Thermal Modelling of Decomposing Composite Materials Submitted to Fire

L’utilisation des matériaux composites devient de plus en plus importante dans les structures aéronautiques de nouvelle génération. Le gain de masse engendré, et donc de carburant, pousse les constructeurs aéronautiques à les employer de façon optimale. Néanmoins, ces matériaux se dégradent rapidement lorsqu’ils sont soumis à des flux de chaleur importants, entraînant une perte de leur résistance mécanique. Ce problème peut être dramatique pour la sécurité des passagers car la tenue de ces nouvelles structures peut ne plus être assurée dans le cas d’un incendie. Les méthodes actuelles de certification de la tenue au feu des matériaux composites aéronautiques reposent principalement sur l’utilisation de moyens expérimentaux, dont les résultats ne sont représentatifs que des conditions particulières dans lesquelles les essais ont été réalisés. La compréhension des différents phénomènes thermiques, chimiques et mécaniques intervenant lors de la dégradation de ces matériaux, avec l’appui de simulations numériques et d’expériences, peut permettre d’améliorer les méthodes existantes et donc d’optimiser les futures structures aéronautiques dès la phase de conception.Cette étude s’est attachée à développer et valider un modèle thermo-chimique de dégradation des matériaux composites multi-dimensionnel et multi-constituants. Ce modèle permet de traiter des cinétiques de dégradation complexes suivant plusieurs réactions de décompositions et de prendre en compte le transport des gaz produits depuis leur formation jusqu’à leur évacuation hors du matériau. L’utilisation de lois d’homogénéisation avancées est proposée afin de rendre compte des effets des transformations sur les transferts de chaleur et de masse se produisant au sein du matériau. L’application du modèle thermo-chimique à un cas de dégradation sous flux thermique connu mais non-uniforme dans un environnement contrôlé permet de confronter les résultats de simulation aux mesures expérimentales et ainsi de valider l’approche multi-constituants adoptée. Enfin, l’étude numérique de la dégradation d’un composite soumis à une flamme met en avant l’effet des gaz de décomposition éjectés à l’interface sur le flux thermique pariétal échangé.Composite materials are increasingly used in new generation aircraft structures. Mass and as a consequence fuel savingsencourage aircraft manufacturers to use them optimally. However, these materials can degrade quickly when exposed tosignificant heat fluxes, resulting in a loss of mechanical strength. This problem can be dramatic for passenger safety asmechanical resistance of such innovative structures can not be ensured in case of fire events. Current certification methodsof fire resistance of aeronautical composite materials are mainly based on experiments, that are only representative of thespecific conditions under which they were carried out. The understanding of thermal, chemical and mechanical phenomenaoccurring during the decomposition of these materials, with the support of numerical simulations and experiments, can helpimproving existing methods and optimizing the future aeronautical structures from the design chain. This study deals withthe development and validation of a multi-components and multi-dimensional thermo-chemical model of decomposing compositematerials. It can deal with complex degradations following several decomposition reactions as well as transport ofpyrolysis gases from their formation up to their ejection out of the material. The use of advanced homogenization laws isproposed to account for the chemical transformations on heat and mass transfers occurring in the material. The applicationof the thermo-chemical model to a laser degradation study under known but non-uniform heat flux in a controlled environmentallows to confront the simulation results with experimental measurements and thus validate the multi-componentsapproach. Finally, the numerical analysis of a decomposing composite material submitted to a flame highlights the effectof emitted decomposition gases on the exchanged parietal heat flux