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.