Multi-Physics Modeling of Aerospace Composites Exposed to Fire

Les matériaux composites utilisés en aéronautique doivent réussir des tests de résistance au feu leur imposant de remplir leurs fonctions tout en étant exposé à une flamme durant un temps donné. Or, la combustion d'un matériau composite est un processus complexe impliquant l'interaction entre plusieurs phénomènes thermiques, chimiques et physiques. En particulier, certains phénomènes tel que l'inflammation des gaz issus de la pyrolyse du composite peuvent jouer un rôle crucial lors de sa dégradation. L'utilisation de modèles numériques permet d'étudier les différents processus agissant sur la dégradation du composite et d'aider au développement de nouveaux matériaux résistants au feu. L'objectif de cette thèse est de modéliser la dégradation thermo-chimique d'un matériau composite exposé à une flamme. L'outil prédictif est composé de deux modèles couplés. Premièrement, un modèle thermo-chimique prédit la variation temporelle et spatiale de la température et de la densité du composite en fonction de ses propriétés et des conditions du test de résistance au feu. Ce modèle prend en compte les transferts de chaleur et les réactions chimiques dans l'épaisseur du composite. En particulier, plusieurs mécanismes de réactions chimiques sont proposés afin de modéliser la décomposition chimique de la phase solide en fonction de sa température. Les propriétés thermo-physiques du matériau sont mesurées lors d'expériences indépendantes afin d'être utilisées en tant que paramètres d'entrée dans le modèle. Ensuite, un modèle de cinétique chimique (Cantera) simule l'inflammation des gaz émis par les réactions chimiques en phase solide dans un environnement pauvre en oxygène. L'influence de cette source de chaleur supplémentaire sur la dégradation du matériau est étudiée. Le modèle global est validé à l'aide d'un test de feu à petite échelle, développé afin d'imiter les conditions rencontrées lors de tests de feu à plus grande échelle. Le modèle numérique obtenu s'adapte à différentes conditions de test de feu et à différents matériaux. Il est capable de prédire l'évolution de la température du composite et le temps d'allumage de façon purement théorique, sans avoir recours à des paramètres empiriques propres à chaque test et matériau. En particulier, les résultats montrent que le flux de chaleur reçu par le matériau durant son inflammation est deux fois plus important que celui reçu du test de feu. Concernant la décomposition thermo-chimique du matériau, le mécanisme basés sur des réactions compétitives est le seul permettant de reproduire la masse résiduelle du matériau après exposition à de hautes températures, mais décrit la variation de masse avec moins de précision que les mécanismes basés sur des réactions consécutives ou parallèles.

Abstract

Composites are widely used in the aerospace industry and must act as firewalls in some applications. Their flammability is assessed through standardized fire tests requiring the material to resist to a calibrated pilot flame during 15 minutes. The combustion of the composite is driven by the complex interactions of thermal, chemical and physical processes. In particular, the chemical degradation of the composite produces combustible gases that may ignite when they encounter the pilot flame, providing an additional heat source close to the surface and leading to the rapid destruction of the composite. Fire tests yield a pass or fail verdict but cannot provide insight of the phenomena at stake. The development of new numerical tools could help to understand the interactions of these complex phenomena and support the development of new fire resistant composites. The objective of this thesis is to develop a multi-physics tool to predict the thermo-chemical degradation and ignition of a composite exposed to a pilot flame. An in-house pyrolysis model is developed to compute the material thermo-chemical degradation and coupled with a chemical kinetics software (Cantera) to model the gas-phase reactions. The solid-phase thermo-chemical model accounts for heat transfers, pyrolysis, oxidation and transport of mass through the composite thickness as a function of time. Several reaction schemes, including reactions of different nature (competitive, parallel, consecutive), are compared to model the solid-phase chemical reactions. The composite thermo-physical properties are measured through independent experiments and used as input parameters in the predictive tool. The model is validated against a small-scale test imitating the conditions encountered in largescale fire tests. The method developed here is versatile and does not depend on empirical parameters specific to the fire test conditions. The evolution of the backface temperature as a function of time and of the time-to-ignition for a composite exposed to fire are predicted with a good agreement. In particular, the simulations show that the heat flux received by the material approximately doubles when the pyrolysates ignite. The analysis of the thermo-chemical degradation showed that the schemes based on competitive reactions are the only models able to predict the variation of residual mass of the material exposed to heat as a function of the heating rate, but are less accurate than schemes based on parallel or consecutive reactions to represent the material mass loss rate.