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Durabilité des matériaux composites en conditions extrêmes : vers la prédiction de la tenue au feu

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Academic year: 2021

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HAL Id: hal-01621592

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Submitted on 23 Oct 2017

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extrêmes : vers la prédiction de la tenue au feu

Georgio Rizk, Vincent Legrand, Khaled Khalil, Pascal Casari, Frédéric

Jacquemin

To cite this version:

Georgio Rizk, Vincent Legrand, Khaled Khalil, Pascal Casari, Frédéric Jacquemin. Durabilité des matériaux composites en conditions extrêmes : vers la prédiction de la tenue au feu. Journées Na-tionales sur les Composites 2017, École des Ponts ParisTech (ENPC), Jun 2017, 77455 Champs-sur-Marne, France. �hal-01621592�

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Durabilité des matériaux composites en conditions extrêmes : vers la prédiction de la tenue au feu

Composite materials durability in extreme conditions: towards fire resistance forecast

Georgio Rizk1,2, Vincent Legrand1, Khaled Khalil2, Pascal Casari1, Frédéric Jacquemin1

1 : Université de Nantes - Ecole Centrale Nantes

Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (GeM) UMR CNRS 6183 Equipe Etat Mécanique et Microstructure

58 rue Michel Ange, BP 420, 44600 Saint-Nazaire, France

e-mail : vincent.legrand@univ-nantes.fr, web page: http://www.gem.ec-nantes.fr

2 : Equipe MMC, CRSI, Faculté de Génie, Université Libanaise El Kobbeh, Tripoli, Liban

Résumé

Nous présentons une analyse des propriétés thermo-mécaniques de matériaux composites sandwichs à applications navales, en fonction du temps de combustion et en fonction du vieillissement humide. Dans cette optique, des échantillons sec et humide (saturé en eau) ont été analysés en terme de cinétique de tenue au feu et de résistance mécanique post-combustion. Un travail de modélisation est également en cours.

Abstract

We analyzed the thermo-mechanical properties of sandwich composite materials used in marine applications, as a function of the combustion time and as a function of the ageing conditions. In this light, dry and wet samples (saturated with water) were analyzed in terms of fire resistance kinetic and of post-combustion mechanical strength.

Mots Clés : Tenue au feu, composite sandwich, durabilité, propriétés mécaniques, teneur en eau Keywords: Fire resistance, sandwich composite, durability, mechanical properties, moisture content

1. Introduction

Les matériaux composites jouent un rôle de plus en plus important dans notre société. Ce type de matériaux prend aujourd’hui le dessus sur les matériaux métalliques dans de très nombreux domaines (aéronautique, naval, génie civil…), de part leurs avantages en termes de légèreté, de rigidité et de résistance à la corrosion mais également de coût et de mise en forme. Il est donc primordial de comprendre et d’évaluer au mieux les propriétés des matériaux composites sur le long terme (durabilité) afin de pouvoir dimensionner et optimiser les pièces pour des applications particulières. Il en est de même concernant les propriétés de ces matériaux par rapport à une sollicitation externe extrême telle que la tenue au feu lors d’un incendie. En effet, les composites sandwichs (non métalliques) sont hautement inflammables, résistent mal à la chaleur et dégagent lors de la combustion des matières toxiques. Aussi, ces matériaux font l’objet d’une réglementation stricte et il est nécessaire de bien connaître leurs propriétés thermo-mécaniques avant toute application [1-3]. Dans cette optique, nous proposons une analyse des propriétés thermo-mécaniques de matériaux composites sandwichs (peaux en polyester chargé en fibres de verre et âme en balsa). Nous avons analysé, à l’aide d’un cône calorimètre ainsi que par thermogravimétrie (ATG), la tenue en température (i.e. au feu) de ce matériau afin de déterminer la cinétique de combustion. Les mesures de tenue au feu ont été établies à 750°C et pour différents temps de pyrolyse. Ceci permet de cartographier les matériaux au cours de la combustion en termes de variations structurales (délaminage, fissuration…) et d’évolutions des propriétés mécaniques notamment en flexion. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus nous permettent d’implémenter un modèle numérique prédictif des dégradations subies à haute température par un matériau sandwich à âme combustible.

