Bibliographie & annexes
Présentation
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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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)
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Benoît VIEILLE : Professeur des universités - INSA Rouen Normandie, Saint-Étienne-du-Rouvray, France
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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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MOTS-CLÉS
Couplage thermomécanique flamme kerosène composites à matrice organique agression thermique
KEYWORDS
Thermomechanical coupling | kerosene flame | polymeric composites | thermal agression
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Essais thermomécaniques dissociés2. Influence d’une agression thermique sur le comportement des CMO
L’agression thermique d’un CMO s’opère en deux phases. Lorsque la température augmente, le matériau commence par subir une dégradation thermique. Définie par la norme ISO 13943 :2017, elle correspond « au processus par lequel l’action de la chaleur (…) cause une détérioration (…) de plusieurs propriétés ». De façon plus générale, elle peut être considérée comme une modification des propriétés thermophysiques et mécaniques liée à la température. Dans un second temps, elle subit une décomposition thermique qui correspond à l’ensemble des mécanismes qui entraîne la modification de sa structure chimique (rupture de chaîne, oxydation, formation de gaz de décomposition, pyrolyse, etc.).
2.1 Dégradation thermique
Pour comprendre l’influence d’une agression thermique (de type flamme ou flux thermique) sur l’intégrité physique et structurelle des composites à matrice organique, il est nécessaire de connaître les températures caractéristiques de la matrice polymère, pour lesquelles cette dernière subit des transformations à l’échelle microscopique (figure 2). La température de transition vitreuse
(qui existe pour tous les polymères) et la température de fusion
(polymères semi-cristallins) sont classiquement caractérisées par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Les températures caractéristiques des matrices les plus fréquemment utilisées dans l’aéronautique sont résumées dans le tableau 1.
Il est ensuite nécessaire de caractériser l’évolution des propriétés thermophysiques (conductivité thermique, capacité calorifique, émissivité, masse volumique) et surtout mécaniques avec la température. Une...
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Influence d’une agression thermique sur le comportement des CMO
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).
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(2) - MOURITZ (A.P.), GIBSON (A.G.) - Fire properties of polymer composite materials. - Springer (Solid mechanics and its applications, v. 143) (2006).
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(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).
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(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,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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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