Thermomechanical behavior analysis of a 3D-C/C composite from 25°C to 1000°C : in-situ tests and numerical simulation

Ce travail porte sur l’étude du comportement thermomécanique des composites Carbone/Carbone 3D (3D C/C), largement utilisés pour des applications aérospatiales et aéronautiques. Le matériau d’étude, employé dans les cols de tuyères de propulsion, est constitué de nappes de fibres carbone stratifiées et aiguilletées dans la direction hors-plan avant d’être densifiées par une matrice en pyrocarbone. Les 3D-C/C sont connus pour leur faible densité et leurs excellentes propriétés mécaniques spécifiques jusqu’à très haute température. La contrepartie de cette performance est leur structure multi-échelle et la nature complexe des relations entre les propriétés macroscopiques et les paramètres d’élaboration.L’objectif est d’apporter une meilleure compréhension du comportement thermomécanique des C/C, tout en tenant compte de la répartition spatiale de ses constituants ainsi que des mécanismes d’endommagement locaux. La démarcheproposée s’articule autour de deux axes.Dans un premier temps, le suivi expérimental du développement d’endommagements au sein du C/C est réalisé à partir d’essais in-situ sous micro-Computed Tomographie (µCT) et microscopie électronique à balayage (MEB) sur des éprouvettes spécifiques de l’ambiante jusqu’à 1000°C. L’application systématique de la corrélation d’images volumiques pour l’analyse de ces essais nous permet de relier le développement progressif des endommagements en fonction du niveau de chargement et de l’architecture textile. D’après les observations in-situ, les principaux endommagements apparaissent aux interfaces à l’échelle mésoscopique, entre plis et aiguilletages.En se basant sur ces analyses, ce travail propose une modélisation éléments-finis (EF) multi-échelle pour simuler le comportement thermomécanique du C/C 3D. Nous nous attardons notamment l’intégration du comportement aux interfaces, simulé à l’aide de zones cohésives combinant endommagement et frottement. À l’échelle mésoscopique, les cellules représentatives sont directement construites à partir des tomographies. La description proposée nous permet de comparer directement les sites endommagés prédits par les simulations EF aux observations expérimentales. Des simulations, prenant en compte ou non le frottement et l’endommagement aux interfaces sont réalisées. Des confrontations essais/calculs sont ensuite proposées, en comparant notamment les sites d’amorçages observés expérimentalement et numériquement. Elles nous permettent de discuter de la pertinence d’intégrer le comportement aux interfaces afin de représenter adéquatement le comportement thermomécanique des composites 3D-C/C.This work deals with the thermomecanical behavior of 3D needle-punched Carbon/Carbon composites (3D-C/C). These high performance materials are widely used for aerospatial applications. Specifically, the investigated material is a multilayer needled-punched carbon prefom densified by a pyrocarbon matrix, that is used for rocket nozzle throat. 3D-C/C display remarkable properties, such as low density, and excellent thermomechanical behavior up to very high temperature. In exchange for this improved properties, 3D-C/C exhibit an intricate multi-scale architecture and a high dependence between its macroscopic mechanical behavior at high temperature, its process parameters and its microstructure.The objective of this study is to link the micro and meso-structural specificities of such materials to their mechanical properties and response at high temperature. The aim is to better understand how damage appear under mechanical loading, from ambient to high temperature. Our approach is twofold. First, to study the damage onset, in-situ tensile tests under X-ray micro-Computed Tomography (µCT) and scanning electron microscope (SEM) have been carried out on dedicated specimens from 25°C up to 1000°C. The tensile strength of the 3D-C/C was found sensitively enhanced with increasing test temperature due to the closure of initial interfacial debonding by thermal expansion. In-situ observations also showed that further damage mainly occurs at the interfaces between plies and needles, and further highlight the significant link between the material architecture and damage. Digital Volume Correlation analyses allowed us to localize the progressive damage development as a function of the load level and the architecture. Then, based on this analysis, a multi-scale finite element (FE) model was developed to simulate the thermo-mechanical behavior of a 3D C/C with a specific attention to the interfacial phenomena. Interfacial behavior was simulated using cohesive zones models combining interfacial damage and friction. At the meso-scale, representative cells were directly obtained from µCT images. The proposed description allowed us to directly compare the damage predicted with the FE simulations to the experimental observations. Simulations, with or without, damage are presented and compared to experimental test results, in order to conclude on the pertinence of including interface damage to adequately represent the mechanical behavior of these 3D-C/C composites