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2. Mesures expérimentales de tenue au feu

2.1 Matériaux composites sandwichs

On utilise ici des matériaux industriels constitués de peaux stratifiées en verre-polyester auxquelles on associe éventuellement des feutres polyester drainants qui facilitent la mise en œuvre par infusion de résine en une seule opération. De part leur application dans l’industrie navale, les échantillons étudiés respectent systématiquement les critères de résistance imposés par la norme EN ISO 12215-5.

2.2 Résultats et discussions

Effet de l'absorption d'humidité. Les contraintes internes induites par l'absorption d'humidité ont été analysées. Les déformations hygroscopiques ont également été déterminées et un nouveau modèle analytique pour le calcul des coefficients de diffusion a été proposé [4].

Cinétique de décomposition thermique. Des analyses thermogravimétriques sous air ont été effectuées jusqu'à 700°C pour décrire les processus de dégradation thermique du balsa sec et saturé en eau. Le taux de décomposition de la matrice est déterminé tout simplement par la perte de masse du composite en fonction du temps en utilisant une loi d'Arrhenius pour la cinétique de réaction :

            − = ∞ RT E A m m m m dt dm n exp . . 0 0 (1)

avec m(t) la masse instantanée du matériau en kg ; m0 la masse initiale du matériau avant la

décomposition en kg et m∞ la masse finale du matériau après la décomposition en kg. Dans cette expression, on retrouve les coefficients cinétiques avec A le facteur préexponentiel en min-1 ; E l’énergie d’activation en kJ.mol-1 ; n l'ordre de la réaction et R = 8.314 J.K-1.mol-1 la constante des

gaz parfaits. Afin de déterminer les coefficients cinétiques de dégradation thermique (coefficients A, E et n) nous avons utilisé la méthode de Kissinger qui permet d’obtenir les résultats suivants : E = 104(2) kJ.mol-1, A = 4.1(1) 107 s-1 et n = 1.13(6) pour un échantillon de balsa sec ; E = 130(3) kJ.mol-1, A = 3.2(4) 109 s-1 et n = 1.9(1) pour un échantillon de balsa saturé en eau [5]. La présence d'eau (saturation) dans la structure influe sur le comportement de décomposition thermique du balsa en induisant une augmentation de la température maximale de dégradation. Cette variation est expliquée à partir de phénomènes physico-chimiques induits à haute température.

Mesures de tenue au feu. Les essais sont réalisés au cône calorimètre qui est un four conique (Fig. 1). Celui-ci permet la reproduction du comportement au feu d’un matériau à l’aide d’une source radiative. Les échantillons composites sandwichs (dimension 110 x 40 x 19 mm3) subissent un flux de chaleur radiatif émis par un cône construit par enroulement d’une résistance électrique. L’échantillon est positionné à une distance de 26 mm de la source radiative. La température de l’échantillon, par le biais de la source radiative (50 kW.m-2), est maintenue constante à 750°C au cours de la mesure. Rappelons que la température des flammes lors d’un incendie est comprise entre 400 et 1200°C. L’inflammation du matériau est ici provoquée par une flamme pilote. Les gaz de combustion sont dilués par de l’air et entraînés dans une cheminée. L’acquisition des données est établie grâce à une application conçue sous Labview. Nos mesures sont réalisées sur un cône calorimètre ATLAS Cone2 présent au sein du laboratoire GeM et de l’équipe EMM.

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Fig. 1. Le cône calorimètre ATLAS Cone2 et détail d’un échantillon de matériau composite sandwich en cours de combustion.

