DES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE D'ALUMINIUM AS7G06 RENFORCEE PAR DES FIBRES COURTES DE CARBURE DE SILICIUM ONT ETE ELABORES PAR RHEOMOULAGE. LA DEFORMABILITE A HAUTE TEMPERATURE DE CES MATERIAUX EST ETUDIEE EN TRACTION ET COMPRESSION. LES PARAMETRES CONSIDERES SONT LA FRACTION VOLUMIQUE DE RENFORT, LA TEMPERATURE D'ESSAI ET LA VITESSE DE DEFORMATION AFIN D'EN DEDUIRE LES CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT VISCOPLASTIQUE: LE COEFFICIENT DE SENSIBILITE DE LA CONTRAINTE D'ECOULEMENT A LA VITESSE DE DEFORMATION ET L'ENERGIE D'ACTIVATION APPARENTE DU PHENOMENE. LES EVOLUTIONS DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES, LA REORIENTATION ET L'ENDOMMAGEMENT DU RENFORT AINSI QUE L'INTERACTION CHIMIQUE A L'INTERFACE FIBRE MATRICE ONT ETE ANALYSES. L'ENSEMBLE DE CES OBSERVATIONS SONT CORRELEES DE MANIERE A DEFINIR LES CONDITIONS OPTIMALES DE TRANSFORMATION DE CE TYPE DE MATERIAU ET AMELIORER NOTRE CONNAISSANCE DE LEUR COMPORTEMENT MECANIQUE

ELABORATION PAR RHEOMOULAGE ET PAR MOULAGE FORGEAGE DES MATERIAUX COMPOSITES RENFORCES PAR DES FIBRES COURTES EN CARBURE DE SILICIUM. ETUDE DE LA COULABILITE DES MELANGES FIBRES-ALLIAGE LIQUIDE EN FONCTION DE LA NATURE DE LA LONGUEUR ET DE LA FRACTION VOLUMIQUE DE RENFORT

Les matériaux composites TRC (Textile Reinforced Concrete), consistant d'une matrice cimentaire et d'un renforcement par des textile ou fibres (en carbone, en verre ou en autre matière, ...) sont souvent utilisés pour réparer ou/et renforcer les éléments structurels porteurs (dalle, poutre, colonne) d'anciens ouvrages de génie civil. Ils peuvent être également utilisés comme des éléments porteurs dans les structures neuves (éléments de préfabrications). Afin de développer des composites TRC avec de bonnes caractéristiques à température élevée, on a fait une combinaison entre les textiles de carbone qui possède une bonne capacité mécanique et une matrice réfractaire qui assurent une transmission de charge entre le textile de renforcement et les protège thermiquement contre l'action de température élevée. Le comportement thermomécanique des composites TRC de carbone est expérimentalement et numériquement étudié à l'échelle mésoscopique dans cette thèse. L'avancement scientifique sur ce sujet de thèse permettrait d'améliorer la stabilité au feu des structures qui sont renforcées par des matériaux composites TRC. Ce sujet contribuerait aux intérêts sociaux et économiques significatifs pour le génie civil dans le monde entier en général et au Vietnam en particulier. La thèse concerne la caractérisation expérimentale et modélisation numérique du comportement thermomécanique à température élevée des matériaux composites TRC à l'échelle mésoscopique. Dans une première partie expérimentale, les textiles de carbone (des produits commerciaux sur le marché), la matrice du béton réfractaire et l'interface textile/matrice ont été testés au régime thermomécanique à température constante (allant de 25 °C à 700 °C). Les résultats obtenus montrent un effet du traitement du textile sur le comportement et mode de rupture des textiles de carbone et de l'interface textile/matrice. Un modèle analytique a été également utilisé pour déterminer l'évolution des propriétés thermomécaniques des textiles de carbone en fonction de la température. Le transfert thermique dans l'éprouvette cylindrique du béton réfractaire a été réalisé pour valider les propriétés thermiques du béton réfractaire. Tous les résultats obtenus dans cette partie sont utilisés comme données pour le modèle numérique dans la partie de modélisation. La deuxième partie expérimentale explore le comportement thermomécanique des TRCs sous deux régimes : thermomécanique à température constante et thermomécanique à force constante. Deux textiles de carbone, qui ont donné les meilleures performances à température élevée, ont été choisis pour une fabrication des TRCs. Les résultats expérimentaux montrent un comportement thermomécanique avec l'écrouissage (trois ou deux phases) à température modérée et un comportement fragile à température supérieure de 500 °C. Au régime thermomécanique à force constante, deux composites TRCs peuvent résister plus long que les textiles de carbone seuls grâce à bonne isolation thermique de la matrice cimentaire. En comparant les deux résultats sur les éprouvettes de TRC, l'effet du renforcement de textile (le taux de renfort, le produit de traitement, la géométrie du textile) sur le comportement thermomécanique a été analysé. Tous les résultats expérimentaux de cette partie ont été utilisés pour valider et comparer avec ceux obtenus à partir du modèle numérique. La partie de modélisation numérique a deux buts : prédire le comportement thermomécanique global du composite TRC à partir des propriétés thermomécaniques des matériaux constitutifs ; valider le transfert thermique dans le composite en cas d'augmentation de la température pour prédire la température de rupture ou la durée d'exposition du composite [etc...].

