Soutenance de thèse de Tristan Durand

Soutenance de thèse de Tristan Durand doctorant à l'Institut Clément Ader UMR CNRS 5312 site d'Albi

sur "Perméabilité gazeuse des polymères et composites à matrices organiques aux températures cryogéniques"

vendredi 13 décembre à 10h00

Amphithéâtre d'Honneur - IMT Mines Albi

Composition du jury

• M. Olivier DE ALMEIDA : IMT Mines Albi - Directeur de thèse
• M. Eric FAVRE : Université de Lorraine - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés - Examinateur
• Mme Eliane ESPUCHE : Université Claude Bernard Lyon 1 - Rapporteure
• M. Christophe BOIS : Université de Bordeaux - I2M - Examinateur
• Mme Marie-Hélène KLOPFFER : IFP Énergies nouvelles - Examinatrice
• M. Ilias ILIOPOULOS : Laboratoire PIMM - ENSAM - Rapporteur
• M. Eric DANTRAS : CIRIMAT - Examinateur

Résumé

Dans le contexte de transition écologique actuel, le domaine du transport aéronautique s’est engagé dans le développement de motorisations neutres en émissions de gaz à effet de serre. Avec un taux massique énergétique trois fois supérieur à celui des énergies fossiles, l’hydrogène représente alors le vecteur énergétique idéal pour cette transition. Néanmoins, la nécessité d’optimiser la densité énergétique embarquée impose son stockage sous sa forme liquide à 20K, et il est donc primordial d’identifier les matériaux les plus adaptés à ces contraintes applicatives, à la fois légers, résistants à basse température et étanches à cet élément au faible encombrement stérique. Les initiatives récentes dans le domaine spatial ont démontré que les réservoirs en composites à matrices organiques pouvaient être performants pour le stockage cryogénique. Avec un gain de masse de près de 40% par rapport à l’utilisation d'aluminium, ces réservoirs en matériaux composites ouvrent de réelles perspectives dans le domaine aéronautique. Néanmoins, leur étanchéité à froid a très peu été abordée dans la littérature. 

Les travaux présentés dans ce manuscrit ont ainsi eu pour objectif d’apporter une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant la perméabilité des polymères et des matériaux composites à matrice organique et à fibres de carbone entre la température ambiante et le domaine cryogénique. La première partie de ce projet est centrée sur le développement d'un instrument capable de mesurer précisément (au ppm près) la perméabilité d'un matériau entre la température ambiante et 55 K de manière contrôlée. Grâce à ce moyen d'essai, des données inédites de perméabilité cryogénique ont été générées pour différents thermoplastiques (PA, PE, PAEK, PVDF, PPS). La comparaison de p lymères ayant des températures de transition vitreuse (Tg) très variées a permis d’établir des liens entre les propriétés physico-chimiques et morphologiques des matériaux et la perméabilité. Les résultats obtenus confirment le rôle majeur de la transition vitreuse et de la cristallinité sur la perméabilité à température ambiante comme à froid. Mais il apparaît également que la phase amorphe rigide (RAF) peut affecter la perméabilité des PAEK. D’autres phénomènes tels que la transition secondaire ont également été attribués à des changements de propriétés de solubilisation du gaz dans les matériaux à haute Tg. Concernant l'étude d'étanchéité des matériaux composites, la tortuosité des chemins de diffusion engendrée par la présence des fibres de carbone, plus étanches que les matrices, a tout d’abord été analysée. Des simulations par éléments finis ont permis d’explorer la piste de l’effet de la trans-cristallinité sur la tortuosité au sein d’un composite à matrice thermoplastique semi-cristalline.

Puis, des cycles cryogéniques ont été appliqués à une large gamme de matériaux composites (à matrices thermoplastiques et thermodurcissables, nano-chargés ou non) dans le but d'évaluer leur résistance à la fissuration et d'observer l'évolution de la perméabilité en fonction de l'endommagement du matériau. Il a ainsi pu être montré que l’ajout de nanocharges de carbones aux inter plis permet d’améliorer la résistance à la fissuration des composites sans impacter les propriétés barrières du matériau. Les résultats obtenus montrent que les composites à matrice 8552 et M21E présentent les meilleures propriétés d’étanchéité, ce qui en fait des matériaux prometteurs pour le développement de réservoirs.

Mots clés

Matériaux composites, Hydrogène, Température cryogénique, Diffusion, Perméabilité.