Investigation du potentiel de Fonctionnalisation Piézoélectrique de pièces Aéronautiques Composites

Investigation of the Piezoelectric Functionalization Potential of Aeronautical Composite Parts

• Auteur / Autrice : Rogers Kipkoech Langat
• Direction : Micky Rakotondrabe, Arthur Cantarel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes embarqués
• Date : Soutenance le 14/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Ruffier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Micky Rakotondrabe, Arthur Cantarel, Franck Ruffier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Viviane Pasqui-Boutard, Morvan Ouisse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Construction

Matériaux

Aéronautique -- Recherche

Mots clés libres

Piézoélectrique

Composites

Fonctionnalisation

Structures

Capteurs

Actionneurs

Piezoelectric

Composites

Functionalization

Structures

Sensors

Actuators

Résumé

Cette thèse porte sur l'intégration de matériaux piézoélectriques dans des structures composites renforcées de fibres longues afin de développer des composites intelligents dotés de fonctionnalités avancées pour des applications aéronautiques et spatiales. La recherche vise à améliorer la surveillance de l’intégrité structurelle (SHM) et les capacités de récupération d'énergie grâce aux propriétés des matériaux piézoélectriques pour la détection, l'actionnement et la récupération d'énergie. L'étude couvre de manière exhaustive la sélection des matériaux, les processus de fabrication, la caractérisation expérimentale de ces composites multifonctionnels et l'exploration de leurs applications potentielles. La motivation provient de la transition de l'industrie aéronautique vers des matériaux composites tels que les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) pour leurs propriétés mécaniques spécifiques supérieures et leur rentabilité. Malgré ces avantages, les composites sont susceptibles d'être endommagés par des défauts de fabrication et des conditions d'exploitation ou de service, ce qui nécessite des techniques de surveillance innovantes. L'introduction de méthodes de contrôle non destructif (CND) a amélioré la détection des défauts, mais ces techniques ont des limites, ce qui incite à explorer des stratégies SHM. Cette thèse contribue au domaine en développant en validant des structures composites intelligentes incorporant du fluorure de polyvinylidène (PVDF) comme matériau piézoélectrique. La recherche démontre l'intégration réussie du PVDF avec un impact minimal sur l'intégrité mécanique des structures composites. La plage d’utilisation de ces composites intelligents avec des performances thermoélectromécaniques stables, ce qui est crucial pour les applications pratiques en SHM et en récupération d'énergie à également été déterminée. Le potentiel des fibres naturelles dans les structures aérospatiales secondaires est également exploré, en soulignant leurs avantages fonctionnels malgré leurs propriétés mécaniques inférieures à celles des fibres de carbone. Les applications avancées de ces composites intelligents sont étudiées, notamment leurs capacités de récupération d'énergie et leurs performances SHM dans des conditions de charge dynamique. Des analyses empiriques et numériques confirment l'efficacité des capteurs PVDF intégrés dans la détection des anomalies structurelles, offrant ainsi une solution potentielle durable pour les systèmes SHM autonomes. Une étude de cas utilisant des techniques d'apprentissage automatique pour la détection et l'identification des défauts démontre en outre le potentiel de ces composites intelligents dans l'amélioration de la fiabilité et de la performance des systèmes SHM via une approche de détection in situ. Par conséquent, cette thèse établit une base solide pour le développement de composites intelligents avec des capteurs piézoélectriques intégrés, mettant en évidence leur potentiel de transformation pour améliorer la sécurité, l'efficacité et la durabilité des aérostructures modernes. Les résultats ouvrent la voie à de futures recherches sur l'optimisation des dimensions et du positionnement des éléments actifs, l'évaluation de la durabilité à long terme et l'amélioration des systèmes SHM grâce à des réseaux de capteurs distribués et à des capacités de transmission de données sans fil.

This thesis investigates integrating piezoelectric materials into long fiber-reinforced composite structures to develop smart composites with advanced functionalities for aeronautics and space applications. The research aims to enhance structural health monitoring (SHM) and energy harvesting capabilities through piezoelectric materials' direct and inverse properties for sensing, actuation, and energy recovery. The study comprehensively covers material selection, manufacturing processes, the experimental characterization of these multifunctional composites, and the exploration of their potential applications. The motivation stems from the aviation industry's transition to composite materials like carbon fiber reinforced polymers (CFRP) for their superior mechanical properties and cost effectiveness. Despite these advantages, composites are prone to damage from fabrication flaws and operation/service conditions, necessitating innovative monitoring techniques. Introducing non-destructive testing (NDT) methods have improved defect detection, but these techniques have limitations, prompting exploring SHM strategies. The thesis contributes to the field by developing and validating smart composite structures incorporating polyvinylidene fluoride (PVDF) as the piezoelectric material. The research demonstrates the successful integration of PVDF with minimal impact on the mechanical integrity of the composites. The usage range of these smart composites with stable thermoelectromechanical performance, which is crucial for practical applications in SHM and energy harvesting, was also determined. The potential for natural fibers in secondary aerospace structures is also explored, emphasizing their functional benefits despite their lower mechanical properties compared to carbon fibers. Advanced applications of these smart composites are investigated, including their energy harvesting capabilities and SHM performance under dynamic loading conditions. Empirical and numerical analyses confirm the effectiveness of embedded PVDF sensors in detecting structural anomalies, offering a sustainable potential solution for autonomous SHM systems. A case study employing machine learning techniques for fault detection and identification further demonstrates the potential of smart composites in enhancing the reliability and performance of SHM systems via an in-situ sensing approach. Therefore, this thesis establishes a robust foundation for developing smart composites with embedded piezoelectric sensors, highlighting their transformative potential in improving modern aerostructure safety, efficiency, and sustainability. The findings pave the way for future research into optimizing the dimensions and positioning of active embeds, assessing long-term durability, and advancing SHM systems through distributed sensor networks and wireless data streaming capabilities.