Les composites thermoplastiques hautes performances ont suscité l'intérêt de l'industrie aéronautique pour remplacer l'aluminium dans certaines pièces. Ils permettent la production de pièces moins lourdes et moins coûteuses. Parmi ces matériaux, le PEEK renforcé par des fibres de carbone courtes semble intéressant pour des applications nécessitant de hautes propriétés thermomécaniques. Ce matériau a déjà fait l'objet de travaux au Laboratoire ICA de l'IMT Mines Albi, dans le cadre de la thèse de Jérémy Crevel ainsi que les projets régionaux Midi-Pyrénées CINTHTE, CINTHTE2 et FUI INMAT2. En outre, des applications industrielles sont en cours de développement chez Liebherr Aerospace. Cependant, le comportement à long terme en température de ce matériau est mal connu. L'objectif de cette thèse est de déterminer la plage d'utilisation du matériau en fonction du temps, de la température et du chargement. Deux phénomènes intervenant à hautes températures et à long terme sont étudiés : le vieillissement et le fluage. L'étude du vieillissement sous air s'est concentrée sur l'évolution des propriétés mécaniques en traction après une longue exposition à haute température. L'influence du vieillissement sur les propriétés mécaniques usuelles (module, contrainte à rupture et allongement à rupture) ainsi que sur l'endommagement et la plasticité a été mesurée en dessous et au-dessus de la température de transition vitreuse et pour différentes orientations de fibres. L'évolution de la structure du matériau avec le vieillissement a été suivie pour faire le lien avec les propriétés mécaniques. L'étude du fluage s'est faite à des contraintes inférieures au seuil d'endommagement du matériau. Des essais à court terme et dynamiques fréquentiels ont été réalisés pour définir un modèle de comportement dépendant du temps et l'identifier sur le long terme. Ils ont en outre permis de prendre en compte la température, le vieillissement et l'anisotropie du matériau pour des durées longues. Ces deux études (vieillissement et fluage) ont été unifiées dans un critère de rupture pour prévoir le temps à rupture du matériau. Enfin, un modèle viscoélastique isotrope transverse et des indicateurs de rupture en fluage ont été implémentés dans Abaqus pour réaliser des calculs sur des pièces industrielles.

LES POLYMERES MINERAUX CONSTITUENT UNE NOUVELLE CLASSE DE MATERIAUX PROMIS A UN AVENIR INTERESSANT DANS LA PLAGE DE TEMPERATURES 400-700C. LES MATERIAUX DE TYPE ALUMINOSILICATE, ONT PERMIS L'ELABORATION DE MATERIAUX COMPOSITES A PROPRIETES MECANIQUES ET A TENUE THERMIQUE SATISFAISANTES. LES ETUDES PHYSICOCHIMIQUES ET MECANIQUES ONT MIS EN EVIDENCE LA NATURE ZEOLITHIQUE DU POLYMERE ET DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES PROCHES DE CELLES D'UN CIMENT TYPE PORTLAND ET STABLES JUSQU'A 700C. AU-DELA, L'EVOLUTION STRUCTURALE EST DUE A LA FUSION D'UN SILICATE DE POTASSIUM PRESENT DANS LE POLYMERE. LES COMPOSITES A BASE DE FIBRES DE VERRE PRESENTENT UNE TROP FORTE INTERFACE FIBRE-MATRICE DUE A UNE REACTION CHIMIQUE ENTRE LE VERRE ET LE POLYMERE. CETTE ADHESION IMPORTANTE NE PERMET PAS DE TRANSFERT DE CHARGE. LES FIBRES NE JOUENT DONC PAS LEUR ROLE DE RENFORT. LES COMPOSITES A BASE DE FIBRES DE CARBONE SONT SATISFAISANTS MAIS LEUR TENUE EN TEMPERATURE N'EXCEDE PAS 400C, TEMPERATURE AU-DELA DE LAQUELLE LE CARBONE S'OXYDE. LES MEILLEURS RESULTATS ONT ETE OBTENUS EN RENFORCANT LE POLYMERE AVEC DES FIBRES DE CARBURE DE SILICIUM. LES COMPOSITES ONT UN COMPORTEMENT DE TYPE CERAMIQUE AVEC UNE STABILITE ALLANT JUSQU'A 700C. L'EMISSION ACOUSTIQUE A ETE LARGEMENT UTILISEE POUR ETUDIER L'ENDOMMAGEMENT DE CES MATERIAUX. CETTE ETUDE MONTRE LA FAISABILITE DES COMPOSITES A FIBRES DE CARBURE DE SILICIUM ET A MATRICE MINERALE POUR DES UTILISATIONS EN TEMPERATURES DEPASSANT 500C

