Modeling of the physico-chemical ablation of carbon-based composites

• Auteur / Autrice : Jean Lachaud
• Direction : Gérard Louis Vignoles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences chimiques. Physicochimie de la matière condensée
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Bordeaux 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Détérioration

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Modélisation de procédés

Transfert de masse

Interfaces mobiles

Réactivité effective

Résumé

Les matériaux composites en carbone sont employés dans des conditions extrêmes : Tokamak, tuyère de fusée, corps de rentrée atmosphérique. Leurs parois subissent alors une récession, appelée ablation, majoritairement due à des phénomènes de gazéification (oxydation, voire sublimation). Ce travail contribue à l'amélioration de la compréhension de l'interaction matériau/environnement et à sa modélisation. Des expériences originales de gazéification ont été réalisées et analysées quantitativement par microscopie, microtomographie et suivi de perte de masse. La structure hétérogène anisotrope des matériaux engendre un comportement complexe qui s’exprime notamment à travers l'acquisition d'une rugosité multiéchelle. La rugosité a guidé l’élaboration d’une stratégie de modélisation s'articulant sur les échelles caractéristiques des matériaux : nanoscopique (plan de graphène), microscopique (fibre, matrice), mésoscopique (fil), macroscopique (composite homogénéisé). A chaque échelle, les modèles intègrent notamment la récession locale de la paroi couplée à un transfert de masse avec changement de phase. Un code de simulation numérique de type Monte-Carlo Marches Aléatoires a été développé, validé et utilisé pour leur résolution. La comparaison modèle/expérience est très probante. Sous des hypothèses validées numériquement, une homogénéisation analytique permet de prévoir la réactivité effective des composites en fonction des propriétés de leurs composants microscopiques en régimes transitoire et établi. Réciproquement, on propose une application du modèle à l’analyse d’échantillons ablatés et à l’extrapolation phénoménologique de leurs propriétés.

Carbon-based composites are used in extreme conditions: Tokamaks, re-entry bodies, nozzle throats. Their walls undergo a surface recession, called ablation, mainly due to some gasification phenomena (oxidation or even sublimation). This work is a contribution to the improvement of the understanding of the near-wall material/environment interaction and to its modeling. Some original gasification experiments have been carried out, modeled, and quantitatively analyzed; a complex multiscale behavior of the materials is observed through their average recession velocity and a surface roughness onset mainly caused by their heterogeneous anisotropic structure. In order to explain these observations, a multiscale modeling strategy has been set up; it follows the characteristic scales of the composites: nanoscopic (carbon texture), microscopic (fiber, inter-fiber matrix), mesoscopic (yarn, inter-yarn matrix), and macroscopic (homogenized composite) scales. The proposed models notably integrate the local recession of the wall, the heterogeneous gasification reactions, and mass transfer. A numerical simulation tool, based on Monte-Carlo Random Walks, has been implemented, validated, and used to solve these models. Under some numerically validated hypotheses, an analytical homogenization provides the effective behavior of the composites as a function of the intrinsic reactivity of their components. The results of these phenomenological models have been validated by comparison to the laboratory experiments and applied for the analysis of actual applications. Physics-based criterions are made available for the choice or the fabrication of ideal materials.