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Comparaison simulations numériques et résultats expérimentaux expérimentaux

correspond à l’absorption dans le

III.4.2. Comparaison simulations numériques et résultats expérimentaux expérimentaux

Comme mentionné précédemment, les valeurs expérimentales du MLR, HRR et TFA obtenues à l’aide d’un cône calorimètre sont comparées aux résultats numériques du code de calcul FireFOAM pour les deux matériaux composites étudiés dans ce travail de thèse. La figure III-8 présente l’évolution de la perte de masse obtenue numériquement et expérimentalement pour les échantillons de carbone-PEKK et de carbone-phénolique.

Figure III-6. Évolution de la perte de masse des échantillons de PEKK (gauche) et de

carbone-phénolique (droite).

Pour le carbone-PEKK, les deux courbes expérimentales mettent en évidence la même évolution avec une masse quasi-constante jusqu’à environ 30 secondes. Ce temps traduit le fait que le matériau ait atteint sa température de début de dégradation (environ 500 °C d’après les mesures à petite échelle présentées dans le chapitre I). Ce temps correspond approximativement au temps nécessaire à l’auto-inflammation des produits de pyrolyse à la surface du composite. Cette phase quasi-constante est ensuite suivie d’une phase où la perte de masse suit une décroissance monotone jusqu'à environ 160 secondes. À partir de ce moment, la masse commence à se stabiliser. À la fin de l’expérience, la perte de masse représente environ 15% de la masse initiale de l’échantillon.

Concernant les résultats numériques, ces derniers sont en accord avec les données obtenues expérimentalement puisqu’une valeur quasi-constante est également observable sur la courbe correspondant à la simulation numérique jusqu’à 30 secondes. Cette phase est ensuite suivie d'une diminution de la masse similaire à celle obtenue expérimentalement, conduisant à une perte de masse finale légèrement inférieure aux résultats expérimentaux. Une perte de masse totale de 13% environ est obtenue.

Expérimentalement, l’échantillon carbone-phénolique (voir à droite de la figure III-8) présente un comportement relativement différent de celui du carbone-PEKK. En effet, trois étapes différentes sont visibles sur les deux courbes de perte de masse. Dans un premier temps, et de manière similaire à ce qui a été observé pour le carbone-PEKK, la masse reste constante (cependant sur une durée plus courte), jusqu’à 20 secondes environ. S’en suit alors une perte de masse importante et rapide (de 20 s à 50 s) puis finalement, après 50 secondes, une diminution progressive de la perte de masse. La perte de masse constatée expérimentalement à la fin de l’expérience est alors de 23%. La perte de masse obtenue avec la simulation numérique présente également un comportement avec trois étapes différentes. Cependant, la deuxième étape est plus courte que celle observée expérimentalement. Ainsi, une pente plus raide est donc visible sur la courbe représentant les données numériques : sur la période entre 50 secondes et 180 secondes. La perte de masse finale obtenue est alors de 21%, ce qui est légèrement inférieure à la perte de masse obtenue expérimentalement. La différence visible dans le comportement de la perte de masse entre les deux matériaux est fondamentalement due à la nature de leurs résines respectives. Comme cela a été démontré dans le chapitre II de ce manuscrit, la résine thermoplastique PEKK présente une très bonne stabilité thermique ainsi qu’une température de fusion élevée (de l’ordre de 388 °C [28]). De plus, la décomposition de la résine PEKK est caractérisée par une production importante de résidus charbonneux stable appelé char (environ 60% de la masse d’origine). Cette production importante de char conduit à une plus grande résistance à l’inflammabilité [29], en empêchant les produits de la dégradation de la résine dans les couches internes du matériau de se diffuser jusqu’à la surface de l’échantillon (comme cela est présenté dans le chapitre I de ce manuscrit). La décomposition du composite à base de résine phénolique thermodurcissable, implique une perte de masse significative autour de 300 °C (ce qui correspond à la deuxième étape de la perte de masse sur la figure III.8). Cela est principalement dû aux réactions de scission entre les unités de dihydroxydiphénylméthane le long de la chaîne du monomère comme cela est décrit par Knop et Pilato. [30]. La troisième étape de la perte de masse de la résine phénolique thermodurcissable, correspond, quant à elle, à la phase de fusion des anneaux aromatiques en char ou résidus charbonneux. Encore une fois, ce comportement induit une amélioration des performances au feu, diminuant la combustion de la résine à la surface du matériau. Cela contribue à la réduction du taux de perte de masse en comparaison à celui observé au cours de la deuxième phase. Un phénomène similaire a été observé par Trick et al. [31].

Figure III-7. Évolution du taux de dégagement de chaleur des échantillons de carbone-PEKK (gauche) et de

carbone-phénolique (droite).

Les différents comportements de dégradation des deux matériaux, démontrés sur les courbes de perte de masse (figure III-6), sont encore plus nets sur les courbes de dégagement de chaleur obtenu expérimentalement en utilisant une méthode de mesure par déplétion d’oxygène (figure III-7).

