Conception et instrumentation d'essais sur composites CMC, détermination de lois de comportement

Design and instrumentation of tests on CMC composites, determination of consitutive equations

• Auteur / Autrice : Thomas Drouin
• Direction : Frédéric Laurin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/SCES - Service Caractérisations Essais et Simulation
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

CMC Oxyde/Oxyde

Loi de comportement

Tomographie

Composites

Cin

Modélisation

Oxide/Oxide CMC

Constitutive equations

CT-scan

Composites

Dic

Modeling

Résumé

Les matériaux composites à matrice céramiques sont employés pour leur haute résistance mécanique en température (1000°C et plus). Quelle que soit la famille de CMC (oxyde/oxyde, renfort carbone, renfort SiC), ces matériaux fonctionnent par le biais d'un endommagement qui survient dès les premières sollicitations. Pour un grand nombre d'entre eux, le domaine élastique est quasiment inexistant. La détermination de la loi de comportement thermomécanique nécessite l'établissement d'un modèle capable de reproduire ce comportement. La détermination des paramètres de ce modèle demande la mesure la plus complète possible en température du couple contrainte/déformation pour des géométries d'intérêt pour le modèle. Cette mesure est délicate à haute température et pose problème aux techniques usuelles (jauges de déformation, mesure par corrélation optique surfacique). Une solution est d'utiliser la tomographie X qui donne en théorie accès à l'intégralité du champ de déplacement si tant est qu'il soit mesurable, ce point dépendant des contrastes de densité au sein du matériau ainsi que l'amplitude du déplacement.Dans le cadre des travaux de thèse proposés, le candidat aura à mettre au point les mesures de contraintes/déformations sur éprouvettes CMC notamment à l'aide d'une machine d'essais mécaniques implantée sur un tomographe X. Il validera également les mesures de champ de déformation par corrélation d'images volumiques. Les essais, une fois validés à température ambiante, pourront également s'effectuer en température jusqu'à 1000°C. Il s'agira alors de construire les lois de comportement des matériaux étudiés. Celles-ci seront basées sur le modèle dit « ODM » (ONERA Damage Model). La première partie de la thèse consistera à mettre en place un dispositif d'essais mécaniques sous tomographie X en température. Il s'agira de valider la mesure de déplacements par corrélation d'image volumique en la comparant avec d'autres techniques (jauges de déformation, corrélation d'image surfaciques, ...). Dans un second temps l'exploitation des données acquises devra permettre de proposer des lois de comportement en température sur les matériaux CMC étudiés.

Ceramic matrix composites are used for their high mechanical strength at temperature (1000°C and above). Whatever the family of CMCs (oxide/oxide, carbon reinforcement, SiC reinforcement), these materials function by means of damage that occurs at the first stresses. For many of them, the elastic domain is almost non-existent. The determination of the thermomechanical behaviour law requires the establishment of a model capable of reproducing this behaviour. The determination of the parameters of this model requires the most complete measurement possible at temperature of the stress-strain relationship for the geometries of interest for the model. This measurement remains complex at high temperatures and induces problems for the usual techniques (strain gauges, optical surface correlation measurement). One solution is to use X-ray tomography, which theoretically gives access to the entire displacement field, if it can be measured at all. This point depends on the density contrasts within the material as well as the amplitude of the displacement.Within the framework of the proposed thesis work, the candidate will have to develop stress/strain measurements on CMC specimens, in particular with the help of a mechanical testing machine implemented on an X-ray tomograph. He will also validate the strain field measurements by correlation of volume images. Once the tests have been validated at room temperature, they can also be carried out at temperatures up to 1000°C. It will then be necessary to construct the behaviour laws of the materials studied. These will be based on the so-called 'ODM' model (ONERA Damage Model). The first part of the thesis will consist of setting up a mechanical test device under X-ray tomography at temperature. The aim will be to validate the measurement of displacements by volume image correlation by comparing it with other techniques (strain gauges, surface image correlation, etc.). In a second phase, the exploitation of the acquired data should enable the proposal of temperature behaviour laws for the CMC materials studied.