Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Composites – Propriétés thermomécaniques – Prévision“

Ce travail concerne la prédiction et l'optimisation, par approches bio-inspirées, du comportement mécanique et thermique de matériaux composites via l'homogénéisation de leurs microstructures.Une chaine de simulation numérique, par Eléments Finis, a permis l'analyse de VER (Volumes Elémentaires Représentatifs) pour diverses formes d'inclusions, avec prise en compte de leurs positions et orientations, et avec variations des contrastes et fractions volumiques. Cette première étape a abouti à la génération d'un ensemble de bases de données portant sur les réponses (en termes de caractéristiques linéaires thermo-élastiques) de microstructures composites.Ces données ont ensuite été utilisées pour alimenter des modèles d'apprentissage automatique, intégrant des approches de Machine Learning et de Deep Learning, dont l'évaluation repose sur le MAE et le RMSE, démontrant ainsi une excellente précision de prédiction.Dès lors, l'étude a porté sur la recherche de microstructures optimisées : le couplage de ces outils numériques de prédiction avec un algorithme génétique a ainsi permis l'obtention, par analyse inverse, l'obtention de VER correspondants à des valeurs prescrites de caractéristiques thermo-élastiques.Afin de rendre ces outils novateurs plus accessibles, une interface Web, a été développée, mettant en avant leurs fonctionnalités interactives et dynamiques. Cette plateforme facilite l'exploration et l'exploitation intuitive des résultats obtenus
This work focuses on the prediction and optimization, using bio-inspired approaches, of the mechanical and thermal behavior of composite materials through the homogenization of their microstructures. A numerical simulation chain, using Finite Elements, enabled the analysis of Representative Volume Elements (RVEs) for various forms of inclusions, considering their positions and orientations, as well as variations in contrasts and volume fractions. This initial step led to the generation of a database set covering the responses (in terms of thermoelastic linear characteristics) of composite microstructures.These data were then used to feed machine learning models, integrating both Machine Learning and Deep Learning approaches, with evaluation based on Mean Absolute Error (MAE) and Root Mean Square Error (RMSE), demonstrating excellent prediction accuracy. Subsequently, the study focused on the search for optimized microstructures: coupling these numerical prediction tools with a genetic algorithm enabled the inverse analysis to obtain RVEs corresponding to prescribed values of thermoelastic characteristics.To make these innovative tools more accessible, a web interface was developed, highlighting their interactive and dynamic functionalities. This platform facilitates the exploration and intuitive exploitation of the obtained results

