Etude du comportement thermomécanique de composites thermoplastiques dans des conditions critiques de température : une analyse numérique multi-échelle et caractérisation expérimentale

About the thermomechanical behavior of thermoplastic composites under critical temperature conditions : a multiscale numerical analysis and experimental characterization

• Auteur / Autrice : David Philippe
• Direction : Benoit Vieille, Fabrice Barbe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, génie mécanique, productique, transport et génie civil
• Date : Soutenance le 21/11/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Lucien Laiarinandrasana
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoit Vieille, Fabrice Barbe, Damien Halm, Redouane Zitoune, Cédric Huchette, Yann Carpier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Halm, Redouane Zitoune

Mots clés

Mots clés contrôlés

Porosité

Pyrolyse

Propriétés thermomécaniques

Composites thermoplastiques

Analyse numérique

Analyse multiéchelle

Mots clés libres

Dégradation-décomposition thermique

Couplage thermomécanique

Caractérisation expérimentale

Multiscale numerical analysis

Thermoplastic composite

Thermal degradation / decomposition

Porosity

Thermomechanical coupling

Experimental testing

Résumé

L'exposition d'un matériau composite à matrice thermoplastique à une importante source de chaleur (telle qu'une flamme) induit la détérioration progressive de la matrice au travers de changements d'état ainsi que d'une forte variation des propriétés thermomécaniques. Ces matériaux étant grandement utilisés dans l'aéronautique, cette étude se penche sur la réponse thermomécanique à haute température de composites stratifiés C/PPS quasi-isotrope. La première partie se concentre sur l'évolution des propriétés thermomécaniques des constituants en fonction de la température, tandis que la seconde présente une modélisation originale de la décomposition thermique de la matrice, se basant sur des résultats expérimentaux, à l'aide d'une approche mésoscopique dans laquelle les éléments finis de matrice sont progressivement transformés en porosités. La troisième partie étudie expérimentalement et numériquement l'influence d'un chargement thermomécanique sur les distributions de température et de tenue mécanique. Finalement, des analyses préliminaires par tomographie par rayons X ont montré qu'il s'agit d'un moyen adapté pour affiner la connaissance de la cinétique de formation des porosités.

Impacting thermoplastic-based laminates by a high thermal energy -e.g. a flame- essentially causes the progressive deterioration of the matrix, involving solid-state transformations and dramatic variations of the thermomechanical properties. As these laminates are increasingly used, this study focuses on thermomechanical response to high temperature of QI C/PPS laminates. While the first part investigates the thermomechanical properties evolution over temperature of the constituents, the second one presents an original modelling of the thermal decomposition of the matrix based on experimental results through a mesoscopic approach in which the matrix finite elements are progressively transformed into porosities. The third part studies the influence of a thermomechanical loading on the temperature / loading capacity distribution was experimentally and numerically assessed. Finally, preliminary X-Ray tomography analyses were carried out and proved to be an efficient mean to further understand the porosity formation kinetics.