Approche du comportement dynamique d'un oxyde liquide dans un matériau composite autocicatrisant MAC

Les matériaux composites à matrice céramique CMC, sont généralement formés d au moins deux matériaux ayant une forte capacité d adhésion. Ces matériaux sont principalement composés de renforts fibreux assurant la tenue mécanique de la structure et d une matrice qui permet sa cohésion. Utilisées principalement dans le domaine de l aéronautique, elles sont reconnues pour leur bonne tenue mécanique, leur réfractarité élevée tout en conservant une densité faible. Par contre, l inconvénient majeur associé à ces matériaux est l apparition de fissures qui sont dues soit au procédé de fabrication soit aux sollicitations mécaniques externes.Dans ce travail, une attention toute particulière est consacrée aux composites à matrice auto-cicatrisante dont la principale propriété est l'aptitude à "réparer" les effets de la fissure par formation d'un verre visqueux.Ces verres visqueux se forment au sein de la fissure grâce à l oxydation des éléments qui constituent la matrice. Selon la température, différents verres peuvent être formés.Leur fonction est de reboucher les fissures de taille micrométrique de façon à ralentir la diffusion de l'oxygène en direction des fibres et éviter leur rupture par oxydation.Cependant, pour des systèmes en rotation rapide tels que les turbines basse pression des moteurs d avion (pièce étudiée actuellement), on peut s'interroger quant à la mobilisation du verre visqueux cicatrisant dans un système complexe géométriquement et inhomogène du point de vue de la nature des surfaces. Pour approcher le comportement du verre cicatrisant dans un système modèle mais néanmoins réaliste, une approche de modélisation numérique a été entreprise. L'outil numérique utilisé pour cette étude est le code de calcul Thétis développé à l I2M. Celui-ci est adapté à ce type de simulation puisqu'il permet la modélisation d'écoulements diphasiques incluant des phénomènes physiques complexes tels que le mouillage. Ainsi, l'objectif de ce travail est-il de déterminer les limites d'utilisation de ce type de matériau en fonction des conditions auxquels il est soumis en évaluant la mobilité du verre cicatrisant dans la fissure.The Ceramic Matrix Composites (CMCs) are generally formed of at least two materials having strong adhesion ability. These materials are mainly composed of fibrous reinforcement which ensures the mechanical resistance of the structure and a matrix which allows its cohesion.Used mainly in aerospace, the CMCs are highly valued for their good mechanical strength, their good refractory properties associated with a low density.However, the major drawback of these materials is cracks formation due to manufacturing process or to external mechanical stresses.In this study, we focus on composite materials having self-healing properties. These materials have the ability to produce healing viscous glasses in presence of oxygen.These viscous glasses are formed in the crack under the influence of oxidation of matrix compounds. Depending on the temperature level, glasses of different natures are formed.Their main role is to reseal the micrometric cracks, to limit oxygen access to the fibers in order to prevent their rupture by oxidation.However, for fast rotating systems such as the low pressure turbine of aircraft engines, we may question about mobilization of such a viscous glass in a system characterized by a complex geometry and chemically inhomogeneous surfaces.Therefore, a numerical approach was undertaken, using "Thetis" software. Developed at I2M, this software allows us modelling two-phase flow in model simplified geometry (reflecting however reality) including complex phenomena such as wetting. Numerical results yield to the determination of operating limitations of CMCs in terms of healing efficiency as a function of external mechanical stresses (rotation) and crack geometry.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Approche du comportement dynamique d'un oxyde liquide dans un matériau composite autocicatrisant « MAC »