Ce travail est une étude exploratoire sur la possibilité de réaliser un composite bois polymère ou WPC, rencontrant certaines exigences, notamment la post-thermoformabilité. Nous avons élaboré un panneau composite fibre de bois/thermodurcissable/thermoplastique dans la logique d’un « éco-matériau ». Ce matériau innovant est destiné à un usage structurel ou décoratif. Il est fabriqué selon un procédé de pressage à chaud d’un matelas fibreux. La problématique de l’incompatibilité d’interface entre le bois et le thermoplastique, récurrente pour bon nombre de WPC, a été résolue grâce au développement d’une technique originale d’amélioration de l’adhésion par enrobage. Les améliorations ont permis d’obtenir des caractéristiques physico-mécaniques semblables aux panneaux de densité moyenne. La composante thermoplastique nous a permis d’octroyer une aptitude de post-thermoformabilité à ce matériau. L’analyse détaillée de la composition des panneaux WPC, de leurs propriétés à différentes températures, ainsi qu’un travail de modélisation expliquent, en partie, le comportement complexe de ce nouveau WPC.
Ce travail est une étude exploratoire sur la possibilité de réaliser un composite bois polymère ou WPC, rencontrant certaines exigences, notamment la post-thermoformabilité. Nous avons élaboré un panneau composite fibre de bois/thermodurcissable/thermoplastique dans la logique d’un « éco-matériau ». Ce matériau innovant est destiné à un usage structurel ou décoratif. Il est fabriqué selon un procédé de pressage à chaud d’un matelas fibreux. La problématique de l’incompatibilité d’interface entre le bois et le thermoplastique, récurrente pour bon nombre de WPC, a été résolue grâce au développement d’une technique originale d’amélioration de l’adhésion par enrobage. Les améliorations ont permis d’obtenir des caractéristiques physico-mécaniques semblables aux panneaux de densité moyenne. La composante thermoplastique nous a permis d’octroyer une aptitude de post-thermoformabilité à ce matériau. L’analyse détaillée de la composition des panneaux WPC, de leurs propriétés à différentes températures, ainsi qu’un travail de modélisation expliquent, en partie, le comportement complexe de ce nouveau WPC.
This project deals with a new type of Wood Polymer Composite (WPC) able to be post moulded. Based on wood industry processing we developed different wood/adhesive/thermoplastic fibreboards. This exploratory work leads to an innovative WPC fibreboard dedicated to structural or decorative use. In order to reach sufficient mechanical properties we managed to improve the cohesion properties. In fact, weak interfacial adhesion is a recurrent problem of all Wood/Thermoplastic products. An original coating process of MAPP onto PP fibres gave great interfacial adhesion enhancement and mechanical properties similar to MDF panels. The post thermoforming ability was measured with an original thermoforming test. These investigations, through characterisation and modelling, allowed us to determine the role of different factors and their interactions. Our post mouldable composite WPC fibreboards are porous and made-up of a fibre network which showed a complex rheological behaviour. Morphology, concentration, distribution of each components and surface interactions between them explain this behaviour.
This project deals with a new type of Wood Polymer Composite (WPC) able to be post moulded. Based on wood industry processing we developed different wood/adhesive/thermoplastic fibreboards. This exploratory work leads to an innovative WPC fibreboard dedicated to structural or decorative use. In order to reach sufficient mechanical properties we managed to improve the cohesion properties. In fact, weak interfacial adhesion is a recurrent problem of all Wood/Thermoplastic products. An original coating process of MAPP onto PP fibres gave great interfacial adhesion enhancement and mechanical properties similar to MDF panels. The post thermoforming ability was measured with an original thermoforming test. These investigations, through characterisation and modelling, allowed us to determine the role of different factors and their interactions. Our post mouldable composite WPC fibreboards are porous and made-up of a fibre network which showed a complex rheological behaviour. Morphology, concentration, distribution of each components and surface interactions between them explain this behaviour.

Pour augmenter la ténacité de l'alumine, l'ajout de dispersoïdes de zircone s'avère très efficace, mais seulement à température ambiante. Nous envisageons donc l'ajout d'une troisième phase dispersoïde non-oxyde pour améliorer, à moindre coût, le comportement à haute température de ces composites. Nous réalisons dans un premier temps une évaluation, en vue d'un usage céramique, de poudres d'alumine expérimentales et de la nuance commerciale P172SB produites par ALUMINIUM PECHINEY. Puis nous proposons des axes de travail pour la synthèse d'une alumine spécifique à un usage en tant que matrice de composites pour applications thermomécaniques. Les compositions optimales des composites alumine-zircone sont ensuite déterminées et optimisées. Nous travaillons en particulier sur de nouvelles voies d'élaboration. Le choix de la troisième phase est fait sur la base d'essais de frittage réalisés sur diverses compositions dont les ajouts (TiC, Ti(C,N), TiN, TiB2, B4C, VC et Cr3C2) ont été sélectionnés pour leurs caractéristiques physiccrchimiques adaptées. Finalement des compositions alumine-zircone-carbure de chrome sont élaborées et caractérisées. Nous évaluons en particulier leurs caractéristiques en température
Zirconia particles dispersed in order to promote the mechanism of stress induced phase transformation, is one of the most effective methods for toughening alumina. But it leads to reduction of hardness, Young modulus and high temperature fracture resistance. However with carefully chosen second phase particles, improvement in bath hardness and modulus can be obtained ( according to the law of mixture). Furthermore the presence of highly re fractory hard second phase particles at the grains boundary can impede grain matrix sliding at high temperatures. In the first part we have characterized experimental and commercial alumina (Pl72SB) synthesised by ALUMINIUM ECHINEY, in order to optimise high temperature mechanical properties. In the second part, two optimal Z. T. A. Compositions have been selected and developed. Then after selection of several phases (TiC, TiCN, TiN, TiB2, B4C, VC, Cr3C2) on the basis of their physical properties, sintering tests were conducted on Z. T. A. /non-oxide temary compositions. From these preliminary results, Al203/Zr02/Cr3C2 compositions were developed and specially characterized for high temperature mechanical properties