Nous avons mesurés la cinétique de perte de masse dont la courbe correspondante est représentative des étapes successives de combustion des constituants (Fig.2). Afin de suivre ces étapes de manière précise pour le matériau sandwich (peau supérieure + âme + peau inférieure), nous avons fait plusieurs types de mesures. Nous avons, dans un premier temps, mesuré la cinétique thermique de la peau seule et d’un échantillon bilame (âme en balsa + peau inférieure), puis établi la même mesure avec un matériau sandwich complet. Cette séparation nous a permis de différencier les processus de combustion propre à chaque partie du matériau sandwich, et notamment de déterminer la perte de masse et la vitesse de combustion associées uniquement aux peaux et au balsa.

Fig. 2. Cinétique de combustion du matériau composite sandwich, mesurée au cône calorimètre.

La combustion de la peau supérieure dure 88 s soit une vitesse de combustion estimée à v = -0.075 g.s -1. Dès le début de la combustion, ce constituant brûle en émettant une légère fumée blanchâtre puis

rapidement une fumée noire épaisse apparaît. De petites flammettes, principalement sur les bords de l’éprouvette sont visibles. En fin de combustion, l’éprouvette est carbonisée, la résine a complètement disparue (transformation en produits de combustion volatils toxiques tels que du monoxyde de carbone CO, du dioxyde de carbone CO2, ou encore des hydrocarbures aliphatiques et aromatiques).

Seuls subsistent les feuillets de fibres de verre. Suite à ces résultats, nous considérerons pour toutes les éprouvettes que la dégradation des peaux supérieures et inférieures est similaire induisant systématiquement la même perte de masse. Ceci nous permet de poser les limites de combustion entre les constituants du matériau sandwich. La combustion du balsa dure quant à elle 421 s ; la vitesse de combustion est estimée à v = -0.024 g.s-1. Concernant la peau inférieure, la combustion dure 383 s

pour une perte de masse de 18.3 %, soit une vitesse de combustion v = -0.0.17 g.s-1. La vitesse de combustion de la peau inférieure est 4.3 fois plus lente que celle de la peau supérieure.

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Avec l’objectif de réaliser des essais mécaniques afin de déterminer la rigidité du matériau à différents stades de dégradation thermique, nous avons effectué neuf mesures de tenue au feu à des temps de combustion variant de 40 s à 890 s. De part les valeurs obtenues mais également visuellement, nous observons que durant les 100 premières secondes environ, seule la peau supérieure est dégradée par l’apport de chaleur avec un décollement progressif de la peau sur le balsa, mais également une rétractation de la peau (aspect bombé de la surface). La peau en résine chargée de fibres de verre brûle en émettant une épaisse fumée noire, des flammettes jaunâtres sont également visibles en surface. En fin de dégradation, la résine a entièrement disparu en produit de combustion, notamment gazeux, pour ne laisser que le tissu de fibres de verre apparent. Notons que la température de pyrolyse utilisée dans cette étude (750°C) est inférieure à la température de fusion des fibres de verre (1065-1120°C) [6]. Le décollement induit petit à petit une inflammation du balsa sur les bords de l’éprouvette. Le balsa va alors rapidement se dégrader, en particulier, nous remarquons l’apparition de plusieurs fissurations principales à l’emplacement des joints de résine qui ont permis de coller les morceaux de balsa entre eux pour former une plaque entière de grande dimension. Puis, de nombreuses fissurations secondaires apparaissent. Les fissurations principales et secondaires sont induites par la dégradation de la résine qui s’évapore de plus en plus en fonction du temps. Le balsa quant à lui se dégrade également. Enfin, la peau inférieure se dégrade thermiquement entre les temps 400 et 890 secondes. Cette dégradation suit le même processus que celui de la peau supérieure mais sur un temps plus long du fait des couches supérieures (balsa et peau supérieure) qui diffusent la chaleur de manière plus progressive. Le décollement de la peau inférieure sur le balsa est beaucoup moins prononcé, mais la rétraction de la peau est nettement visible comme le montre la photographie prise à 890 s (Fig. 3).

Fig. 3. Dégradation du matériau sandwich après différents temps de combustion à 750°C.

