Composite Aircraft Engine Fire Walls : a Small-Scale Experimental Testbed to study Thermomechanical Degradation under Fire

Cette thèse traite du comportement de dégradation des matériaux composites époxy renforcés de fibres de carbone exposés à une flamme. Ces composants légers sont utilisés comme des revêtements acoustiques pare-feu ou des nacelles dans les moteurs d'avion turbofan. Ils forment les limites de ce qu'on appelle les zones de feu, à l'interface entre le flux d'air primaire ou secondaire et les sections accessoires. En cas d'incendie indésirable, ces composants doivent agir contre la combustion et empêcher la propagation des flammes, laissant ainsi à l'équipage suffisamment de temps pour détecter le problème et poser l'avion en toute sécurité. Dans le cadre du vaste processus de certification, ces composants doivent subir des essais de résistance au feu pour démontrer qu'ils peuvent résister à une attaque de flamme pendant une durée prescrite tout en conservant leurs propriétés mécaniques. Les normes de certification fournissent des lignes directrices claires pour la mise en place et la procédure des essais, mais les résultats obtenus à l'aide des installations conventionnelles manquent d'une information essentielle : ils ne fournissent pas une mesure des propriétés matérielles des composants testés et de leur évolution dans le temps, mais seulement un simple verdict de réussite/échec. Cette lacune des tests de certification actuels motive le développement d'installations d'essai à petite échelle, comme celle présentée ici, recréant les conditions prescrites dans les normes de certification, mais à un coût moindre et dans des environnements où la dégradation des matériaux peut être évaluée en détail. Les résultats recueillis lors de ces expériences sont destinés à soutenir le développement de modèles numériques et à guider les choix de nouveaux systèmes de matériaux adaptés aux applications aérospatiales à haute température. Un état de l'art détaillé des essais de résistance au feu est d'abord présenté : normes applicables, conditions d'essai et équipement à grande échelle. Un essai de résistance au feu est défini par trois caractéristiques principales : le type de source de chaleur et son flux thermique nominal, l'orientation et la taille de l'éprouvette et les critères de défaillance évalués. Dans le cas des essais au feu, un spécimen monté verticalement est exposé à une flamme calibrée provenant d'un brûleur à mazout et différents critères de défaillance, tels que la combustion continue de l'échantillon ou la pénétration du feu, sont évalués. Bien que le montage d'essai à grande échelle soit commenté à plusieurs reprises dans la thèse, l'objectif principal est l'étude de l'interaction flamme-échantillon à échelle réduite. L'étude de cette interaction exige d'abord le développement d'une infrastructure scientifique capable de recréer des conditions similaires à celles de la certification dans un environnement bien contrôlé et ensuite la mise en oeuvre d'outils de diagnostic appropriés pour évaluer les paramètres qui sont essentiels pour décrire la dégradation thermique des matériaux. La thèse contribue à ces deux sujets, par le développement d'une infrastructure et de méthodes ainsi que par une étude de cas sur la résistance au feu des composites en fibre de carbone. Les méthodes expérimentales présentées comprennent la conception et la mise en oeuvre d'une nouvelle installation à petite échelle. Point de vue novateur dans les essais au feu à l'échelle du banc, cette installation comprend un brûleur au kérosène qui peut atteindre les valeurs de flux thermique et de température de flamme exigées par les normes de certification, mais à une puissance de brûleur considérablement réduite. En outre, des torches à gaz largement utilisées dans les essais scientifiques ont été implementées pour recréer les expériences de pointe de la littérature. Tous les brûleurs ont été calibrés pour atteindre la densité du flux thermique et les températures de flamme spécifiées dans les normes de certification sur une gamme de conditions de fonctionnement, permettant l'étude de l'effet du type de combustible et du rapport d'équivalence de flamme. Les résultats obtenus sont comparés à travers différentes échelles de test pour assurer la cohérence. La thèse se penche sur les méthodes expérimentales (thermographie infrarouge, jauges à couche mince et calorimétrie) et les défis associés pour mesurer la densité du flux thermique et la température de la flamme ou l'émissivité et les températures de l'échantillon. L'une des principales sources d'erreur lors de la mesure de la température de surface d'un matériau se dégradant rapidement à l'aide de la thermographie infrarouge conventionnelle est la variation de l'émissivité. Pour surmonter cette difficulté, nous proposons une technique basée sur la pyrométrie bicolore qui ne nécessite pas la connaissance a priori de l'émissivité de l'échantillon. La thèse fournit une introduction au sujet et discute en détail le modèle de transfert radiatif et la sélection du matériel nécessaire pour réduire les contributions d'erreur globale. Au lieu de mesurer le signal sur une large gamme spectrale, le rapport des signaux acquis à travers deux filtres passe-bande étroits est utilisé sous l'hypothèse principale que la scène est restée inchangée. Cela nécessite toutefois que la fréquence d'acquisition de la caméra et la sélection des filtres optiques soient adaptées à l'expérience. Nous proposons également une méthodologie de post-traitement et une série d'expériences de calibration. Une étude comparative avec différents composites et métaux montre que notre approche réduit significativement l'erreur de mesure. Finalement, l'effet de la chimie de la flamme sur le comportement de dégradation des spécimens de fibre de carbone est étudié en les exposant à des flammes de kérosène et de gaz. Certains résultats ont confirmé la littérature déjà disponible, mais d'autres ont été mis en lumière par les recherches rapportées ici. Il est par exemple connu que les tests utilisant une flamme de gaz propane conduisent en général à une masse résiduelle ou une résistance à la traction résiduelle plus élevée après l'exposition au feu. Cependant, les torches à gaz sont un outil essentiel pour la communauté scientifique dans les expériences de combustion, et nous démontrons qu'une flamme de gaz peut être adaptée pour induire un dommage thermique similaire à celui d'une flamme de kérosène calibrée. La principale contribution de ce travail est donc son approche globale de la mise à l'échelle des essais au feu tout en fournissant une infrastructure scientifique pouvant être utilisée pour des études plus fondamentales de la combustion à l'avenir.