Mechanical behaviour and damage of C/C composites at low and high temperatures

Les matériaux composites Carbone/Carbone sont utilisés dans l’industrie aéronautique ainsi que dans l’aérospatial du fait de leurs excellentes propriétés thermomécaniques, de la température ambiante jusqu’à de très hautes températures (< 3000°C). Cependant l’évolution de ces propriétés à hautes températures est peu connue, notamment sous des sollicitations de type freinage auxquelles ces composites peuvent être soumis pour des applications aéronautiques ou dans les sports mécaniques.L’objectif de ce travail était donc d’étudier le comportement mécanique d’un composite C/C stratifié sous des sollicitations mécaniques pouvant intervenir dans une situation de freinage. Ainsi, la compression et le cisaillement ont été particulièrement étudiés, afin de déterminer l’évolution des mécanismes d’endommagement en fonction de la température sous ces modes de chargement. Afin de mener à bien cette étude, plusieurs aspects expérimentaux ont été abordés, tels que la géométrie et la taille des éprouvettes, de même que les difficultés de mesures liées à la réalisation des essais mécaniques à hautes températures. C’est ainsi que des essais originaux de cisaillement interlaminaire à chaud ont pu être réalisés. Parallèlement à ces essais, la microstructure du matériau a été étudiée in-situ et post-mortem par une analyse multi-échelle (à l’échelle des strates, des torons et au niveau des fibres à l’intérieur des torons). L’évolution des propriétés mécaniques a été mise en relation avec les observations microstructurales pour les différents modes de chargement étudiés (compression « Z », compression « XY » et cisaillement interlaminaire), afin de proposer des scenarii d’endommagement du matériau en fonction de la température. Grâce à cette approche, le rôle majeur des dilatations thermiques différentielles des torons sur le frettage des aiguilletages a pu être mis en évidence pour des températures allant jusqu’à 1500°C. Pour des températures supérieures, des effets de plasticité ont été identifiés.Carbon/Carbon composites are used in aeronautics and space industries for their excellent thermomechanical properties, from room temperature to very high temperatures (up to 3000°C). Nevertheless, these properties and their evolution at elevated temperatures are not known well enough, specifically for braking-like solicitations such as plane braking or motorsport braking.The main objectives of this work was to study the mechanical behavior of this composite under mechanical solicitations that may occur during a braking situation. Thereby, compressive and shear behavior were studied in particular, in order to determine the evolution of the damage mechanisms depending on the temperature for these loading modes. In order to lead this study successfully, various experimental aspects have been approached, such as sample geometry, as well as measurements issues due to the mechanical testing at high temperatures. This is how original mechanical testing of the interlaminar shear behavior have been performed. Concurrently with these tests, the material microstructure has been studied in-situ and post-mortem with a multi-scale approach (at ply level, at yarn level and at fiber level inside the strands). The evolution of the mechanical properties has been linked to the microstructure evolution for the different loading modes (Z-compression, XY-compression and interlaminar shear) in order to propose damage scenario of the material as a function of the temperature. This approach allowed us to understand the major role of the thermal differential dilatations of the yarn on the shrinking of the needles for temperatures up to 1500°C. For temperatures higher than 1500°C, plasticity effects have been identified