Mesures de flexion 3 points. Le montage de flexion 3 points utilisé est constitué d’une base plane sur laquelle deux supports viennent se fixer (Fig. 4). La partie supérieure de chaque support est constituée d’un rouleau de rayon 15 mm sur lequel l’éprouvette repose. L’essai de flexion 3 points est réalisé en appliquant une force centrale sur la surface supérieure de l’éprouvette à l’aide d’un appui cylindrique de rayon 15 mm qui se déplace de manière verticale. Le diagramme enregistré de la charge en fonction de la flèche permet la détermination de la rigidité en flexion (en N.mm2) ainsi que de la rigidité en

cisaillement (en N) de la structure sandwich. Les essais de flexion sont réalisés à une vitesse de déplacement de 10 mm.min-1. La surface non brûlée de l’éprouvette repose sur les deux appuis fixes et la surface brûlée est soumise un effort ponctuel.

Ces mesures sont importantes quand on sait que les limitations à l’utilisation des matériaux composites à matrice polymère, en particulier dans l’industrie navale et aéronautique, sont les facteurs de tenue au feu et de tenue mécanique. Ainsi, une fois ces deux facteurs combinés, les propriétés mécaniques sont fortement dégradées [7-12].

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Fig. 4. Essais mécaniques de flexion 3 points : rupture de l’échantillon sec avec traitement thermique de la peau supérieure.

Les mesures effectuées permettent de tracer l’évolution de la force maximale atteinte (FM) et du

module d’Young (E) en fonction du temps de combustion. Nous observons que la décroissance de ces deux grandeurs (FM et E) s’établit de manière exponentielle. Cette tendance a aussi été observée

pour d’autres matériaux composites [1-3]. Ces courbes mettent nettement en évidence que le matériau est fortement dégradé delà de 100 s d’exposition au feu pour les échantillons secs (Fig. 5) et au-delà de 500 s d’exposition au feu pour les échantillons humides. Nous observons également que la tenue mécanique est liée principalement à la détérioration de la peau supérieure. En effet, la peau supérieure se dégrade complètement en 100 s environ (Fig. 2). Ensuite, l’apparition de fissures lors de la combustion fragilise davantage la structure, la force maximale et le module d’élasticité se retrouvent énormément impactés et présentent des valeurs très faibles.

Fig. 5. Evolution du module d’Young en fonction du temps de combustion pour un matériau composite sandwich sec.

3. Modélisation des processus de dégradation thermique

3.1 Etat de l’art

Les études concernant la modélisation de la tenue au feu des matériaux composites datent des années 1980-1990. On peut citer les travaux des principaux groupes de recherche dirigés par Henderson à l'Université de Rhode Island [13-18], par Sullivan au Marshal Space Flight Center [19-20], par Springer à l'Université de Stanford [21-22], par Dimitrienko au NPO Mashinostroeniya à Moscou [23-24] et par Gibson à l'Université de Newcastle [25-27]. Tous les modèles développés ont la possibilité de calculer la distribution de température à travers un matériau composite exposé au feu, mais ils diffèrent par leur manière d'analyser et de prendre en compte les phénomènes. En effet, la décomposition thermique des matériaux composites à matrice polymère est un phénomène complexe car il combine des processus thermiques, physiques et chimiques. Ces processus sont difficiles à appréhender car ils ne sont pas indépendant mais ont une influence les uns sur les autres. C'est pourquoi la modélisation des processus de dégradation thermique d'un matériau composite doit être

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examinée en détails pour bien comprendre les séquences des évènements qui apparaissent lors d'une exposition aux hautes températures. Si une sollicitation mécanique est appliquée sur le matériau en cours de dégradation thermique, le problème se complexifie davantage du fait de l’interdépendance des processus thermique-physique-chimique-mécanique. La modélisation couplée {contraintes thermiques / contraintes mécaniques} reste donc encore très peu développée et difficile à appréhender par les modèles numériques actuels.

