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Article

1 - CONDITIONS CRITIQUES D’UTILISATION EN SERVICE DES CMO AÉRONAUTIQUES

2 - INFLUENCE D’UNE AGRESSION THERMIQUE SUR LE COMPORTEMENT DES CMO

3 - ESSAIS THERMOMÉCANIQUES DISSOCIÉS

4 - ESSAIS THERMOMÉCANIQUES COMBINÉS

5 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : AM5332 v1

Conditions critiques d’utilisation en service des CMO aéronautiques
Tenue mécanique au feu des composites aéronautiques

Auteur(s) : Benoît VIEILLE, Yann CARPIER

Date de publication : 10 nov. 2024

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RÉSUMÉ

Cet article propose une méthodologie permettant d’étudier la tenue mécanique au feu des matériaux composites aéronautiques. L’utilisation de matériaux innovants tels que les composites à matrice organique dans les applications aéronautiques est confrontée à des normes de sécurité toujours plus exigeantes auxquelles il est impératif d’apporter des réponses fiables et pertinentes. Ainsi, permettre aux industriels de comprendre/prédire la réponse thermomécanique des matériaux composites dans des conditions critiques, et in fine de leurs pièces et assemblages, est primordial. La demande d’outils prédictifs et de moyens de caractérisation expérimentale adaptés et pertinents est donc forte.

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ABSTRACT

Mechanical Fire Resistance of Aeronautical Composites

This article proposes a methodology for studying the mechanical fire resistance of aeronautical composite materials. The use of innovative materials such as polymeric composite materials in aeronautical applications is confronted with ever more demanding safety standards to which it is imperative to provide reliable and relevant answers. Thus, enabling manufacturers to understand/predict the thermomechanical response of composite materials under critical conditions, and ultimately of their parts and assemblies, is of paramount importance. There is therefore a strong demand for predictive tools and appropriate experimental characterization resources.

Auteur(s)

  • Benoît VIEILLE : Professeur des universités - INSA Rouen Normandie, Saint-Étienne-du-Rouvray, France

  • Yann CARPIER : Ingénieur matériaux et procédés composites - Latecoere, Toulouse, France

INTRODUCTION

Dans le domaine aéronautique, de nombreuses études montrent qu'environ 50 % des décès sont dus à des situations d'incendie . Le développement d’avions plus grands, intégrant de nouvelles sources de propulsion (électrique ou H2), et plus légers (avec une utilisation accrue de pièces composites à matrice polymère renforcée par des fibres de carbone) soulève plusieurs questions concernant la sécurité à bord notamment en termes de comportement des matériaux et des structures exposés au feu, selon la nature de la flamme (kérosène ou hydrogène). Réduire davantage ce risque passe notamment par le développement de matériaux structuraux toujours plus résistants au feu. Les matériaux composites à matrice organique (CMO) confèrent à la structure une très bonne résistance à la pénétration de la flamme dans le cas d’un incendie mais au prix d’un comportement thermique, chimique et mécanique très complexe. Les normes – relatives à la tenue au feu des matériaux – imposées par les autorités de certification sont parmi les plus strictes. Il est donc essentiel de comprendre/prévoir la réaction au feu des matériaux composites, et in fine des structures et des assemblages.

À ce jour, relativement peu d’études se sont intéressées à l’influence d’une agression thermique (température, flux de chaleur, flamme) sur les propriétés structurales de CMO associant renfort fibreux (carbone, verre, aramide, etc.) et matrice polymère . Les principaux types d’endommagement induits par le feu au sein des stratifiés sont identifiés : formation d’une zone carbonée (char), ramollissement et dégradation des constituants (matrice et fibres), délaminage et fissuration matricielle. Les efforts fournis pour caractériser le comportement au feu des CMO se focalisent principalement sur leurs capacités à supporter une charge mécanique à haute température en fonction de la nature de la matrice polymère (thermodurcissable – TD – ou thermoplastique – TP). Le caractère inflammable des matrices TD et leur décomposition thermique rapide ont favorisé l’émergence des composites TP (inflammabilité moindre, températures de décomposition supérieures et formation importante de zone carbonée ). Ainsi, ces matériaux possèdent généralement de meilleures propriétés mécaniques résiduelles , mais la question des couplages multiphysiques au sein des CMO dans des conditions critiques (flamme) reste une question ouverte , de même que pour les effets de changement d’échelle (structures et assemblages).

