Soutenance de thèse de Thierry Canet

Composition du jury

• M. Thierry CUTARD : Institut Clément Ader UMR CNRS 5312 site d'Albi- Directeur de thèse
• M. Gilles DUSSERRE : Institut Clément Ader UMR CNRS 5312 site d'Albi - Co-directeur de thèse
• Mme Anita CATAPANO : Institut de mécanique et d'ingénierie (I2M), Bordeaux INP - Rapporteure
• M.Emmanuel BARANGER : Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay (LMPS), Ecole normale supérieure Paris-Saclay - Rapporteur
• M. Gérard L. VIGNOLES : Laboratoire des Composites Thermo Structuraux (LCTS), Université de Bordeaux - Examinateur
• M. Damien ANDRÉ : Institut de recherche sur les céramiques (IRCER), Université de Limoges - Examinateur

Résumé

Les composites à matrice céramique oxyde/oxyde sont utilisés en tant que matériaux structuraux dans plusieurs applications aéronautiques ou spatiales. Ceux-ci sont amenés à supplanter certains métaux pour des températures intermédiaires (500 °C à 900 °C) et/ou pour des environnements oxydants ou corrosifs. La plupart des composites oxyde/oxyde reposent sur le principe de matrice faible. Celle-ci est poreuse afin de diminuer ses propriétés mécaniques. Dans cette catégorie de matériaux, ceux produits à partir de fibres Nextel, ainsi que d’une matrice composée d’alumine α et de silice amorphe, sont de très bons candidats. En effet, ils présentent de bonnes propriétés mécaniques tout en ayant des températures et des durées de frittage relativement faibles, ce qui diminue les coûts de fabrication et préserve les fibres. Ces modalités avantageuses de fabrication sont dues à l’écoulement de la silice sous forme de phase visqueuse lors du frittage, qui conduit à la formation de ponts entre les particules d’alumine. La matrice se densifie sous l’action de la tension de surface entre les phases visqueuse et solide. Les performances de ce type de composites à matrice céramique dépendent fortement de la différence de propriétés mécaniques entre la matrice et la fibre. Or cette différence est induite par le niveau de porosité de la matrice, qui est lui-même contrôlé par le processus de fabrication. La littérature ne contient que peu de modèles numériques permettant de rendre compte du lien entre la porosité, la composition d’une matrice alumine/silice et ses propriétés mécaniques. L’objectif de ces travaux de thèse est la formulation d’un modèle numérique rendant compte de cette dépendance des propriétés de la matrice en un temps de calcul limité. Ce modèle est basé sur une approche multi-échelle et à la possibilité de s’adapter au composite par l’ajout de l’influence des fibres Nextel. Le modèle s’appuie principalement sur la similarité entre la microstructure de la céramique partiellement frittée et une structure treillis, dans laquelle les liens correspondent aux ponts de silice et les nœuds sont le centre des particules d’alumine. Le positionnement et la caractérisation des liens ont été calculés à partir des caractéristiques de la matrice. Les liens ont ensuite été convertis en éléments connecteurs à 2 nœuds, dont les rigidités ont été calculées à partir de simulations numériques de ponts de silice. L’utilisation de ces éléments connecteurs permet de limiter le temps de simulation associé à des structures contenant environ 10000 particules d’alumine. De plus, ces éléments finis spécifiques tolèrent une grande variété de schémas de résolution (implicite, explicite, quasi-statique, dynamique, analyse modale, etc.). Une méthode d’homogénéisation des propriétés élastiques par analyse modale de ces structures a pu être conçue. Les résultats obtenus ont mis en évidence la capacité du modèle à refléter l’influence des caractéristiques de la céramique poreuse sur les propriétés mécaniques homogénéisées. Cette méthode a ensuite été couplée à des fibres modélisées par éléments continus, afin de produire des représentations de la microstructure d’un composite. Ce modèle hybride a permis l’application de sollicitations quasi-statiques qui ont mis en avant sa cohérence. L’utilisation de connecteurs dans ce type de simulations numériques ouvre la voie à des simulations de microstructures de céramiques poreuses et des composites associés, en un temps de calcul limité.

Mots-clés

Composites à matrice céramique, flux visqueux, modélisation, frittage, céramiques.