3.2 Méthodologie

Comme nous l’avons vu, la décomposition thermique des matériaux composites à matrice polymère, lors d’un incendie par exemple, est un phénomène complexe car il combine des processus thermiques, physiques et chimiques.

Les processus thermiques incluent la conduction thermique à travers le composite, la génération ou

l'absorption de chaleur due aux réactions de décomposition de la matrice polymère, la génération de chaleur due à l'inflammation des gaz, des phénomènes de convection, la production et l'évacuation de vapeur d'eau depuis le composite.

Les processus chimiques incluent la dégradation des matériaux par "ramollissement" de la matière

sous l'effet de la chaleur, puis la fonte des matériaux en fonction de la température de réaction, la volatilisation de la matrice polymère, des fibres et du matériau d'âme avec la production de cendre.

Les processus physiques incluent l'expansion ou la contraction thermique des matériaux (en fonction

de la température de réaction et du type de matériau), une augmentation de la pression interne au composite à cause de la formation de divers gaz et de la production de vapeur d'eau, la propagation de contraintes internes, la délamination du composite, la fissuration de la matrice, une ablation de la surface.

Ces processus sont difficiles à appréhender car ils ne sont pas indépendant mais ont une influence les uns sur les autres. Quand un flux de chaleur est appliqué à la surface d'un matériau composite, le premier évènement survenant est la conduction de la chaleur à travers l'épaisseur du matériau. La plupart des matériaux composites ayant un coefficient de conduction thermique faible, un gradient de température apparaît alors au sein du matériau. De plus, la conduction thermique est fortement influencée par la nature, le taux et la disposition des fibres. Au fur et à mesure de la combustion et de l'augmentation de température dans le matériau, la cinétique de dégradation des constituants (i.e. perte de masse) évolue, ce qui modifie la valeur de la masse volumique (accentuée par l'expansion ou la contraction des constituants en fonction de la température) et donc modifie également la valeur du coefficient de conduction thermique. Enfin, comme il existe un gradient de température et que le composite est anisotrope, les variations de volume ne sont pas identiques en tout point du matériau. Nous venons de voir que la prise en compte d'un seul phénomène telle que la conduction thermique est complexe à appréhender. Aussi, pour modéliser la combustion thermique d'un matériau composite, il faut procéder par étape en prenant en compte dans un premier temps uniquement les phénomènes principaux participant au processus de dégradation.

Le modèle le plus simple considère uniquement la conduction thermique tridimensionnelle dans un matériau composite qui est chauffé sur une de ses faces [28-32] :

    +       +     = dz dT k dz d dy dT k dy d dx dT k dx d dt dT z y x Cp

ρ

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avec t le temps en seconde ; x la distance à travers l’épaisseur en mètre ; T(x,t) la température en kelvin ; ρ la masse volumique du matériau en kg.m-3 ; Cp la chaleur massique du matériau en J.kg-1.K-1

et ki la conductivité thermique du matériau selon la direction i (i = x, y, z) en W.m-1.K-1.

L'équation (2) assume que les procédés thermiquement activés tels que la décomposition de la résine, les flux de convection des éléments volatiles, etc., n'affectent pas la valeur du coefficient de

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conduction thermique. Aussi, la validité de l'équation (2) est limitée aux cas des faibles températures, typiquement pour des flux incidents de chaleur inférieurs à 20 kW.m-2.

Pour des flux de chaleur supérieurs à 20 kW.m-2, le modèle thermique le plus souvent utilisé pour déterminer la variation de température dans un composite exposé au feu fut développé par Henderson [13-18] dont la forme 1D est :

(

i c g

)

g x x Q H H dt d dx dT m dx dT dx dk dx T d k dt dT − + − − + =

ρ

ρ

2 pg 2 p . C C & (3) avec mg le débit massique de gaz généré durant la pyrolyse de la matrice en kg.s-1.m-2 ; Cpg la chaleur

massique du gaz généré durant la pyrolyse de la matrice en J.kg-1.K-1 ; i = 1 ou 2 pour désigner la pyrolyse de la matrice (i = 1) ou la réaction charbon/fibres (i = 2) ; Q1 l’énergie de pyrolyse de la

matrice polymérique en J.kg-1 ; Q2 l’énergie fournie/consommée par la réaction charbon/fibres en

J.kg-1 ; H

c l’enthalpie du composite en J.kg-1 et Hg l’enthalpie des gaz élaborés en J.kg-1.

