Caractérisation et modélisation probabiliste de la rupture fragile de l’AlSi CE9F et d’une alumine cofrittée pour composants embarqués à applications spatiales

Characterization and probabilistic modeling of brittle fracture of AlSi CE9F and a co-fired alumina for on-board components for space applications

• Auteur / Autrice : Damien Mauduit
• Direction : Thierry Cutard, Gilles Dusserre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 21/10/2016
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Michel Boussuge
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Cutard, Gilles Dusserre, Éric Martin, Jean-Jacques Blandin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Martin, Jean-Jacques Blandin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Véhicules spatiaux

Éléments finis, Méthode des

Weibull, Loi de

Rupture, Mécanique de la

Mots clés libres

Rupture fragile

Analyse thermoélastique

Modèle de Weibull

Eléments finis

Applications spatiales

Brittle behaviour

Thermoelastic analysis

Weibull's model

Finite elements

Space applications

Résumé

La démarche actuelle des industries aérospatiales est de diminuer le coût de lancement des engins spatiaux par une réduction de la masse des composants. Dans l’optique de cette démarche, de nouveaux matériaux sont élaborés et permettent de satisfaire aux exigences de densification, de dissipation thermique et de réduction de masse des équipements électroniques embarqués dans les satellites. Cette thèse est une contribution à l’étude de deux de ces matériaux, l’AlSi CE9F et une nuance d’alumine cofrittée à température, destinés à réaliser des boitiers hybrides de protections de composants électroniques, initialement conçus en Kovar. Les objectifs sont d’affiner les connaissances sur propriétés mécaniques des deux matériaux et de mettre en place des règles de conceptions propres à leurs comportements mécaniques. En effet, l’AlSi CE9F et l’alumine ont un comportement à rupture fragile. La détermination de leurs résistances à la rupture est alors réalisée dans le cadre de la théorie de Weibull. Des séries d’essais de flexion quatre points et trois points sont effectués. Elles permettent d’identifier les paramètres de Weibull des deux matériaux à température ambiante et de mettre en évidence les effets de volume. L’étude expérimentale est poursuivie sur l’AlSi CE9F afin de déterminer l’influence de la température sur ses propriétés mécaniques à travers deux approches. La première s’intéresse à une variation monotone de la température et la seconde à des cycles thermiques entre -50 et 125°C. Si la première étude ne montre qu’une faible évolution du module d’élasticité, la seconde démontre que les cycles thermiques contribuent à l’amélioration de la résistance à la rupture de l’AlSi CE9F. Cette augmentation de la contrainte à la rupture se traduit également par une évolution de sa microstructure. Dans un second temps, un modèle de Weibull est numériquement mis en place à partir des paramètres identifiés et du critère de la contrainte équivalente de Freudenthal. Ce critère est analysé et validé à travers l’étude de trois éprouvettes en AlSi CE9F à chargements complexes. Le modèle validé est enfin utilisé pour décrire le comportement mécanique de deux composants dans différentes configurations de sollicitation, réalisés respectivement en alumine HTCC et en AlSi CE9F. Une méthodologie de dimensionnement est alors mise en place et permettra de disposer de nouvelles règles de conception équivalentes à celles existant sur les matériaux classiques.

The aerospace companies currently want to decrease the price of spacecraft launching with a reduction of the mass components. New materials were recently developed to satisfy the rising requirements of thermal dissipation, densification and weight decrease of on-board electronic equipment intended to satellite. This thesis is a contribution to the characterization of two of these innovative materials: AlSi CE9F and a grade of alumina HTCC. These materials are designed to manufacture hybrid boxes for computing chips, originally made in Kovar. The objectives are to improve the mechanical properties knowledge of these materials and to develop a know-how design specific to their mechanical behaviours. Indeed, AlSi CE9F and alumina have brittle fracture behaviour. The strength analysis is also realized in connection with the Weibull theory. The Weibull’s parameters are identified from the four points and three points bending strength and the volume effects are highlighted. The experimental study is completed by the analysis of the temperature influence on the mechanical properties of AlSi CE9F through two approaches. The first one considers a monotonic variation of temperature and shows a minor evolution of the elastic modulus. The second one proves that thermal cycles between -50 and 125°C improve the strength value of AlSi CE9F. This increase is also reflected by an evolution of its microstructure. Secondly, a Weibull’s model is numerically established based on identified parameters and the Freudenthal’s equivalent stress criterion. The Freudenthal’s criterion is analysed and confirmed through the study of complex loading samples made in AlSi CE9F. The confirmed model is finally used to describe the mechanical behaviours of two components respectively made in AlSi CE9F and alumina HTCC, thoroughly in several loading configurations. A design methodology is developed and will bring new rules in modelling and design, closed to those existing in conventional materials.