Etude du comportement au feu de matériaux composites pour applications aéronautiques haute température

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1 Etude du comportement au feu de matériaux composites pour applications aéronautiques haute température Y.Carpier 1, M.A Maaroufi 1, B. Vieille 1, A. Coppalle 2, F. Barbe 1 1 Groupe de Physique des Matériaux, UMR 6634 CNRS 2 CORIA, UMR 6614 CNRS Université et INSA Rouen, avenue de l Université, St Etienne du Rouvray, France yann.carpier@insa-rouen.fr 24/03/2016

2 Introduction Contexte Table des matières Procédures expérimentales Matériaux Exposition au feu / Essais mécaniques Analyse thermique Mesure de température Dégradation thermique ATG Comportement mécanique après exposition au feu Traction Compression Conclusion Références 2

3 Introduction Matrice thermoplastique / thermodurcissable : définition Thermoplastique Liaisons électriques faibles Thermodurcissable Représentation schématique d un composite [CAR04] Liaisons chimiques fortes 3

4 Introduction Contexte Table des matières Procédures expérimentales Matériaux Exposition au feu / Essais mécaniques Analyse thermique Mesure de température Dégradation thermique ATG Comportement mécanique après exposition au feu Traction Compression Conclusion Références 4

5 Contexte Problématique actuelle dans l aéronautique : Viabilité des composites à matrice thermoplastiques? Prix? Certifications? Avantages Température de fusion (comportement réversible) Mise en œuvre (procédés, cadence) Recyclabilité Résistance à l impact Inconvénients Tg plus faible Ramollissement Moins bonne adhésion fibre/matrice Propriétés mécaniques plus faibles (en statique) Résistance au feu - [Aucher, 2011] : Intérêt des matrices PEEK et PPS 5

6 Contexte Pièces déjà réalisées en composites à matrice thermoplastique 6

7 Contexte Cas critique : Incendie qui se déclare dans le moteur Très peu d études sur le comportement au feu des composites thermoplastiques Problématique : Comparaison du comportement thermo-mécanique de composites à matrice thermodurcissable et thermoplastique Problématique multi-physique : mécanique et thermique Collaboration: Projet financé par l Institut Carnot ESP (Energie et Système de Propulsion) 7

8 Introduction Contexte Table des matières Procédures expérimentales Matériaux Exposition au feu / Essais mécaniques Analyse thermique Mesure de température Dégradation thermique ATG Comportement mécanique après exposition au feu Traction Compression Conclusion Références 8

9 Procédures expérimentales Matériaux étudiés: Fibres de carbone / Epoxy (thermodurcissable) Fibres de carbone / PPS (thermoplastique) Tissage d un pli Satin de 5 Séquence d empilement des plis Quasi isotrope (QI) : alternance de plis [0,90 ] et [+45,-45 ]) Angle-ply (AP) : enchainement de plis [+45,-45 ]) Zones riches en matrice Pli tissé satin de 5 9

10 Procédures expérimentales: Analyse thermique Essais mécaniques Flux thermique : 20, 30, 40 et 50kW/m² Temps d exposition: 1, 2 et 5 minutes Analyse Thermo-Gravimétrique (ATG) Differential Scan Calorimetry (DSC) Essai de compression : montage antiflambement [SOURCE] Exposition à un flux thermique de 50kW/m² Eprouvette de traction 10

11 Introduction Contexte Table des matières Procédures expérimentales Matériaux Exposition au feu / Essais mécaniques Analyse thermique Mesure de température Dégradation thermique ATG Comportement mécanique après exposition au feu Traction Compression Conclusion Références 11

12 Analyse thermique Mesure de température (face exposée) [VIE14] C/Epoxy C/PPS Auto inflammation Auto inflammation après 55s à 50 kw/m² 12

13 Analyse thermique Ignition d un C/Epoxy 13

14 Analyse thermique Comparaison face exposée au feu / face non exposée (C/PPS) Face exposée Face non exposée A partir de 30 kw/m² Pyrolyse en surface Gradient thermique très important «Etat physique» du matériau complexe 14

