Etude du procédé de densification par caléfaction de composites C/C, modélisation, optimatisation du contrôle et du bilan énergétique

Study of the film-boiling infiltration process of C/C composites; modelling, control and energy balance optimisations

• Auteur / Autrice : Christian Klein
• Direction : Gérard Louis Vignoles, Yves Du Terrail Couvat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 15/12/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : LCTS Laboratoire des Composites Thermostructuraux
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Bonnamy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Louis Vignoles, Yves Du Terrail Couvat, Sylvie Bonnamy, Frédéric Topin, Jean-Marc Dedulle, Cédric Descamps, Pascale Jacquemard, Pierre-Yvan Thery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Topin, Jean-Marc Dedulle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions

Densification par caléfaction

Densification par voie liquide

Infiltration chimique en phase vapeur

Induction électromagnétique

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Composites C/C

Modélisation de procédé

Ébullition en milieu poreux

Chauffage inductif radio-fréquence

C/C Composites

Process modelling

Boiling in porous media

Radio-frequency inductive heating

Résumé

Le présent travail est réalisé dans le cadre de l’étude d’un procédé industriel de densification de matériaux composites carbone/carbone (C/C) destinés aux freins d’avion. Une préforme poreuse de fibres de carbone baigne dans un précurseur liquide et elle est chauffée par induction électromagnétique radio-fréquence. Le précurseur porté à ébullition dans l’espace poral crée un dépôt de carbone dans les zones les plus chaudes ; ce dépôt constitue la matrice du composite. On propose une modélisation physico-chimique de ce procédé afin d’en assurer le contrôle et l’optimisation. Le travail a consisté à développer un solveur couplant l’induction électromagnétique avec les transferts de masse, de chaleur, de mouvement et d’espèces chimiques, en incluant l’ébullition et le dépôt chimique. Le modèle inclut le circuit électrique complet permettant d’effectuer le chauffage : il permet donc de suivre en temps réel et de façon non destructive l’avancement de la densification par l’évolution des grandeurs électriques. Une formulation originale adaptée à la représentation simultanée du liquide, du gaz et de la zone en ébullition a été développée et implémentée avec succès dans un logiciel commercial d’éléments finis. Les résultats de la simulation sont comparés avec les données obtenues sur le moyen expérimental, avec un bon accord. Enfin, la simulation est utilisée pour proposer des pistes d’amélioration du procédé, en altérant la géométrie du dispositif de chauffage par induction et en modifiant la stratégie de pilotage en puissance.

This work has been carried out in the frame of the study of an industrial process for the manufacturing of carbon/carbon (C/C) composite aircraft brake discs. A porous preform made of carbon fibres is immersed in a liquid precursor and is heated by Radio-Frequency electromagnetic induction. The boiling precursor enters the porous preform and yields a carbon deposit in the hottest zones; this deposit will be the carbon matrix of the composite. A physico-chemical process model is proposed in the aim of ensuring its control and optimisation. The work consisted in developing a numerical solver coupling electromagnetic induction heating with heat, mass and species balances accounting for boiling, diffusion and chemical deposition reactions. The model includes the complete electrical circuit of the heating device: it therefore allows real-time, non-destructive monitoring of the infiltration progress through the evolution of the electrical properties. An original formulation has been designed to simultaneously describe the liquid, the gas and the boiling zone; it has been implemented in a commercial Finite Element software package and validated physically with respect to experimental data, with a good agreement. Finally, the simulation software has been used to propose directions for process improvements, through alterations of the inductive heating device geometry or of the heating power supply program.