Expérimentalement et pour les deux configurations, les deux matériaux démontrent une augmentation rapide de la valeur du taux de dégagement de chaleur (HRR) avant d’atteindre une valeur maximale d’environ 100 kW.m-2 pour le carbone-PEKK et de 540 kWm-2 pour le carbone-phénolique. L’apparition de cette augmentation rapide de la valeur de HRR correspond à l’auto-inflammation des produits de pyrolyse et donc à l’apparition d’une flamme sur la surface des échantillons composites. Ce phénomène correspondant également au début de la perte de masse. Ceci est suivi d’une diminution rapide jusqu'à une valeur constante de 60 kWm-2 pour le composite carbone-phénolique, tandis que pour le carbone-PEKK, les valeurs HRR oscillent dans une plage de 20 kWm-2

autour de la valeur maximale. Cette plage d’oscillation peut être attribuée aux impulsions de la flamme sur la surface ou bien à des extinctions et ignitions locales à la surface du matériau. Ultérieurement, le HRR diminue à 35 kW.m-2 à 160 secondes environ et semble rester constant par la suite. Après ce temps, expérimentalement, plus aucune flamme n’est visible sur la surface du composite carbone-PEKK (voir figure III-5), indiquant qu’un processus de génération de chaleur a lieu à l’intérieur de l’échantillon [32]. Ce processus est probablement associé à la décomposition de la résine dans les couches internes du composite ou bien à une faible combustion, sans flamme, des résidus charbonneux à la surface de l’échantillon. Les évolutions de HRR obtenues expérimentalement pour les échantillons de carbone-phénolique après le pic montrent également une valeur constante de HRR. Celle-ci peut, elle aussi, être associée à la combustion de résidus charbonneux ou bien à celle des fibres de carbone, sans qu’aucune flamme ne soit observable à la surface du composite. Les valeurs numériques de dégagement de chaleur sont visibles sur la figure III-9. Elles sont obtenues à partir de la valeur de perte de masse calculée dans la simulation numérique ainsi que de la chaleur de combustion tirée de la littérature [33], pour les deux matériaux. Pour le carbone-PEKK, ces dernières ne tiennent pas compte de l’oscillation de flamme ainsi que de la diffusion des volatils à travers le solide. Néanmoins, la tendance générale des courbes obtenues expérimentalement est respectée. De plus, les

valeurs quantitatives et la dynamique de l’évolution du HRR avec le temps sont acceptables, avec un écart relatif maximal de 20%.

De plus, il est possible de distinguer que les valeurs calculées de HRR sont plus proches des résultats expérimentaux obtenus avec l’orientation horizontale. Comme observé expérimentalement, les valeurs numériques de dégagement de chaleur présentent une diminution de la valeur après 150 secondes, représentant l’extinction se produisant à la surface des échantillons. En effet, le taux de production élevé de char par le carbone-PEKK implique une diminution des substances volatiles inflammables [34], conduisant à une valeur plus faible de HRR. Les résultats numériques obtenus pour le carbone-phénolique sont en meilleur accord en raison de sa chimie de dégradation plus simple. Le pic du HRR mesuré pour l’échantillon carbone-phénolique met en évidence une forte réaction due aux scissions dans la chaîne principale, comme observé sur la figure III-6 pour la courbe de perte de masse. Cette réaction génère une production élevée de substances volatiles inflammables telles que le méthane, l’éthane, le monoxyde de carbone et l’hydrogène [35]. Cette production importante de volatils entraine une augmentation de l’inflammabilité du composite. Après cela, la fusion des cycles aromatiques conduit à la formation d’une couche de résidus carbonés sur la surface de l’échantillon, le rendant moins inflammable comme démontré par Trick et al. [35]. De plus, une fois la résine décomposée, le HRR diminue jusqu’à une valeur résiduelle, ce qui correspond à la combustion du char et des fibres [34]. L’effet de flottabilité joue un rôle important dans le cas des expériences au cône calorimètre car ce dernier modifie significativement la convection des produits de pyrolyse ainsi que de la flamme au niveau de la surface de l’échantillon. Ainsi, la comparaison entre les configurations horizontales et verticales, pour les deux matériaux est nécessaire. Cette dernière montre qu’un plus grand pic de dégagement de chaleur est obtenu dans le cas de la configuration verticale, comme cela a été observé par Babrauskas précédemment [19]. De plus, des différences dans la dynamique du dégagement de chaleur sont observées entre les deux configurations. En effet, comme l’indique Tsai [36], dans la configuration verticale, la flottabilité générera l’apparition d’une couche limite au niveau de la surface du spécimen conduisant la majeure partie du flux vers la partie supérieure de l’échantillon, provoquant alors une différence de température entre le haut et le bas de l’échantillon en cours de dégradation. Les valeurs du temps d’auto-inflammation et du dégagement de chaleur total (THR) ont donc été déterminées pour ces deux configurations ainsi que pour les deux matériaux afin de pouvoir les comparer. Ces dernières sont présentées sur le tableau III-1.

Tableau III-1. Comparaison des temps d’auto-inflammation (Tig) et du dégagement de chaleur total pour les deux configurations.

Carbone-phénolique Carbone-PEKK