Vers des mesures de champs thermiques aux échelles mésoscopique et microscopique

Résumé :

Les matériaux composites stratifiés, largement utilisés dans le secteur des transports, posent des défis pour la prédiction de leur endommagement. La thermographie infrarouge permet de répondre en partie à cette problématique en détectant les sources de chaleur par auto-échauffement à l’échelle macroscopique. Cependant, elle ne permet pas toujours de comprendre l'origine physique de ces apparitions de chaleur résultant de mécanismes physiques se produisant à une échelle inférieure.

L’objectif de cette thèse est donc de développer des méthodes expérimentales novatrices pour mesurer de manière couplée la température et le champ de déformation à l’échelle mésoscopique et microscopique, en fonctionnalisant la surface des composites avec des luminophores pour appliquer des méthodes de thermométrie par photoluminescence. Ces techniques offrent une résolution élevée et doivent permettre d’accéder à des informations fines sur les phénomènes d’auto-échauffement et d’endommagement dans les composites.

Contexte :

Les matériaux composites stratifiés trouvent de plus en plus d’applications dans le domaine du transport (e.g. en aéronautique), du fait de leurs bonnes propriétés mécaniques spécifiques. Toutefois, la prévision de l’endommagement dans ces matériaux multi-structurés reste un défi. De nombreuses approches de modélisation multi-échelles ont été proposées pour améliorer le caractère prédictif des simulations numériques, et limiter le nombre d’essais mécaniques. Cependant, des données expérimentales fiables et réelles sont nécessaires pour alimenter et valider ces modèles. Des mesures de champ aux diverses échelles d’intérêt semblent ainsi pertinentes.

Dans ce contexte, les mesures thermiques par thermographie infrarouge permettent d’accéder rapidement et de manière fiable à des sources de chaleur et à des propriétés thermiques. Néanmoins ces mesures thermiques se font à l’échelle macroscopique. Il est ainsi parfois difficile d’expliquer l’origine physique de ces apparitions de chaleur qui résultent de mécanismes endommagement aux échelles méso et microscopiques. La fonctionnalisation dans le volume ou à la surface de ces matériaux composites avec des matériaux photoluminescents (luminophores) thermosensibles permettrait d’obtenir des informations à de plus petites échelles et de mieux comprendre la cinétique et la physique des endommagements. Très peu de travaux proposant ce type d’analyse sur des composites ont été rapportés.

Objectifs et programme de la thèse :

L’objectif de cette thèse est de proposer des méthodes expérimentales originales permettant tout d’abord de réaliser des mesures thermiques à différentes échelles et notamment à celle du pli en fonctionnalisant la surface du matériau avec des marqueurs photoluminescents thermosensibles et également de développer un marquage de la surface du matériau qui permettra à terme de réaliser une mesure couplée des champs de température et de déplacement. Ces mesures à des échelles méso et micro devraient permettre de mieux expliquer l’origine de l’auto-échauffement sous sollicitation mécanique et par conséquent de mieux caractériser les mécanismes d’endommagement.

Dans un premier temps, une étude bibliographique sur le comportement thermomécanique des composites, les mécanismes d’endommagement, leur modélisation thermodynamique, la fonctionnalisation des matériaux et la photoluminescence devra être effectuée. Dans un second temps, une importante campagne expérimentale devra être menée en essayant de lever les différents verrous scientifiques. Il sera nécessaire de :

• déterminer la géométrie de l’éprouvette qui nous permettra de mesurer des températures à l’échelle du pli ;
• caractériser le type de fonctionnalisation souhaité (type de revêtement, méthode de dépôt...) et de savoir comment la mettre en œuvre ;
• déterminer le ou les essais mécaniques mettant en évidence les élévations de chaleur et dans quelle gamme de températures.

Enfin, le calcul des sources de chaleur et notamment de la dissipation mécanique sera effectué afin de tenter de discriminer les mécanismes d’endommagement.

L'équipe d'encadrement de ce projet est composée de membres de l'équipe Métrologie Identification Contrôle et Surveillance (MICS) de l’Institut Clément Ader. Ces derniers développent et étudient depuis plus d’une dizaine d’années des luminophores et des systèmes de revêtements photoluminescents pour la mesure et le diagnostic de l’endommagement par des méthodes de fluorescence, et ont développé des moyens expérimentaux et des compétences permettant de mettre en application ces méthodes. De plus, une forte expertise dans la compréhension du comportement mécanique du matériau composite, de sa structure ou de sa composition, de son endommagement, dépendant du procédé de fabrication, de la nature du matériau et des sollicitations auxquelles il est soumis grâce à l’utilisation de la thermographie infrarouge est bien ancrée et présente au sein du laboratoire autant d’un point de vue expérimental que numérique. En particulier, il a été possible de remonter grâce aux sources de chaleur à la détermination du taux de restitution d’énergie de composites stratifiés, ce qui n’est pas forcément aisé par des essais mécaniques classiques. Également des modèles thermomécaniques ont été développés pour déterminer rapidement et de manière fiable la durée de vie résiduelle de structures composites soumises à des sollicitations de fatigue.

L'étudiant doit être titulaire d'un master en sciences ou d'un diplôme équivalent (école d'ingénieurs) dans le domaine du génie mécanique, du génie des matériaux ou de la physique. Une expérience en composite et/ou en diagnostics optiques serait appréciée. L'étudiant doit avoir un intérêt marqué pour les méthodes expérimentales, une grande curiosité scientifique et la capacité de travailler de manière autonome. De bonnes aptitudes à la communication orale et écrite sont indispensables.