Dépendance des transferts de chaleur au chargement mécanique

Par définition, l’endommagement mécanique d’un matériau est la création de microdéfauts (microfissures, microvides). Si l’on considère l’apparition et la coalescence de microcavités, ceci signifie que des vides se créent et que l’air remplace le matériau à certains endroits. Une baisse de conductivité thermique devrait donc être constatée au sein d’un matériau mécaniquement endommagé. Si de nombreuses techniques existent pour chiffrer l’endommagement d’un matériau suite à un chargement mécanique comme l’émission acoustique [96], la mesure du couplage entre croissance de l’endommagement et modification des paramètres thermiques semble difficile et ne fait l’objet de travaux que depuis peu de temps [32].

Des travaux récents de modélisation mettent en évidence que les propriétés thermiques des CFRP dépendent de l’état d’endommagement du matériau. Les travaux de Ning et al. [97] étudient cette influence à l’échelle microscopique. L’effet de la rupture des fibres et du délaminage est évalué. Concernant l’influence du nombre de fibres rompues sur la baisse de la conductivité, le résultat est présenté Figure 42 [97] :

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Figure 42 : Influence de la rupture des fibres sur la conductivité longitudinale d'un composite carbone-époxy. Comparaison du résultat expérimental et du résultat prédit par la Méthode Eléments Finis [97]

La Figure 42 illustre l’évolution de la conductivité longitudinale avec le nombre de fibres rompues et avec le rapport entre conductivité des fibres et conductivité de la matrice. Ce qui est intéressant est qu’à rapport constant, la différence entre les cas où il n’y aucune fibre rompue et le cas où cinquante fibres sont rompues est faible. Cette influence est illustrée Figure 43 [97] :

Figure 43 : Evolution de la résistance thermique longitudinale d'un composite carbone-époxy suite à des ruptures de fibres [97]

D’après la Figure 43, l’évolution de la résistance thermique longitudinale est au maximum de 2,5% seulement lorsqu’un grand nombre de fibres est rompu.

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Figure 44 : Evolution de la différence de résistance thermique sur un composite carbone époxy, entre matériau sain et délaminé, en fonction du rapport des conductivités fibre/matrice et pour deux maillages différents [97]

La Figure 44 montre que la différence de résistance thermique transversale entre matériau sain et délaminé peut atteindre 30%, i.e. que la conductivité peut être réduite de 30% lorsque le matériau est délaminé.

Finalement, les auteurs concluent qu’une relation linéaire existe entre le changement de résistance thermique longitudinale et le nombre de fibres rompues, mais également entre l’aire délaminée et la résistance thermique transversale. En effet, les résultats expérimentaux et modélisés concordent et ces derniers supposent une relation linéaire entre perte de propriétés thermiques et endommagement. Toutefois, concernant les fibres, le changement de conductivité longitudinale (i.e. dans la direction où elle est prépondérante) due à leur rupture est minime (quelques pourcents) même lorsque le nombre de ruptures est grand. Concernant le délaminage, il entraîne une réduction de 30% de la conductivité dans le pire des cas, ce qui n’est pas négligeable dans l’absolu mais qui, dans le cas des couplages, est à comparer avec l’influence d’autres phénomènes. L’influence par exemple de la décomposition thermique sur les paramètres thermiques, est expliquée au paragraphe 1.3.1 et montre que le rapport entre la diffusivité du matériau sain et celle du matériau décomposé thermiquement peut atteindre 33, ce qui rend les 30% précédemment cités négligeables dans un cas couplé. De ce fait, cet aspect n’a pas été considéré au cours de cette étude.

1.4 Conclusion : couplages retenus dans le modèle

Au sein de cette partie ont été recensées les influences existant entre le comportement mécanique, les transferts de chaleur et la décomposition thermique.

Les paramètres influençant le comportement mécanique et mis en évidence dans la littérature sont de plusieurs types :

- La température, avec laquelle les modules élastiques et les contraintes à rupture varient (cf. 1.2.1).

- La décomposition thermique, qui a une influence sur la dilatation du matériau et donc, la création d’endommagements tels que le délaminage, les fissures matricielles et la décohésion fibre-matrice. Ceci s’explique par une augmentation locale de pression due à la libération des gaz de décomposition. Cette influence de la décomposition sur la mécanique est donc prise en compte.

Les paramètres influençant la décomposition thermique sont seulement : - La température, de façon évidente et donc à ne pas négliger.

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- Le chargement mécanique, mais cette influence étant petite et difficile à estimer, elle est négligée dans le modèle.

Enfin, les paramètres influençant les transferts de chaleur sont :

- La température et la décomposition thermique, de façon simultanée.

- Le chargement mécanique – plus précisément, les endommagements. Mais au regard du poids des autres influences sur les transferts de chaleur, telles que la décomposition thermique, cette influence est négligée.

Les couplages retenus pour le modèle sont ainsi les suivants :

- Le comportement mécanique dépend de la température, par l’abattement des propriétés mécaniques lors de l’augmentation de la température et de la décomposition thermique, par la fragilisation du matériau lorsqu’il est carbonisé.

- La décomposition thermique, qui dépend de la température.

- Les paramètres thermiques, qui dépendent de la température et de la décomposition thermique. Dans la partie suivante sont détaillés les couplages présents dans le modèle et prenant en compte les dépendances précédemment décrites. Par ailleurs, afin de pouvoir implémenter le modèle complet, chacun des phénomènes impliqués lorsque le matériau est sollicité indépendamment de façon mécanique et thermique doit être pris en compte. Cette modélisation est expliquée.

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