Le premier terme de l'équation (3) considère l'effet de la conduction thermique et correspond à une partie de l'équation (2). Le second terme considère également l'effet de la conduction thermique avec prise en compte de la variation de kx en fonction de l'épaisseur x. Le troisième terme de l'équation (3)

prend en compte les flux de convection thermique interne des gaz formés lors de la décomposition à haute température ; ce processus produit un effet de refroidissement du stratifié et le terme associé est donc négatif. Enfin, le quatrième terme représente l'apport ou la consommation de chaleur résultant de la décomposition de la matrice polymère et des réactions induites entre le charbon et les fibres de renforts. Dans ce dernier terme, le taux de décomposition de la matrice exprimé par ∂

ρ

t est déterminé tout simplement par la perte de masse du composite en fonction du temps en utilisant la loi d'Arrhenius de cinétique de réaction (équation 1) et en considérant un volume de contrôle fixe. Si le volume n’est pas constant et varie au cours de la mesure, ce qui est le cas la plupart du temps puisque la matrice se décompose et qu’elle subit des expansions/contractions dues aux variations de température, il faut considérer un modèle thermo-physique, tel que celui de Florio et al. [17], prédisant l’expansion volumique du matériau en fonction de la température. Du fait des variations de volumes anisotropes entre les constituants du composites, il est impératif de prendre en compte également un modèle prédisant simultanément les contraintes induites thermiquement dans le composite exposé à des températures élevées. Par exemple le modèle de McManus et Springer [22] permet d’analyser la déformation induite par une contrainte externe ainsi que celle induite par la génération de contraintes internes dues à l’expansion thermique, à la pression exercée par les gaz volatils et la vapeur d’eau, ainsi que par les variations volumiques produites par la formation de charbon.

Dans l’expression (3), l’ensemble des paramètres dépendent donc du temps et/ou de la température (i.e. de la variation de température en fonction du temps) et le modèle final prédisant la dégradation thermique d’un matériau composite devient complexe. La modélisation précise de la réponse au feu d’un composite suivant le modèle d’Henderson requière la connaissance des propriétés thermiques et physiques du matériau sur un large intervalle de température. Ceci inclut la connaissance de la densité spécifique, de la conductivité thermique, de la perméabilité des gaz et de la chaleur spécifique du matériau et des cendres. Dans de nombreux composites ces propriétés varient considérablement en fonction de la température. Aussi, il est nécessaire d’inclure dans l’analyse l’évolution de ces propriétés dépendante de la température [27].

Dans la littérature, on trouve un grand nombre d’études expérimentales et numériques concernant la dégradation thermique et la tenue au feu des matériaux composites. Cependant, concernant les matériaux composites sandwichs, les études expérimentales sont beaucoup plus limitées de part la complexité accentuée par la nature même d’un composite sandwich, qui est l’association ou plutôt l’empilement de plusieurs constituants, parfois très différents en termes de comportement et de propriétés thermiques, physiques, chimiques et mécaniques. En ce qui concerne la modélisation de la

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dégradation thermique des matériaux composites sandwichs, on trouve quelques modèles portant sur des matériaux sandwichs à peaux combustibles et âme incombustibles [33]. Néanmoins, à notre connaissance, aucun modèle n’a été développé pour calculer et simuler le comportement au feu de matériaux composites sandwichs avec une âme combustible comme analysés dans la présente étude. Or ce type de matériaux est maintenant de plus en plus utilisé dans l’industrie navale, aéronautique ou encore dans le génie civil pour leurs avantages en termes de légèreté et de rigidité.

