Description et modélisation de l’endommagement d’un composite à matrice céramique sous sollicitations thermomécaniques

Description and modeling of the damage to a ceramic matrix composite under thermomechanical stresses

• Auteur / Autrice : Anthony Vassalié
• Direction : Guillaume Couegnat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 19/11/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Baranger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Delphine Brancherie, Anita Catapano, Sébastien Denneulin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Bouvet, Frédéric Laurin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Composites à matrice céramique

Mots clés libres

Composites SiC/SiC

Endommagement

Approche par fibres intégrées

SiC/SiC composites

Damage

Embedded fiber model

Résumé

Les composites à matrice céramique (CMC) présentent un fort intérêt dans le domaine aéronautique grâce à leurs excellentes propriétés thermomécaniques. Ils sont donc envisagés pour remplacer les alliages métalliques dans les parties chaudes des moteurs d'avions civils, afin de concevoir des pièces plus légères, ou permettant d'obtenir de meilleurs rendements. Ces matériaux présentent néanmoins un comportement complexe, notamment à cause de leur structure multi-échelle, architecturée et hétérogène. Dans ce contexte, ces travaux s’intéressent à l’amélioration de la compréhension du comportement mécanique en traction de CMC avec des fibres et une matrice en carbure de silicium, complétée d'une étape de Melt Infiltration (dits SiC/SiC MI). L'objectif est de mieux comprendre l'effet des propriétés des constituants microscopiques sur le comportement macroscopique jusqu'à rupture, via deux axes distincts mais complémentaires : la caractérisation mécanique de l'endommagement de ces CMC et leur modélisation par une méthode éléments finis. Dans une première partie, des essais de traction multi-instrumentés sont proposés (émissions acoustiques, corrélation d'images numériques, microscopie, etc.), afin d'obtenir une meilleure description des mécanismes à l'échelle du constituant et de leurs effets sur les échelles supérieures. Des caractérisations post-mortem supplémentaires sont également proposées, dans le but d'acquérir des informations sur les propriétés intrinsèques des phases directement à l'échelle microscopique, qui présentent un intérêt majeur pour la mise en place d'un modèle numérique. Ces différentes observations permettent de dresser un scénario d'endommagement jusqu'à rupture pour les matériaux SiC/SiC MI. Dans une seconde partie, une approche de modélisation éléments finis originale, par fibres intégrées, est proposée pour simuler le comportement jusqu'à rupture de ces derniers. En s'appuyant sur les observations expérimentales, les mécanismes d'intérêt sont sélectionnés et représentés dans le modèle, qui intégre le comportement des phases microscopiques directement aux échelles supérieures. Le modèle permet ainsi d'obtenir les mécanismes d'endommagement principaux à ces échelles, validés par les comparaisons essai/calcul, en ne s'appuyant que sur les propriétés des phases microscopiques. Les simulations permettent de mettre en évidence le rôle des différents constituants sur le comportement jusqu'à rupture des SiC/SiC MI, et ouvrent là voie à des travaux futurs sur cette famille de CMC.

Ceramic matrix composites (CMCs) are materials of interest in the field of aeronautic because of their exceptional mechanical properties at elevated temperatures, making them promising candidates to replace metal alloys in high-temperature components of aircraft engines. Nevertheless, these materials also exhibit a complex behavior, especially because they are multi-scale, architectured and heterogeneous. In this context, this work tends to improve the understanding of the mechanical behavior under tension of CMCs composed of fibers and matrix made of silicon carbide, with a Melt Infiltration process (named SiC/SiC MI). To better understand the effects of microscopic phases on the macroscopic behavior until the final failure of the material, two distinct but complementary axis are explored : the mechanical characterizing of the damage of these CMCs and their modelling with a finite element method. Firstly, multi-instrumented tensile tests are carried out (acoustic emissions, digital image correlation, microscope, etc.), to obtain a better description of the phenomenon at micro-scale and their effects on upper scales. Post-mortem characterization are also performed in order to quantify the properties of the microscopic phases, which are of great interest to develop the numerical model. Thus, a damage scenario until the final failure is proposed for SiC/SiC MI materials. In a second part, a genuine finite element model approach, with embedded fiber, is proposed to simulate the mechanical behavior of these materials. Based on experimental observations, mechanisms of interest at micro-scale are selected and implemented in the model directly at upper scales. The developed approach demonstrates the ability to capture both the main damage phenomenon at micro-scale and the meso-scale behavior of CMCs, in good agreement with experimental results, offering a valuable tool for understanding and predicting their mechanical behavior until the final failure, and paving the way for further developments.