Les matériaux composites à matrice céramique CMC, sont généralement formés d’au moins deux matériaux ayant une forte capacité d’adhésion. Ces matériaux sont principalement composés de renforts fibreux assurant la tenue mécanique de la structure et d’une matrice qui permet sa cohésion. Utilisées principalement dans le domaine de l’aéronautique, elles sont reconnues pour leur bonne tenue mécanique, leur réfractarité élevée tout en conservant une densité faible. Par contre, l’inconvénient majeur associé à ces matériaux est l’apparition de fissures qui sont dues soit au procédé de fabrication soit aux sollicitations mécaniques externes.Dans ce travail, une attention toute particulière est consacrée aux composites à matrice auto-cicatrisante dont la principale propriété est l'aptitude à "réparer" les effets de la fissure par formation d'un verre visqueux.Ces verres visqueux se forment au sein de la fissure grâce à l’oxydation des éléments qui constituent la matrice. Selon la température, différents verres peuvent être formés.Leur fonction est de reboucher les fissures de taille micrométrique de façon à ralentir la diffusion de l'oxygène en direction des fibres et éviter leur rupture par oxydation.Cependant, pour des systèmes en rotation rapide tels que les turbines basse pression des moteurs d’avion (pièce étudiée actuellement), on peut s'interroger quant à la mobilisation du verre visqueux cicatrisant dans un système complexe géométriquement et inhomogène du point de vue de la nature des surfaces. Pour approcher le comportement du verre cicatrisant dans un système modèle mais néanmoins réaliste, une approche de modélisation numérique a été entreprise. L'outil numérique utilisé pour cette étude est le code de calcul Thétis développé à l’I2M. Celui-ci est adapté à ce type de simulation puisqu'il permet la modélisation d'écoulements diphasiques incluant des phénomènes physiques complexes tels que le mouillage. Ainsi, l'objectif de ce travail est-il de déterminer les limites d'utilisation de ce type de matériau en fonction des conditions auxquels il est soumis en évaluant la mobilité du verre cicatrisant dans la fissure.The Ceramic Matrix Composites (CMCs) are generally formed of at least two materials having strong adhesion ability. These materials are mainly composed of fibrous reinforcement which ensures the mechanical resistance of the structure and a matrix which allows its cohesion.Used mainly in aerospace, the CMCs are highly valued for their good mechanical strength, their good refractory properties associated with a low density.However, the major drawback of these materials is cracks formation due to manufacturing process or to external mechanical stresses.In this study, we focus on composite materials having self-healing properties. These materials have the ability to produce healing viscous glasses in presence of oxygen.These viscous glasses are formed in the crack under the influence of oxidation of matrix compounds. Depending on the temperature level, glasses of different natures are formed.Their main role is to reseal the micrometric cracks, to limit oxygen access to the fibers in order to prevent their rupture by oxidation.However, for fast rotating systems such as the low pressure turbine of aircraft engines, we may question about mobilization of such a viscous glass in a system characterized by a complex geometry and chemically inhomogeneous surfaces.Therefore, a numerical approach was undertaken, using "Thetis" software. Developed at I2M, this software allows us modelling two-phase flow in model simplified geometry (reflecting however reality) including complex phenomena such as wetting. Numerical results yield to the determination of operating limitations of CMCs in terms of healing efficiency as a function of external mechanical stresses (rotation) and crack geometry

Approche du comportement dynamique d'un oxyde liquide dans un matériau composite autocicatrisant « MAC »

Les matériaux composites à matrice céramique CMC, sont généralement formés d’au moins deux matériaux ayant une forte capacité d’adhésion. Ces matériaux sont principalement composés de renforts fibreux assurant la tenue mécanique de la structure et d’une matrice qui permet sa cohésion. Utilisées principalement dans le domaine de l’aéronautique, elles sont reconnues pour leur bonne tenue mécanique, leur réfractarité élevée tout en conservant une densité faible. Par contre, l’inconvénient majeur associé à ces matériaux est l’apparition de fissures qui sont dues soit au procédé de fabrication soit aux sollicitations mécaniques externes.Dans ce travail, une attention toute particulière est consacrée aux composites à matrice auto-cicatrisante dont la principale propriété est l'aptitude à "réparer" les effets de la fissure par formation d'un verre visqueux.Ces verres visqueux se forment au sein de la fissure grâce à l’oxydation des éléments qui constituent la matrice. Selon la température, différents verres peuvent être formés.Leur fonction est de reboucher les fissures de taille micrométrique de façon à ralentir la diffusion de l'oxygène en direction des fibres et éviter leur rupture par oxydation.Cependant, pour des systèmes en rotation rapide tels que les turbines basse pression des moteurs d’avion (pièce étudiée actuellement), on peut s'interroger quant à la mobilisation du verre visqueux cicatrisant dans un système complexe géométriquement et inhomogène du point de vue de la nature des surfaces. Pour approcher le comportement du verre cicatrisant dans un système modèle mais néanmoins réaliste, une approche de modélisation numérique a été entreprise. L'outil numérique utilisé pour cette étude est le code de calcul Thétis développé à l’I2M. Celui-ci est adapté à ce type de simulation puisqu'il permet la modélisation d'écoulements diphasiques incluant des phénomènes physiques complexes tels que le mouillage. Ainsi, l'objectif de ce travail est-il de déterminer les limites d'utilisation de ce type de matériau en fonction des conditions auxquels il est soumis en évaluant la mobilité du verre cicatrisant dans la fissure.The Ceramic Matrix Composites (CMCs) are generally formed of at least two materials having strong adhesion ability. These materials are mainly composed of fibrous reinforcement which ensures the mechanical resistance of the structure and a matrix which allows its cohesion.Used mainly in aerospace, the CMCs are highly valued for their good mechanical strength, their good refractory properties associated with a low density.However, the major drawback of these materials is cracks formation due to manufacturing process or to external mechanical stresses.In this study, we focus on composite materials having self-healing properties. These materials have the ability to produce healing viscous glasses in presence of oxygen.These viscous glasses are formed in the crack under the influence of oxidation of matrix compounds. Depending on the temperature level, glasses of different natures are formed.Their main role is to reseal the micrometric cracks, to limit oxygen access to the fibers in order to prevent their rupture by oxidation.However, for fast rotating systems such as the low pressure turbine of aircraft engines, we may question about mobilization of such a viscous glass in a system characterized by a complex geometry and chemically inhomogeneous surfaces.Therefore, a numerical approach was undertaken, using "Thetis" software. Developed at I2M, this software allows us modelling two-phase flow in model simplified geometry (reflecting however reality) including complex phenomena such as wetting. Numerical results yield to the determination of operating limitations of CMCs in terms of healing efficiency as a function of external mechanical stresses (rotation) and crack geometry

