Étude expérimentale du comportement au feu de matériaux composites synthétiques et biosourcés impactées par une densité de flux de chaleur à moyenne et grande échelle.

Experimental study of the fire behavior of synthetic and bio-sourced composite materials impacted by heat flux density on a medium and large scale.

• Auteur / Autrice : Raphael Ogabi
• Direction : Khaled Chetehouna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 29/01/2024
• Etablissement(s) : Bourges, INSA Centre Val de Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Serge Bourbigot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khaled Chetehouna, Serge Bourbigot, Gaëlle Fontaine, Éric Guillaume, Thomas Rogaume, Olivier Vauquelin, Brady Manescau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaëlle Fontaine, Éric Guillaume
• DOI : 10.70675/692298d4z55abz472cz80bez179d15e6fe04

Mots clés

Mots clés libres

Brûleur NexGen

Cône Calorimètre

Propriétés thermiques

Matériaux composites

Matériaux biosourcés

Essai au feu

NexGen Burner

Cone calorimeter

Thermal properties

Composite materials

Biosourced materials

Fire test

Résumé

Dans le but d'améliorer la compréhension du comportement au feu des matériaux composites synthétiques et biosourcés, l'objectif de cette thèse vise à mettre en évidence des phénomènes physico-chimiques en rapport avec la sécurité incendie pour des matériaux pouvant être utilisés dans des applications aéronautiques et/ou automobiles. Dans ce contexte, une partie des tests expérimentaux a été réalisée à l'aide du brûleur NexGen développé suivant les exigences de la FAA afin de réaliser des tests de certification au feu. La deuxième partie des résultats a été obtenue à l’aide d’un cône calorimètre dans le but de mettre en évidence le comportement au feu des matériaux composites à moyenne échelle. En plus des tests de certification au feu, la présente étude de recherche s’est intéressée au développement de matériaux composites biosourcés. En effet, en considérant le caractère non biodégradable des matériaux composites synthétiques tels que le carbone-PEKK, le carbone-BMI et le carbone-phénolique, le manque de travaux traitant du sujet et la problématique du réchauffement climatique, cette thèse propose une caractérisation physico-chimique de matériaux composites biosourcés soumis à différentes densités de flux de chaleur. Les matériaux composites biosourcés fabriqués dans le cadre de cette thèse sont constitués de fibres de lin et de fibres de banane ; fabriqués selon la méthode VARTM. Dans le but d’améliorer les propriétés thermo-physiques de ces matériaux pour augmenter leurs performances du point de vue sécurité incendie, une couche supplémentaire de retardateur de flamme a été appliquée sur la surface de ces derniers. Pour l’étude de dégradation thermique des matériaux biosourcés, trois densités de flux de chaleur ont été utilisés notamment 20, 35 et 50 kW/m². L’étude paramétrique s’est focalisée sur l'indice de performance du feu, l'indice de croissance du feu, la perte de masse, le débit de pyrolyse, la température de surface de la face arrière et de la face avant de l’échantillon et les émissions gazeuses obtenues pour chaque configuration de tests.À l’aide des résultats, il est montré que pour la configuration caractérisée par la flamme la plus intense, le matériau composite carbone-PEKK est le plus stable thermiquement. De plus, pour les trois flux de chaleurs étudiés, les matériaux composites biosourcés présentent des comportement thermo-physiques différents. En effet, à moyenne échelle, les matériaux à base de fibres de lin présentent des propriétés thermiques supérieures à celles à de matériaux à base de fibres de banane. Cependant, à grande échelle, l’observation opposée a été mise en évidence. Il en ressort que les propriétés thermiques des matériaux biosourcés dépendent fortement de leur taille.

With the aim of improving the understanding of the fire behavior of synthetic and bio-sourced composite materials, the objective of this thesis is to highlight physicochemical phenomena related to fire safety for materials that can be used in applications of aeronautics and/or automobiles. In this context, part of the experimental tests was carried out using the NexGen burner developed according to FAA requirements to carry out fire certification tests. The second part of the results was obtained using a cone calorimeter to assess the fire behavior of composite materials on a medium scale. In addition to fire certification tests, this research study focused on the development of bio-sourced composite materials. Indeed, considering the non-biodegradable nature of synthetic composite materials such as carbon-PEKK, carbon-BMI, and carbon-phenolic, the lack of work dealing with the subject and the problem of global warming, this thesis proposes a physical characterization -chemical of bio-sourced composite materials subjected to different heat flow densities. The bio-sourced composite materials manufactured as part of this thesis consist of flax fibers and banana fibers; manufactured using the VARTM method. To improve the thermo-physical properties of these materials to increase their performance from a fire safety point of view, an additional layer of flame retardant was applied to their surface. For the study of the thermal degradation of bio-sourced materials, three heat flow densities were used, notably 20, 35, and 50 kW/m². The parametric study focused on the fire performance index, the fire growth index, the mass loss, the pyrolysis flow rate, the surface temperature of the rear face and the front face of the sample, and the gaseous emissions obtained for each test configuration. Using the results, it is shown that for the configuration characterized by the most intense flame, the carbon-PEKK composite material is the most thermally stable. In addition, for the three heat flows studied, the bio-sourced composite materials present different thermo-physical behavior. Indeed, on a medium scale, materials based on flax fibers have thermal properties superior to those of materials based on banana fibers. However, on a large scale, the opposite observation was highlighted. It appears that the thermal properties of bio-sourced materials strongly depend on their size.