3.3 Résultats préliminaires

Un travail préliminaire de modélisation de la variation de température dans un matériau composite sandwich, par le biais du modèle d’Henderson, a été établi par éléments finis avec le logiciel Abaqus. Puisque les mesures expérimentales que nous établissons sont effectuées à température modérée (50 kW.m-2, soit 750°C), la conductivité thermique et la chaleur massique du matériau ont été, en première approximation, considérées constantes (égales à celles du matériau à température ambiante) et la chaleur échangée par la réaction charbon/fibres négligée.

Fig. 6. Modélisation par éléments finis (logiciel Abaqus) des propriétés thermiques d’un matériau composite sandwich.

Fig. 7.Variation de la température dans l’épaisseur du composite sandwich en fonction du temps de combustion. Lors de ce travail préliminaire de modélisation, nous avons pu reproduire les résultats décrits par Feih et al. [3] concernant l’évolution spatiale et temporelle de la température dans un échantillon de matériau composite stratifié verre/vinyle-ester. L’étape suivante est de reproduire cette évolution pour un composite sandwich verre/polyester–balsa d’après nos mesures expérimentales. Nous avons établi

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un premier calcul par une approche extrêmement simplifiée permettant d’avoir une variation qualitative de la température dans l’épaisseur du composite sandwich en fonction du temps de combustion (Fig. 6-8). Ce calcul ne prend en compte que les phénomènes thermiques de conduction, convection et rayonnement avec également une fonction d’évolution thermique des paramètres masse volumique et coefficient de conduction thermique. Ce modèle préliminaire nous a permis de vérifier la faisabilité de l’approche numérique proposée, en particulier le fait de pouvoir moduler un paramètre en fonction du temps et de la température, et de prendre en compte cette modulation dans la variation des autres propriétés, thermiques. Ceci doit être pensé à la fois pour les peaux verre/polyester stratifiées combustibles et pour l’âme en balsa également combustible. Il y a donc une forte interaction entre les dégradations thermiques des peaux et de l’âme.

Fig. 8. Prédiction de la réponse thermique d’un matériau composite sandwich (simulation par éléments finis, flux thermique surfacique de 50 kW.m-2).

4. Conclusion

L’étude des propriétés de tenue au feu des matériaux composites sandwichs à l’aide du cône calorimétrique permet de conclure que les matériaux vieillis présentent une meilleure tenue au feu que les matériaux secs comme nous pouvions le prévoir préalablement. Nous avons pu déterminer les vitesses de dégradation thermique pour chacun des constituants. Nous avons couplé ces analyses à des essais mécaniques de flexion 3 points afin d’analyser les propriétés mécaniques des échantillons sandwichs sec et humide en fonction du temps de combustion à 750°C. Cela a permis de mettre en évidence les différentes étapes de dégradation des matériaux notamment par l’étude de l’évolution de la force maximale et du module d’élasticité en fonction de la déformation subie ou du temps de combustion. Nous avons ainsi montré que les matériaux subissent une dégradation thermo-mécanique très rapide durant les premières 100 s de traitement thermique à 750°C et que cette dégradation est fortement liée à la détérioration de la peau supérieure. Enfin, un travail de modélisation par éléments finis est en cours d’élaboration afin de pouvoir prédire le comportement thermique de matériaux composites sandwichs, cette modélisation doit inclure l’ensemble des processus de dégradation thermique, physique et chimique afin de rendre compte de manière réaliste de la résistance du matériaux en environnement extrême de température.

Remerciements

Les auteurs remercient le Ministère français de l’éducation nationale, de l’enseignement supérieur et de la recherche ainsi que le Ministère français des affaires étrangères et du développement international pour le financement accordé dans le programme Cedre2015 (partenariat Hubert Curien franco-libanais).

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Fig. 3. Dégradation du matériau sandwich après différents temps de combustion à 750°C
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