Modélisation de la pyrolyse des matériaux composites : Application au bois et composite carbone/époxy

Modeling Study of Pyrolysis of Composite Materials : Application to Wood and Carbon/Epoxy Composite

• Auteur / Autrice : Xiaowen Qin
• Direction : Thomas Rogaume, Benjamin Batiot, Franck Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 04/02/2021
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Boulet, Jean Lachaud, Virginie Drean
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Coppalle, Bernard Porterie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de masse

Transfert de chaleur

Simulation, Méthodes de

Pyrolyse

Incendies -- Prévention

Composites

Calorimètres

Combustion

Bois

Mots clés libres

Composite carbone/époxy

Analyse thermogravimétrique

Loi de Darcy

Loi d'Arrhenius

Carbon/epoxy composite

Thermogravimetric analysis

Darcy's law

Arrhenius equation

Résumé

Les matériaux composites prennent une place importante dans les applications industrielles ou plus largement dans notre vie courante. Les composites synthétiques substituent les matériaux métalliques en raison du gain de poids pour des propriétés mécaniques identiques. Ce type de matériaux est largement répandu dans les domaines du transport et du stockage de l’énergie. Les composites naturels (bois) sont également très utilisés notamment dans le domaine de l’habitat. L’inconvénient de ces matériaux réside dans leur difficulté à maintenir leurs caractéristiques mécaniques en cas d’incendie ; l’étude de leur tenue au feu est donc un enjeu majeur. Ce travail de thèse vise à développer un modèle numérique de décomposition d’un matériau composite soumis à un flux de chaleur. La simulation de différents cas d’attaque thermique permet d’étudier les interactions entre les processus de transferts de masses, de chaleur et de réactions chimiques au sein du solide. Le modèle développé, 3D décrit les transports au sein des pores du matériau à l’échelle de Darcy. Le transfert de chaleur par conduction est écrit sous forme tensoriel permettant de définir des conductivités dans les 3 directions de l’espace. Pour les 2 types de matériaux, un schéma réactionnel multi-étapes est défini afin de décrire le processus de pyrolyse. Les essais en cône calorimètre qui ont servi à développer le modèle ont été réalisées sous atmosphère inertes (N2) ce qui permet « d’éliminer » la présence de la flamme à la surface du matériau ainsi que les réactions hétérogènes pouvant se produire en présence d’oxygène. Les conditions aux limites définis sont donc plus simples et mieux maitrisées car le caractère instationnaire de la flamme n’est pas pris en compte. Les schémas réactionnels se composent donc uniquement des réactions de pyrolyse excluant ainsi toutes réactions hétérogènes. Les gaz de pyrolyse sont assimilés à un gaz inerte. Les réactions intra-pores sont donc négligées et l’hypothèse de l’équilibre thermique locale entre les phases solides et le gaz environnant est assumée. La construction du modèle décomposition thermique des 2 types de matériaux suit une démarche de séparation des échelles. Les différents processus de transport de chaleur, de masses et de réactions chimiques sont étudiés séparément afin de s’affranchir des interactions et de valider séparément les modèles. Le modèle global est ensuite reconstruit afin de tenir compte de ces interactions. La dégradation thermique est d’abord étudiée à une échelle « 0D » afin de développer les schémas réactionnels. L’Analyse Thermogravimétrique est alors utilisée à cette étape ou des expériences sont conduites à différentes vitesses de chauffage sous atmosphère inerte. Les phénomènes de transports au sein de la particule solide peuvent être négligés, la température de la particule est homogène et sa dynamique est connue. A cette étape, seul le processus de pyrolyse est mis en jeu. Les différentes familles de réactions sont identifiées et décrites au sein du modèle par des réactions apparentes de type Arrhenius. Les constantes cinétiques sont calculées par des méthodes mathématiques inverses. L’influence de la vitesse de chauffage sur le processus de pyrolyse est analysée. Une simulation 2D est réalisée à 2 vitesses de chauffages afin d’analyser l’évolution des gradients thermiques et de pression au sein de la particule. Les phénomènes de transports de chaleur et de masses sont pris en compte à l’échelle du matériau et étudiés par des expériences réalisées en cône calorimètre. A cette échelle, les phénomènes de transports de masses et de chaleur sont calculés. Des simulations sont réalisées pour 2 flux de chaleurs. Les interactions entre les processus de transport de masses, de chaleur et de pyrolyse sont étudiées en analysant les échelles locales de temps et de longueurs afin d’identifier quels sont les phénomènes limitant sur le processus global de décomposition thermique.

Composite materials occupy a critical position in industrial applications or more broadly in our daily life. Synthetic composites substitute metallic materials due to their lightweight properties to achieve identical mechanical performance. They are widely used in the fields of energy transportation and storage. Natural composites (wood) are also widely used, especially in construction industry. The disadvantage of these materials involves the disability in maintaining their mechanical characteristics in a fire scenario, and the study of their fire resistance is therefore a major issue. This thesis aims to develop a mathematical model of thermal decomposition of composite materials subjected to different heating conditions. The simulations of different cases of thermal decomposition make it possible to study the interactions among the processes of heat and mass transfer as well as chemical reactions within the solid. The developed 3D model describes the gas transport within the pores of materials at the Darcy scale. Thermal conductivity is formulated in a tensor form allowing the definition of heat transfer in three directions of the domain. For the two types of materials, a multi-step reaction scheme is defined to describe the pyrolysis process. The cone calorimeter tests used to validate the model were carried out under an inert atmosphere (Nitrogen) which makes it possible to eliminate the presence of flame on the material surface as well as the heterogeneous reactions which can occur in the presence of oxygen. Therefore, the defined boundary conditions are quite simple and well-controlled to characterize without considering the unsteady flame. Pyrolysis gasses are assembled into inert gas, therefore, the gas reactions in the pore are neglected and the local thermal equilibrium between the solid and gas phase is assumed. The implementation of this pyrolysis model follows a scale separation process with two types of materials. The different heat and mass transfer processes, as well as chemical reactions, are studied separately to avoid the interactions, then the model is reconstructed to take these interactions into account. The pyrolysis behavior is firstly studied at a "0D" scale to develop the part of chemical reactions. The thermogravimetric analysis (TGA) is used at this scale and related experiments are conducted at different heating rates under an inert atmosphere. At this scale, only the chemical reactions are involved with known kinetics, and the heat and mass transport within the solid can be neglected with homogeneous temperature distribution. The different chemical reactions are described with the Arrhenius-type equation. The kinetic parameters are calculated by the inverse modeling method. The influence of the heating rate on the pyrolysis process is analyzed and 2D simulations are conducted at two heating rates to analyze the evolution of thermal and pressure gradients within the solid. The phenomena of heat and mass transport are considered and studied by bench-scale experiments which are conducted in the cone calorimeter. The corresponding simulations are implemented under two heat flux. The interactions among the heat and mass transport as well as chemical reaction processes are studied by analyzing the local time and length scales to identify what are the dominant phenomena through the whole pyrolysis process.