Approche du comportement dynamique d'un oxyde liquide dans un matériau composite « MAC »

Les matériaux composites à matrice auto cicatrisante ont pour principale propriété la formation d'une phase liquide lorsque les fissures micrométriques du matériau apparaissent et réagissent avec l'oxygène. Cette phase liquide limite ainsi l’accès de l’oxygène et protège les fibres d’une rupture par oxydation. Cependant, pour des systèmes en rotation rapide, nous nous interrogeons quant au devenir de la phase liquide dans un système géométriquement complexe et hétérogène d’un point de vue chimique. Une approche par modélisation numérique à été entreprise, grâce au logiciel Thétis de l’I2M permettant la modélisation d'écoulements diphasiques incluant des phénomènes physiques tels que le mouillage, la tension de surface, les effets centrifuges. L'aptitude de Thétis® à prendre en compte les phénomènes cités plus haut, doit tout d'abord être évaluée. Ceci a été réalisé sur différentes situations. En premier lieu, le suivi dynamique d'une goutte impactée sur un plan incliné et mise en mouvement sous l'action de la gravité est reproduit. Ceci permet de comparer les différentes conformations prises par la goutte lors de son déplacement obtenues numériquement avec les résultats expérimentaux de Fujimoto. Nous nous intéressons ensuite à la validation de la loi de Hoffman-Tanner dans une configuration expérimentale conduite par Bico et Quéré (pont liquide dans un tube capillaire soumis à la gravité). La confrontation de nos simulations à leur expérience est conduite sur l’angle de contact d’avancée et sur l’épaisseur du film résiduel (loi de Bretherton) laissé lors du déplacement du pont. Enfin, dans des conditions plus proches du problème industriel, la formation d'un pont liquide induite par la croissance à débit constant de gouttes pariétales et la coalescence, ou non, entre deux plans parallèles sera étudiée. L'influence des forces de volume sur la formation du pont et sur son évolution est analysée à partir des résultats des simulations numériques

Motion of a liquid bridge in a capillary slot: a numerical investigation of wettability and geometrical effects

This study presents the dynamic behavior of a liquid volume (bridge, film), submitted to different physical phenomena. Effects of surface phenomena such as wetting, surface tension and mechanical phenomena such as strong body force (centrifugation) in various configurations are explored. A numerical modeling approach was undertaken, using Thetis software, developed by I2M (Institute of Mechanics and Engineering of Bordeaux), to study the influence of the mentioned physical phenomena on the displacement of a viscous liquid. At first, in order to illustrate the ability of the numerical model of wettability and to assess its validity, two different test cases are presented. Post-treatment of the results show that static and dynamic contact angles, were satisfactorily simulated. Subsequently, numerical description of the formation of a liquid bridge, due to the growth and coalescence of two microdrops growing at constant flow rate is studied. Then, the evolution of the liquid bridge under the action of a body force is investigated. This case is of practical importance for self-healing matrix composites, whose lifetime depends on the formation and residence time of a viscous plug in micrometric cracks