Tenue mécanique au feu des composites aéronautiques

1 - Conditions critiques d’utilisation en service des CMO aéronautiques

• 1.1 - Contexte industriel et scientifique
• 1.2 - Certification aéronautique en matière d’incendie
• 1.3 - Enjeux scientifiques et techniques
• 1.4 - Couplage thermomécanique au sein des CMO : pyramide des essais
  Figure 1 - Pyramide des essais de caractérisation thermique et thermomécanique

2 - Influence d’une agression thermique sur le comportement des CMO

• 2.1 - Dégradation thermique
  Figure 2 - Caractérisation des températures caractéristiques des composites à matrice organique (d'après [1]) Tableau 1
• 2.2 - Décomposition thermique
  Figure 3 - Analyses ATG réalisées sur un composite stratifié carbone/verre/PEEK – influence de la vitesse de chauffe sur la température de début de pyrolyse et la cinétique de décomposition (d'après [20]) Figure 4 - Analyses ATG menées sur un composite stratifié carbone/PEKK avec et sans additif retardateur de flamme à base de phosphore (Exolit) – influence de la vitesse de chauffe sur la température de début de pyrolyse et la cinétique de décomposition (d'après [21])
• 2.3 - Influence de la température sur le comportement mécanique de la matrice
  Figure 5 - Évolution de la rigidité (en échelle logarithmique) d’un polymère en fonction de la température et selon sa nature (semi-cristallin ou amorphe)
• 2.4 - Comprendre l’influence de la température sur l’intégrité physique d’un CMO
  Figure 6 - Observation microscopique dans l’épaisseur d'un stratifié carbone/PPS quasi-isotrope

3 - Essais thermomécaniques dissociés

• 3.1 - Agression thermique isotherme dans un four haute température
  Figure 7 - Dégradation/décomposition thermique d'éprouvettes de traction dans des conditions isothermes : éprouvette de traction placée sur une grille métallique pour assurer une distribution homogène de la température dans un four à moufle Figure 8 - Observations au microscope optique (dans l'épaisseur au cœur des échantillons) de stratifiés carbone/PPS thermiquement décomposés dans différentes conditions de température homogène après une exposition de 7 minutes dans un four à moufle Figure 9 - Influence du temps d'exposition sur la décomposition thermique de stratifiés C/PPS dans différentes conditions de température
• 3.2 - Agression thermique anisotherme par un flux de chaleur rayonnant
  Figure 10 - Processus physico-chimiques et distribution des phases lors de la décomposition thermique de composites à matrice thermoplastique : illustration du gradient d’endommagement au sein d’un stratifié soumis à un flux de chaleur (cône calorimètre) (d'après [22]) Figure 11 - Observations au microscope électronique à balayage (grossissement x 70) de la décomposition thermique au sein de composites stratifiés quasi-isotropes soumis à un flux thermique de 40 kW/m2 (d'après [25])
• 3.3 - Agression thermique représentative des conditions réelles : exemple d’une flamme kérosène
  Figure 12 - Banc de tenue mécanique au feu instrumenté Figure 13 - Mesure de température en face arrière d’un stratifié carbone/verre/PEEK soumis à une flamme kérosène (d'après [26]) Figure 14 - Observations macro- et microscopique d’un stratifié carbone/verre/PEEK soumis à une flamme kérosène pendant 15 minutes (d'après [26])
• 3.4 - Caractérisation du comportement mécanique résiduel
  Figure 15 - Comportement résiduel en traction de stratifiés quasi-isotropes carbone/PPS dans différentes conditions de température homogène Figure 16 - Comportement résiduel en traction de stratifiés quasi-isotropes carbone/verre/PEEK après exposition à une flamme kérosène pour différentes durées (300-400-500-600-900 s) Figure 17 - Observations microscopiques de stratifiés carbone/verre/PEEK soumis à une flamme kérosène pour différentes durées

4 - Essais thermomécaniques combinés

• 4.1 - Conditions de température homogène
  Figure 18 - Image du dispositif expérimental combinant un four à haute température et un extensomètre à haute température constitué de tiges en céramique Figure 19 - Comportement en traction de stratifiés C/PPS dans différentes conditions de température homogène Figure 20 - Observations macroscopiques des éprouvettes de traction en carbone/PPS soumises à différentes agressions thermiques Figure 21 - Comportement en traction in situ de stratifiés carbone/PPS dans différentes conditions de température homogène – observations microscopiques à travers l'épaisseur
• 4.2 - Essais mécaniques sous flux thermique rayonnant
  Figure 22 - Banc expérimental utilisé pour appliquer simultanément un chargement en traction combiné et un flux de chaleur unilatéral fourni par un calorimètre à cône Figure 23 - Mesure de température pour des éprouvettes de traction en carbone/PPS soumises à des flux de chaleur de 40 et 60 kW/m2 Figure 24 - Réponse axiale de stratifiés quasi-isotropes carbone/PPS soumis simultanément à un chargement monotone en traction et à un flux de chaleur unilatéral Figure 25 - Phénomène de striction dans des stratifiés quasi-isotropes carbone/PPS soumis à un flux de chaleur unilatéral de 40 kW/m2 et un chargement en traction monotone Figure 26 - Comportement en compression dans les stratifiés à plis tissés Figure 27 - Comportement thermomécanique sous flux thermique (cône calorimètre) et chargement mécanique en compression d’un stratifié carbone/verre/PEEK quasi-isotrope
• 4.3 - Essais de traction sous flamme kérosène
  Figure 28 - Mesure de la température en face arrière de stratifiés carbone/PPS soumis à une flamme kérosène Figure 29 - Observations au microscope optique de stratifiés carbone/PPS soumis à une flamme kérosène pendant 2 minutes sans charge mécanique Figure 30 - Comportement en traction in situ de stratifiés carbone/PPS soumis à une flamme kérosène Figure 31 - Observations post-mortem de stratifiés carbone/PPS après essai de traction sous flamme de kérosène (cas d’une exposition de 5 minutes)

5 - Conclusion et perspectives

6 - Glossaire

7 - Sigles, notations et symboles