Étude du comportement mécanique de céramiques poreuses renforcées sous sollicitations sévères

Study of the mechanical behaviour of reinforced porous ceramics under severe loads

• Auteur / Autrice : Quentin Henry
• Direction : Philippe Viot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DuMAS : Durabilité des Matériaux, Assemblages et Structures
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés libres

Comportement

Mécanique

Céramique

Poreuse

Renforcée

Dynamique

Behavior

Mechanic

Ceramic

Porous

Reinforced

Dynamic

Résumé

Introduction: Dans le cadre du développement de protections des structures mobiles (systèmes de transports spatiaux, satellites, systèmes de transports aéronautiques, radômes, chars blindés...) ou des solutions de protection des personnels face à des agressions mécaniques accidentelles ou opérationnelles, les industriels recherchent en permanence à améliorer le rapport résistance mécanique/masse des protections embarquées. Bien souvent, cela conduit à rechercher des densités des matériaux constitutifs les plus faibles possibles pour ces structures tout en maintenant des performances mécaniques suffisantes. Les céramiques polycristallines présentent un intérêt particulier bien reconnu à ce jour car elles combinent des qualités de légèreté et de hautes performances mécaniques en compression, leur permettant de dissiper l'énergie mécanique accumulée lors d'un impact. L'introduction de porosités dans ces matériaux permet des gains de masse substantiels, tout en maintenant des propriétés mécaniques adaptées à certaines sollicitations. Le projet ceramod2: Le projet CERAMOD2 déposé à la région Nouvelle Aquitaine en février 2021 entre l'I2M, le CEA-CESTA, le Centre de Transfert de Technologies Céramiques (CTTC) et la PME Galtenco cherche à mettre au point des outils de simulation numériques prédictifs du comportement mécanique de céramiques poreuses à deux échelles d'observation (micrométriques et nanométriques) renforcées sous sollicitations dynamiques. Ces simulations doivent conduire à l'optimisation du matériau constitutif avec des préconisations concernant la densité intrinsèque, la microstructure, c'est-à-dire les caractéristiques des grains et porosités (morphologie, taille, distribution, répartition, interconnexion...) et celles des renforts (taux de renforts, morphologie, taille, distribution, orientation…). Objectif de la thèse: L'objectif de la thèse est d'identifier le comportement mécanique et les lois de comportement qui en découlent d'un matériau quasi-fragile hétérogène à faible échelle soumis à des vitesses de déformation importantes. Le travail réalisé par le doctorant aura une forte dominante expérimentale. Il sera question de réaliser des essais de caractérisation (compression quasi-statique et dynamique), de fissuration (essais CT et Brésilien en quasi-statique et dynamique) et de validation (impact sur tranche par exemple). L'ensemble des paramètres identifiés permettront d'alimenter un modèle de comportement qui sera mis au point par un post-doctorant dans le cadre du projet CERAMOD2. Les comportements élastique et inélastique (endommagement/rupture majoritairement) des matériaux fabriqués par Galtenco et le CTTC seront caractérisés sur une large plage de vitesses de déformation (10−2 à 105 s −1). Une attention particulière sera portée sur le lien microstructure-propriétés. En effet, la structure multi-échelles des céramiques poreuses renforcées sera caractérisée finement par microscopie optique/électronique en 2D et micro-tomographie en 3D. Elle sera mise en regard des propriétés mécaniques (module d'élasticité, ténacité). Des essais n-situ micro-tomographe pourront être envisagés en fonction des besoins de compréhension et du modèle pour évaluer le développement de l'endommagement en lien avec la microstructure et la sollicitation mécanique. In-fine le modèle développé par le post-doctorant sera éprouvé avec un essai de validation sous sollicitation sévère, un essai d'impact sur tranche par exemple.

Introduction: In the context of the development of protection for mobile structures (space transport systems, satellites, aeronautical transport systems, radomes, armoured tanks, etc.) or solutions for the protection of personnel against accidental or operational mechanical aggression, manufacturers are constantly seeking to improve the mechanical strength/mass ratio of on-board protection. Most of the time, this leads to seeking the lowest density of constituent materials for these structures while maintaining sufficient mechanical performance. Polycrystalline ceramics have a particular interest and are recognised to combine lightness and high mechanical performance in compression, enabling them to dissipate the mechanical energy accumulated during an impact. The introduction of porosities in these materials allows decrease the weight, while maintaining sufficient mechanical properties to special stresses. The CERAMOD2 project: The CERAMOD2 project was submitted to the Nouvelle Aquitaine region in February 2021. This project is a scientific collaboration between I2M, CEA-CESTA, the Ceramic Technology Transfer Centre (CTTC) and the SME Galtenco seeking to develop predictive numerical simulation tools of the mechanical behaviour of porous ceramics reinforced under dynamic loads. These simulations have to lead to the optimisation of constituent materials with recommendations concerning the intrinsic density, the microstructure, i.e. the characteristics of the grains and porosities (morphology, size, distribution, interconnection, etc.) and those of the reinforcements (rate of reinforcement, morphology, size, distribution, orientation, etc.). Aim of the thesis: The objective of the thesis is to identify the mechanical behaviour and the resulting laws of behaviour of heterogeneous quasi-fragile material subjected to high strain rates. The work carried out by the PhD student will have a strong experimental component. It will be necessary to carry out characterisation tests (quasi-static and dynamic compression), cracking tests (quasi-static and dynamic CT and Brazilian tests) and validation tests (impact on a slice). All of the parameters identified will be used to feed the numerical model that will be developed by a post-doctoral student as part of the CERAMOD2 project. The elastic and inelastic behaviour (mainly damage/breakage) of the materials manufactured by Galtenco and the CTTC will be characterised over a wide range of strain rates (10-2 to 105 s -1). A particular attention will be paid to the microstructure-properties link. Indeed, the multi-scale structure of reinforced porous ceramics will be characterised by 2D optical/electronic microscopy and 3D micro-tomography. It will provide )more information on the mechanical properties (modulus of elasticity, toughness). Micro-tomography in-situ tests could be envisaged according to the needs of understanding and the model to evaluate the development of damage in relation to the microstructure and the mechanical stress. In the end, the model developed by the post-doctoral fellow will be tested with a validation test under severe stress, an impact test on a slice for example.