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KEYWORDS

Thermomechanical coupling   |   kerosene flame   |   polymeric composites   |   thermal agression

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am5332


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

1.1 Contexte industriel et scientifique

Aux origines de l’aéronautique civile, la sécurité incendie et les exigences en matière d'essais dans la cabine n'étaient pas la première préoccupation de l'industrie aéronautique, le confort des passagers étant alors considéré plus important. Les premières réglementations aéronautiques relatives à la sécurité incendie datent des années 1940 et concernent des avions commerciaux de 50 à 150 sièges. Les essais « feu » alors proposés se limitaient à un essai de propagation verticale de la flamme consistant à soumettre les matériaux à un bec bunzen. Progressivement, avec l’émergence des matériaux plastiques et des composites à matrice organique, l'industrie aéronautique a également recommandé des méthodes d'essai plus complètes afin d'améliorer la sécurité des matériaux de cabine (pour limiter les émissions de fumées et leur toxicité en particulier). C’est à partir des années 1980 et quelques accidents impliquant des incendies que la Federal Aviation Administration (FAA), agence fédérale en charge des réglementations et des contrôles concernant l'aviation civile aux États-Unis, a mis à jour les critères de certification feu pour les matériaux aéronautiques.

La recherche sur la tenue au feu des matériaux composites a démarré à la fin des années 1970, parallèlement à leur développement pour des applications dans le domaine aérospatial et aéronautique . Les premières pièces composites étant utilisées comme bouclier thermique, l’accent a d’abord été mis sur l’analyse de leur intégrité face à une agression thermique intense. Au milieu des années 1990, les premières recherches sur la tenue mécanique d’un matériau...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CARPIER (Y.) -   *  -  . – Contribution à l’analyse multi-échelles et multi-physiques du comportement mécanique de matériaux composites à matrice thermoplastique sous températures critiques (2018).

  • (2) - MOURITZ (A.P.), GIBSON (A.G.) -   Fire properties of polymer composite materials.  -  Springer (Solid mechanics and its applications, v. 143) (2006).

  • (3) - CHEN (J.K.), SUN (C.T.), CHANG (C.I.) -   Failure Analysis of a Graphite/Epoxy Laminate Subjected to Combined Thermal and Mechanical Loading.  -  Journal of Composite Materials, SAGE Publications Ltd STM, vol. 19, p. 408-423 – 10.1177/002199838501900502 (1985).

  • (4) - GRIFFIS (C.A.), NEMES (J.A.), STONESIFER (F.R.), CHANG (C.I.) -   Degradation in Strength of Laminated Composites Subjected to Intense Heating and Mechanical Loading.  -  Journal of Composite Materials, vol. 20, p. 216-235 – 10.1177/002199838602000301 (1986).

  • (5) - MILKE (J.A.), VIZZINI (A.J.) -   Thermal response of fire-exposed composites.  -  Journal of Composites,...

NORMES

  • Federal Aviation Regulations (FAR) standard – Powerplant Installation and Propulsion System Component Fire Protection Test Methods, Standards and Criteria with Change. - FAA AC20-135 - 1990

  • Aéronefs : méthode d'essai en environnement des équipements embarqués – Tenue au feu dans les zones désignées « zones de feu ». - ISO 2685 - 1998

  • Federal Aviation Regulations (FAR) standard – Fire Test to aircraft material – test method Department of transportation, Federal Aviation Administration Regulations for Compartment Interiors. - FAR.25.853 -

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