Caractérisation des couplages aéro-thermo-mécaniques lors d’un vieillissement par thermo-oxydation de composites à matrice polymère soumis à un écoulement rapide et chauffé

Aero-Thermo-Chemico-Mechanical Couplings Occuring During Thermo-Oxidation Aging of Polymer Matrix Composite Under High-Speed Heated Air Flow

• Auteur / Autrice : Aurélien Doriat
• Direction : Marco Gigliotti, Marianne Béringhier, Gildas Lalizel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime [UPR 3346] / PPrime [Poitiers]
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Colin, Matteo Minervino, Béatrice Patte-Rouland
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Jacquemin, Angela Vincenti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Polymères -- Détérioration

Interaction fluide-structure

Indentation des matériaux

Durée de vie (ingénierie)

Propriétés mécaniques

Composites polymères

Effets de la température

Composites à fibres de carbone

Colorimétrie

Air -- Écoulement

Mots clés libres

Thermo-oxydation

Réseaux neuronaux basés sur la physique

Thermo-oxidation

Physics-informed neural networks

Résumé

Les matériaux composites à matrice organique renforcés de fibres de carbone (CFRP) sont largement utilisés dans les structures aéronautiques froides. Dans les applications de moteurs aéronautiques, comme les aubes de FAN, ces matériaux peuvent être soumis à des conditions environnementales particulièrement sévères, avec des températures pouvant atteindre 120°C et une vitesse d’écoulement proche de Mach 1.Il est bien établi que les polymères époxy sont sujets à des phénomènes de thermo-oxydation lorsqu’ils sont exposés à des températures élevées. Ce phénomène implique la diffusion et la réaction de l’oxygène au sein du polymère, entraînant des changements de couleur, une antiplasticisation du matériau, une fragilisation. Jusqu’à présent, les essais de vieillissement ont été principalement effectués dans des fours à air statique, fournissant une compréhension détaillée du phénomène dans ces conditions. Cependant, l’impact de l’écoulement d’air sur la thermo-oxydation reste à explorer. Cette étude vise ainsi à approfondir la compréhension du couplage entre l’écoulement d’air et la dégradation du matériau par thermo-oxydation. Des échantillons ont été vieillis dans un four sous air à pression atmosphérique et dans la soufflerie BATH, adaptée pour ces essais et capable de générer un écoulement d’air à plus de 150 ◦C et Mach 1, reproduisant ainsi les conditions d’usage les plus sévère rencontrées dans des moteurs d’avion. Cette comparaison entre essai en four et soufflerie a montré une accélération du vieillissement en soufflerie. Pour obtenir ce résultat, une technique expérimentale basée sur le changement de couleur induit par l’oxydation a été développée et utilisée. Cette technique a été validée avec des essais d’indentation. Avec cette meilleure compréhension de l’accélération du vieillissement, un modèle couplé entre l’écoulement, la chimie de l’oxydation et les changements de propriétés mécaniques a été mis en place afin de mieux comprendre les mécanismes à l’interface. Cette modélisation comprends trois étapes. Les champs de pression et de température à la surface de l’échantillon ont été calculés par simulation fluide moyennée (RANS). Puis, un modèle mécanistique a été utilisé décrivant les réactions chimiques lors de l’oxydation. Enfin, sur la base des mesures de couleur, un réseau de neurones informé par la physique (PINN) a été mis en place pour coupler les quantités chimiques aux propriétés mécaniques.

Carbon fiber-reinforced polymer matrix composites (CFRP) are widely used in cold aeronautical structures. In aeronautical engine applications, such as fan blades, these materials can be subjected to particularly severe environmental conditions, with temperatures reaching up to 120 ◦C and airflow speeds close to Mach 1. It is well established that epoxy polymers are prone to thermo-oxidation phenomena when exposed to high temperatures.This phenomenon involves the diffusion and reaction of oxygen within the polymer, leading to color changes, antiplasticization of the material, and embrittlement. Until now, aging tests have been mainly conducted in static air ovens, providing a detailed understanding of the phenomenon under these conditions. However, the impact of airflow on thermo-oxidation remains to be explored.This study thus aims to deepen the understanding of the coupling between airflow and material degradation due to thermo-oxidation.Samples were aged in an oven under air at atmospheric pressure and in the BATH wind tunnel, adapted for these tests and capable of generating an airflow at over 150 ◦C and Mach 1, thereby reproducing the most severe usage conditions encountered in aircraft engines. This comparison between oven and wind tunnel tests showed an acceleration of aging in the wind tunnel. To achieve this result, an experimental technique based on the color change induced by oxidation was developed and used. This technique was validated with indentation tests. With this improved understanding of the accelerated aging, a coupled model between the airflow, oxidation chemistry, and changes in mechanical properties was established to better understand the interfacial mechanisms. This modeling comprises three steps. The pressure and temperature fields at the sample surface were calculated using Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) fluid simulations. Then, a mechanistic model was used to describe the chemical reactions during oxidation. Finally, based on thecolor measurements, a physics-informed neural network (PINN) was implemented to couple the chemical quantities to the mechanical properties.