Analyse du comportement thermomécanique d'un composite C/C de l'ambiante jusqu'à 1000°C par suivi in-situ et modélisation

Abstract

Ce travail porte sur l’étude du comportement thermomécanique des composites Carbone/Carbone 3D (3D C/C), largement utilisés pour des applications aérospatiales et aéronautiques. Le matériau d’étude, employé dans les cols de tuyères de propulsion, est constitué de nappes de fibres carbone stratifiées et aiguilletées dans la direction hors-plan avant d’être densifiées par une matrice en pyrocarbone. Les 3D-C/C sont connus pour leur faible densité et leurs excellentes propriétés mécaniques spécifiques jusqu’à très haute température. La contrepartie de cette performance est leur structure multi-échelle et la nature complexe des relations entre les propriétés macroscopiques et les paramètres d’élaboration.L’objectif est d’apporter une meilleure compréhension du comportement thermomécanique des C/C, tout en tenant compte de la répartition spatiale de ses constituants ainsi que des mécanismes d’endommagement locaux. La démarcheproposée s’articule autour de deux axes.Dans un premier temps, le suivi expérimental du développement d’endommagements au sein du C/C est réalisé à partir d’essais in-situ sous micro-Computed Tomographie (µCT) et microscopie électronique à balayage (MEB) sur des éprouvettes spécifiques de l’ambiante jusqu’à 1000°C. L’application systématique de la corrélation d’images volumiques pour l’analyse de ces essais nous permet de relier le développement progressif des endommagements en fonction du niveau de chargement et de l’architecture textile. D’après les observations in-situ, les principaux endommagements apparaissent aux interfaces à l’échelle mésoscopique, entre plis et aiguilletages.En se basant sur ces analyses, ce travail propose une modélisation éléments-finis (EF) multi-échelle pour simuler le comportement thermomécanique du C/C 3D. Nous nous attardons notamment l’intégration du comportement aux interfaces, simulé à l’aide de zones cohésives combinant endommagement et frottement. À l’échelle mésoscopique, les cellules représentatives sont directement construites à partir des tomographies. La description proposée nous permet de comparer directement les sites endommagés prédits par les simulations EF aux observations expérimentales. Des simulations, prenant en compte ou non le frottement et l’endommagement aux interfaces sont réalisées. Des confrontations essais/calculs sont ensuite proposées, en comparant notamment les sites d’amorçages observés expérimentalement et numériquement. Elles nous permettent de discuter de la pertinence d’intégrer le comportement aux interfaces afin de représenter adéquatement le comportement thermomécanique des composites 3D-C/C.