Etude du vieillissement et évaluation de la durée de vie des matériaux polymère et composite thermoplastiques utilisés pour la fabrication de réservoir d'hydrogène à haute pression de type V

Aging study and evaluation of the lifetime of thermoplastic polymers and composite materials used to make type V high-pressure hydrogen storage vessels

• Auteur / Autrice : Clara Penavayre
• Direction : Mohammadali Shirinbayan
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TemPo : Vieillissement des polymères et matériaux organiques
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)

Mots clés

Mots clés libres

Stockage hydrogène

Matériaux composites

Vieillissement

Hydrogen storage

Composite materials

Aging study

Résumé

Le développement de technologies propres hydrogène est un axe prioritaire et représente un intérêt pour accélérer la transition écologique et créer une filière industrielle. Dans cette filière, le stockage de l'hydrogène constitue un défi technologique pour stocker une grande quantité d'hydrogène à haute pression. Dans ces conditions, le réservoir en matériau composite est soumis à des contraintes thermomécaniques : fatigue, variations de température (-40°C à +80°C), fluage haute pression, etc. Il est aussi exposé à des conditions environnementales pouvant conduire à des dégradations. Dans le cadre d'un laboratoire commun ENSAM – AIR LIQUIDE, une étude sera menée à propos de l'effet de ces paramètres sur les matériaux composites pour fabriquer ces réservoirs afin d'estimer leur durée de vie. L'influence de l'oxygène (air) et de l'eau (humidité) en température sera particulièrement étudiée. En effet, ces paramètres peuvent être à l'origine du vieillissement physico-chimique du matériau. Cette étude porte dans un premier temps sur le vieillissement du matériau pendant sa fabrication. Cette étape expose le polymère en température durant plusieurs heures en présence d'oxygène (risque d'oxydation). Cette oxydation peut réduire la durée de vie du réservoir. Bien que probablement moins important, l'effet de l'humidité pendant la fabrication doit être évalué. En effet, la présence d'humidité dans le milieu, à températures élevées et des temps de traitement longs peut aussi conduire à une modification chimique et fragilisation du polymère due à l'hydrolyse. L'étude de l'influence du procédé de fabrication sur les propriétés de l'interface fibre-matrice et de l'interface/interphase entre le liner et le composite sera évaluée. L'ensemble de ces études conduira à des relations paramètres procédé/dégradation qui pourrait conduire à une optimisation des paramètres procédé. Puis, le vieillissement du matériau lors de l'utilisation du réservoir sera étudié. En raison de la présence d'humidité dans l'environnement, le réservoir peut se détériorer à moyen et long terme. L'étude de l'effet de l'eau sur le composite concerne le vieillissement physique (moyen terme) et le vieillissement chimique (long terme). D'une part, les différents phénomènes physiques seront étudiés en fonction de la température : plastification, gonflement, etc. D'autre part, la modification chimique du polymère par hydrolyse sera étudiée. Ensuite, une étude sur l'effet de l'oxydation de la couche externe du réservoir par méthode accélérée pour proposer un modèle prédictif de durée de vie sera menée. Pour finir, le couplage des phénomènes d'oxydation et d'hydrolyse sera observé. Dans le cas où ces deux types de vieillissement se produisent en parallèle, leur effet combiné sur la perméabilité et les propriétés mécaniques du réservoir sera étudié.

The development of green energies such as hydrogen is a current line of research of great interest regarding ecological transition and development of the industrial scale. The hydrogen storage remain a technological challenge when it comes to store great quantities of hydrogen at high pressure. In those conditions, the vessel, made of composite material, undergoes some thermomecanic stresses like fatigue, temperature variations (between -40°C to +80°C), high pressure creep, etc. The composite vessel is also exposed to environmental conditions which may lead to degradation. In the context of a joint laboratory ENSAM – AIR LIQUIDE, a study will be lead on the effect of these parameters on composite materials used to make the high-pressure vessels in order to estimate their lifetime. The influence of oxygen (air) and water (humidity) will be evaluated at high temperature. Indeed, those parameters may conduct to the physico-chemical aging of the material. On the one hand, this study will focus on the aging of the material during its processing. During this step, the polymer is exposed to high temperature for several hours with the presence of oxygen (oxidization risk). The oxidizing process can reduce the lifetime of the vessel. Even if the effect of humidity may be less important, it also has to be evaluated. Indeed, when the temperature is high and the processing time is long, the presence of humidity in the environment can lead to a chemical modification and a weakening of the polymer due to hydrolysis. Furthermore, the manufacturing process influence on the properties at the interface of fiber/matrix and liner/composite will be evaluated. This study will result in an optimization of the process parameters. On the other hand, the aging of the material will be studied during the use of the vessel. Because of the presence of humidity in the environment, the vessel may be damaged at mid and longterm. The study focusing on the effect of water on the composite material is divided into physical aging (midterm deterioration) and chemical aging (longterm deterioration). The first one will concern the effect of different physical phenomenon such as plastification, swelling, etc. The second one will concern the effect of the chemical modification of the polymer material due to hydrolysis. Then, the oxidization of the external layer will be studied by accelerated method in order to give a predictive model of the vessel lifetime. To finish with, the coupling of both penomenon of oxidization and hydrolysis will be studied, particularly their effect on permeability and mecanic properties of the vessel.