Séminaire : Christophe Bois

La transition vers de nouvelles sources d’énergie implique le développement de nouveaux dispositifs de stockage tel que les réservoirs de gaz hautes pressions ou les réservoirs de liquides cryogéniques, en particulier pour l’hydrogène. Par ailleurs, la réduction de la consommation d’énergie dans les transports repose sur des structures légères et compactes. Grace à leurs résistances spécifiques élevées, les matériaux composites constituent des solutions incontournables pour relever ces nouveaux défis.

En raison de la densité volumétrique d’énergie qu’il permet, le stockage cryogénique de l’hydrogène semble la seule solution viable pour les véhicules lourds, les trains et les aéronefs. L’état liquide du combustible ne nécessite pas un stockage à haute pression, ce qui conduit à des structures d’épaisseur faible (quelques millimètres) et donc légères et moins couteuses, même si l’isolation thermique requise pour ce type de stockage peut impacter significativement la masse et le cout. La suppression du liner pour les réservoirs composites permet de réduire à la fois la masse et le cout. Toutefois, le développement d’un réservoir tout composite fait de l’exigence d’étanchéité un défi difficile à relever. De nombreuses études ont mis en évidence le lien entre l’endommagement des composites et sa perméabilité, le mécanisme le plus critique étant la fissuration transverse qui génère des réseaux de fissures traversants [1,2]. Ces fissures s’initient et coalescent significativement avant la rupture de la structure, tout particulièrement aux températures cryogéniques auxquelles les matrices polymères deviennent fragiles et pour lesquelles les contraintes d’origines thermiques se rapprochent de la résistance transverse.

Les premiers travaux sur ce sujet au sein de l’I2M portaient sur le stockage de méthane ou d’oxygène pour les lanceurs spatiaux en collaboration avec le CNES et ArianeGroup. Plus récemment, une collaboration avec AIRBUS a démarré dans le cadre du concept ZEROe dans lequel l’hydrogène a une place importante.

Les activités visent à proposer un outil de prédiction des débits de fuite s’appuyant sur une compréhension fine du scénario d’accumulation des endommagements dans les différents plis d’un stratifié soumis à un chargement thermomécanique. La démarche d’analyse et de caractérisation repose sur des observations sous charge par microscopie et microtomographie des zones endommagée [3,4]. Des dispositifs expérimentaux originaux permettent de créer un environnement cryogénique par pulvérisation ou immersion d’azote liquide autour d’éprouvettes droites sollicitées en traction ou de tubes soumis à un chargement biaxial [5–7]. Des essais virtuels basés sur des interfaces cohésives endommageables et la mécanique de la rupture incrémentale permettent de compléter les analyses expérimentales [8]. Ces deux approches complémentaires ont permis de construire un modèle mésoscopique par un changement d’échelle permettant de conserver le double critère énergie résistance pour simuler le développement du réseau de fissures [3,6]. Le modèle inclue ainsi à la fois l’effet de l’épaisseur des plis, les interactions entre les endommagements des plis adjacents et la variabilité des propriétés mécaniques. Il a été évalué sur des stratifications comportant jusqu’à 6 orientations différentes et soumises à un chargement biaxial. A ce jour il permet de prédire les taux de connexion entre plis et de quantifier ainsi l’apparition de chemin de fuite. Les travaux en cours visent à intégrer la prédiction du débit de fuite en prenant en compte l’ouverture du réseau de fissures sous chargement thermomécanique.

 

Références

[1]    H. Kumazawa, H. Hayashi, I. Susuki, T. Utsunomiya, Damage and permeability evolution in CFRP cross-ply laminates, Fifteenth Int. Conf. Compos. Mater. ICCM-15 Fifteenth Int. Conf. Compos. Mater. 76 (2006) 73–81. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2006.06.011.
[2]    D.M. Grogan, C.M. Ó Brádaigh, J.P. McGarry, S.B. Leen, Damage and permeability in tape-laid thermoplastic composite cryogenic tanks, Compos. Part Appl. Sci. Manuf. 78 (2015) 390–402. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.08.037.
[3]    H. Laeuffer, Caractérisation et modélisation des réseaux de fissures pour la prédiction de la perméabilité des réservoirs composites stratifiés sans liner, Thèse de doctorat, Arts et Metiers ParisTech, 2017. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01812568.
[4]    C. Bois, J.-C. Malenfant, J.-C. Wahl, M. Danis, A multiscale damage and crack opening model for the prediction of flow path in laminated composite, Compos. Sci. Technol. 97 (2014) 81–89. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2014.04.002.
[5]    Y. Accettura, J. Verrecke, T. Briand, C. Bois, J.-C. Wahl, Experimental methods dedicated to the study of cracking process in laminated composites subjected to thermomechanical loadings, in: 16th Cryog., Dresden, 2023.
[6]    T. Briand, Caractérisation et modélisation de la relation entre l’endommagement et la perméabilité d’un composite stratifié en condition cryogénique, Thèse de doctorat, Université Bordeaux, 2021. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03322713.
[7]    H. Laeuffer, J. Arbaoui, C. Bois, F. Lavelle, N. Perry, J.-C. Wahl, A new device to measure permeability evolution under pressure loading: Application to CFRP pipes, Measurement. 98 (2017) 68–76. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2016.11.023.
[8]    J. Verrecke, C. Bois, J.-C. Wahl, Study of intra- and inter-laminar damage interactions in laminated composites using finite fracture mechanics, in: 15th Int. Conf. Fract., Atlanta, USA, 2023.