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet THEOREM porté par THALES Systèmes Aéroportés. Ce projet est un travail collaboratif entre partenaires industriels et académiques. Il a pour objectif de développer un matériau composite hybride constitué d'une matrice polymère chargée de micro et nanoparticules ayant une conductivité thermique importante et renforcée par des fibres longues de carbone PITCH. Le matériau final doit pouvoir atteindre des valeurs de conductivité thermique élevées équivalentes à celles de l'aluminium (~300W/m/K). Deux principaux axes ont été développés : un axe concernant la matrice chargée et un autre concernant les renforts fibreux. L'axe matrice a permis de développer des modèles numériques de dispersion aléatoire de charges dans un V.E.R. prédéfini afin de déterminer les propriétés homogénéisées de la matrice chargée. L'axe renfort a mis en avant l'influence de différentes architectures fibreuses sur les transferts de chaleur dans les trois directions de l'espace. La réunion de ces deux études a permis de déduire numériquement les propriétés effectives du composite final. Les différents modèles numériques ont été corrélés avec différentes mesures expérimentales.

LE ROLE PRIMORDIAL DE LA LIAISON D'INTERFACE ENTRE MATRICE ET FIBRE AINSI QUE L'INFLUENCE DE LA GEOMETRIE ET DE L'ORIENTATION DES RENFORTS ONT ETE DEMONTRES A PARTIR DES PRINCIPES DU RENFORCEMENT. A L'AIDE DES MODELES DE CALCUL CORRESPONDANT AUX RECHERCHES LES PLUS RECENTES, DES MECANISMES DE COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE ONT ETE ELABORES POUR LES MATERIAUX COMPOSITES ORGANIQUES, METALLIQUES ET CERAMIQUES. UNE ANALYSE DES FACIES DE RUPTURE SOUS DIFFERENTES SOLLICITATIONS A PERMIS DE RELIER LES MECANISMES DE COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE AVEC LA CAPACITE DU MATERIAU COMPOSITE ET DE SA MICROSTRUCTURE A TRANSFERER LES CONTRAINTES MACROSCOPIQUES AU NIVEAU DE L'INTERFACE FIBRE-MATRICE. L'EFFET DE L'ENDOMMAGEMENT ET DES IMPERFECTIONS DE STRUCTURE EVENTUELS A ETE ETUDIE. DES TECHNIQUES APPLIQUEES A LA CONNAISSANCE DE LA LIAISON INTERFACIALE MATRICE-RENFORT ONT ETE DEVELOPPEES, UNE METHODE ORIGINALE DE CARACTERISATION PAR ANALYSE ENTHALPIQUE DIFFERENTIELLE A ETE MISE AU POINT. DES MATERIAUX COMPOSITES PERFORMANTS CORRESPONDANT AUX BESOINS NOUVEAUX DES APPLICATIONS AEROSPATIALES ONT ETE PRESENTES. L'ETUDE D'UN PROCEDE D'ELABORATION D'UN MATERIAU COMPOSITE ECONOMIQUE A BASE D'ALUMINIUM RENFORCE PAR DES FIBRES DE CARBONE, OBTENU PAR COFILAGE A ETE FAITE. L'IMPORTANCE DU DEVELOPPEMENT DES MATRICES INTERMETALLIQUES ET CERAMIQUES ET DES MATERIAUX COMPOSITES CARBONE-CARBONE A ETE MISE EN EVIDENCE POUR LES EMPLOIS A TRES HAUTE TEMPERATURE DES PROJETS FUTURS