Etude et modélisation du comportement mécanique de CMC oxyde/oxyde

Study and modelling of the mechanical behaviour of oxide/oxide CMCs

• Auteur / Autrice : Camélia Ben Ramdane
• Direction : Éric Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 20/06/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France) - Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Guillaumat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florent Bouillon, Aurélie Jankowiak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Rossignol, Michel Boussuge

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Essais dynamiques

Modèles mathématiques

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Détérioration

Propriétés mécaniques

Composites à matrice céramique

Mots clés libres

Composites à matrice céramique

Oxyde

Renforts tissés

Matrice faible

Microstructure

Caractérisation mécanique

CND

Mécanismes d’endommagement

Essais de traction in situ

Modèle d’endommagement

Oxide

Woven fabric reinforcements

Weak matrix

Microstructure

Mechanical characterization

NDT

Damage mechanisms

In situ tensile testing

Damage model

Ceramic matrix composites

Résumé

Les CMC oxyde/oxyde sont de bons candidats pour des applications thermostructurales. Le comportement mécanique et les mécanismes d’endommagement de deux composites alumine/alumine à renforts tissés bi- et tridimensionnels ont été étudiés et comparés. La microstructure de ces CMC à matrice faible a été caractérisée à partir de porosimétrie et de CND, tel que thermographie IR, scan ultrasonore et tomographie X, ce qui a permis de mettre en évidence la présence de défauts initiaux. Le comportement mécanique en traction, ainsi qu’en compression dansle cas du CMC à renfort bidimensionnel, dans la direction des fibres ainsi que dans la direction ±45°, aété étudié à température ambiante. Afin d’exploiter pleinement ces essais, nous avons eu recours à plusieurs méthodes d’extensométrie et de suivi d’endommagement, telles que la thermographie IR et l’émission acoustique. Les propriétés mécaniques à rupture ainsi que le module de Young du CMC à renfort bidimensionnel développé à l’Onera se sont avérées supérieures à celles disponibles dans la littérature. Les mécanismes d’endommagement des matériaux ont été déterminés à partir d’observations post mortem au MEB et d’essais in situ dans un MEB, ce qui a permis d’évaluer la nocivité des défauts initiaux. Enfin, l’étude du comportement mécanique de ces composites a permisde proposer un modèle d’endommagement tridimensionnel qui permettra de poursuivre le développement de ces matériaux grâce à du calcul de structure. A l’issue de cette thèse, des pistes d’amélioration des procédés d’élaboration et de choix d’instrumentation à utiliser pour les futures études, notamment en ce qui concerne le suivi d’endommagement, ont également été proposées.

Oxide/oxide CMCs are good candidates for thermostructural applications. Themechanical behaviour and damage mechanisms of two alumina/alumina composites with two andthree dimensional woven reinforcements were studied and compared. The microstructure of theseweak matrix CMCs was characterized by porosimetry and NDT methods, such as IR thermography,ultrasound scanning and X-ray tomography, which highlighted initial defects. The mechanicalbehaviour was studied through tensile tests, as well as compression tests in the case of the twodimensionalreinforced CMC. These tests were conducted at room temperature, in the fibres directionsand in the ±45° direction. In order to fully exploit these tests, several extensometry and damagemonitoring methods, such as IR thermography and acoustic emission, were used. Young’s moduli andmaximum stresses and strains of the two-dimensional reinforced CMC developed at Onera appearedto be higher than those available in the literature. The damage mechanisms of the materials weredetermined by post mortem SEM observations and in situ testing in a SEM, which made it possible toassess the nocivity of initial defects. Studying the mechanical behaviour of these composites finallyenabled the development of a three-dimensional damage model that will facilitate the furtherdevelopment of such materials, through finite element analysis. Finally, some improvements regardingthe manufacturing processes and the instrumentation for damage monitoring were suggested forfuture studies.