15 Analyse thermique Dégradations observées Surface exposée / Estimation de la zone dégradée 20mm Surface exposée 15

16 Analyse thermique Teneur en oxygène Représentation simplifiée de la décomposition thermique d un matériau composite [FEI12] 16

17 Analyse thermique ATG sous atmosphère neutre (N2) Pour les 2 matériaux, un mécanisme de dégradation formant du char, mais : Température de dégradation du PPS plus élevée Quantité de char formé par le PPS plus élevée 17

18 Mass loss (%) Mass loss rate (%/ C) Mass loss (%) Mass loss rate (%/ C) Analyse thermique ATG sous atmosphère oxydante (O2) C/Epoxy C/PPS C/Epoxy vierge C/Epoxy vierge (dm/dt) 1, C/PPS vierge C/PPS vierge (dm/dt) 1, , , Temperature ( C) Temperature ( C) 2 mécanismes de dégradation pour le C/PPS (formation du char / oxydation 3 mécanismes de dégradation pour le C/Epoxy 18

19 Analyse thermique Observations microscopiques Fissuration de la matrice Flux thermique Surface exposée C/Epoxy Char Zone «vierge» Décohésion fibre/matrice intra-laminaire Flux thermique Surface non exposée Surface exposée C/PPS Char Surface non exposée 19

20 Analyse thermique Observations au MEB : C/Epoxy après exposition (40kW/m²) Légère oxydation des fibres 20

21 Analyse thermique Observations au MEB : C/PPS après exposition (40kW/m²) Redistribution dans le réseau fibreux de la matrice fondue Maintien partiel de la cohésion fibre/matrice Protection contre l oxydation 21

22 Introduction Contexte Table des matières Procédures expérimentales Matériaux Exposition au feu / Essais mécaniques Analyse thermique Mesure de température Dégradation thermique ATG Comportement mécanique après exposition au feu Traction Compression Conclusion Références 22

23 Comportement mécanique après exposition au feu Essais de traction [VIE14] C/Epoxy C/PPS 23

24 Contrainte à rupture (MPa) Comportement après exposition au feu Essais de compression [PET15] Contrainte à rupture Rigidité -60 % -80 % Rigidité (GPa) 0 0 Vierge Flux thermique (kw/m²) 0 Propriétés mécaniques en compression plus dégradées par l exposition au feu -60% pour la rigidité contre -35% en traction -80% pour la contrainte à rupture contre -30% en traction 24

25 Conclusion Influence d une exposition au feu o Ignition du C/Epoxy // Pas d ignition du C/PPS o Mécanismes de dégradation différents o Protection partielle des fibres contre l oxydation grâce à la redistribution de la matrice dans le cas du C/PPS Propriétés mécaniques résiduelles après exposition au feu o Meilleures propriétés en traction o Meilleures propriétés en compression Suite des travaux o Etude du comportement lors d essais combinés (feu et chargement mécaniques simultanés) o Essais de fluage o Nouveaux matériaux testés : C/PEEK + matériau mât A380 o Simulation numérique 25

26 Références [AUC11] : J. Aucher. Etude comparative du comportement composites a matrice thermoplastique ou thermodurcissable. Engineering Sciences. INSA de Rouen, French. [CAR04] Centre d animation régional en matériaux avancés. Glossaire des matériaux composites [FEI12] : S. Feih, AP Mourtiz. Tensile properties of carbon fibres and carbon fibre-polymer composites in fire. Composites : Part A 43 (2012) [PET15] : A. Petit, B. Vieille, A. Coppalle, F. Barbe, M.A. Maaroufi High temperature behavior of PPS based composites for aeronautical applications : influence of fire exposure on tensile and compressive behavior. 20th International Conference on Composite Materials. Copenhague, July [VIE14] : B. Vieille, C Lefebvre, A Coppalle. Post fire behavior of carbon fibers PPS and epoxy-based laminates for aeronautical applications : A comparative study. Materials and Design 63 (2014) [VIE15]: B. Vieille, A. Coppalle, C. Keller, M-R Garda, Q. Viel, E. Dargent. Correlation between post fire behavior and microstructure degradation of aeronautical polymer composites. Materials and Design 74 (2015)