civil aviation, tools for heavy industry, ... They are part of so-called "thermo-structural" composites that maintain their structural integrity at very high temperatures (2500 K). They are obtained from a fibrous carbon fiber preform that will be densified by an addition of carbon matrix. This matrix is usually supplied either by liquid route (by impregnation of the preform) or by gas route (by Chemical Infiltration in Vapour Phase).As part of their production by gas route, two types of properties determine the success of the process: thermal and gaseous species transport properties. The impact of fibre arrangement on these properties is very important, and that is what the proposed work is about. The objective is to provide to the engineer process optimization options based on the detailed knowledge of the transport phenomena within the fibrous medium during its progressive filling by a matrix.Fibrous preforms of C/C composites infiltrated to varying degrees by a carbon matrix are experimentally studied and, in parallel, have been computed and digitized. The gas permeability at variable pressure, including the effect of transport in rarefied (or "slippery") regime, was determined experimentally and compared with image-based calculations, with very good agreement; correlations between viscous transport, rarefied transport, and continuous gas diffusion were obtained. The thermal diffusivity of the constituents (fibre, matrix) and composites was determined experimentally at various temperatures. Thus, a complete set of transfer properties dependent on temperature, pressure and porosity rate could be obtained. They were used in a simple modelling of chemical infiltration with temperature gradient (TG-CVI) to produce process optimization tracks in terms of homogeneity of infiltration.