Le role primordial de la liaison d'interface entre matrice et fibre ainsi que l'influence de la geometrie et de l'orientation des renforts ont ete demontres a partir des principes du renforcement. A l'aide des modeles de calcul correspondant aux recherches les plus recentes, des mecanismes de comportement thermomecanique ont ete elabores pour les materiaux composites organiques, metalliques et ceramiques. Une analyse des facies de rupture sous differentes sollicitations a permis de relier les mecanismes de comportement thermomecanique avec la capacite du materiau composite et de sa microstructure a transferer les contraintes macroscopiques au niveau de l'interface fibre-matrice. L'effet de l'endommagement et des imperfections de structure eventuels a ete etudie. Des techniques appliquees a la connaissance de la liaison interfaciale matrice-renfort ont ete developpees, une methode originale de caracterisation par analyse enthalpique differentielle a ete mise au point. Des materiaux composites performants correspondant aux besoins nouveaux des applications aerospatiales ont ete presentes. L'etude d'un procede d'elaboration d'un materiau composite economique a base d'aluminium renforce par des fibres de carbone, obtenu par cofilage a ete faite. L'importance du developpement des matrices intermetalliques et ceramiques et des materiaux composites carbone-carbone a ete mise en evidence pour les emplois a tres haute temperature des projets futurs

Le travail considere les possibilites d'ameliorer la microstructure et les proprietes supraconductrices des composites a base de nb-ti (nobium-titane)par un changement de la composition chimique des filaments ou de la matrice. Le remplacement du niobium par le tantale dans les filaments de nb-ti est sense augmenter le champ magnetique critique et accroitre la force motrice de formation de la phase. Une fraction volumique elevee de phase est synonyme de densite de courant importante. L'influence de tantale est consideree a partir de l'evolution de la microstructure de deux composites a matrice de cuivre et a filaments de nb-47%ti ou de nb-44%ti-15%ta au cours de leur fabrication. Une composition nb-44%ti-25%ta fabriquee par un procede different est egalement etudiee. Les influences des parametres des traitements thermomecaniques sur la fraction volumique, la morphologie, la taille et la distribution de la phase sont caracterisees. La presence de particules intragranulaires de phase est mise en evidence dans les alliages ternaires. L'effet durcissant et la petite dimension de cette phase jouent un role nefaste sur les proprietes supraconductrices. L'ensemble des resultats conduit a la proposition de schemas de fabrication pour les trois compositions. Les matrices resistives a base de cu-ni avec des filaments tres fins sont utilisees pour reduire les pertes hysteretiques en courant alternatif. A ces faibles tailles de filaments, la formation de composes intermetalliques aux interfaces filaments/matrice doit etre limitee. Cet inconvenient et les resultats connus avec matrices suggerent l'interet de la presente etude des reactions chimiques aux interfaces dans une matrice de cu-12%atni. La caracterisation des natures chimique et cristallographique des couches est approfondie. Par comparaison avec les autres matrices ce resultat joint aux cinetiques de formation des diverses strates demontre l'interet pratique de la composition etudiee.

Pour des applications « grand public », correspondant à des besoins en matériaux susceptibles de présenter des performances thermomécaniques intéressantes à des températures de l’ordre de 1200°C, un programme de recherche a été entrepris pour appliquer la technique de coulage en bande à des matériaux de grande diffusion : les ciments alumineux (SECAR 71 – Lafarge-Alumitnates). L'objectif est de fabriquer des matériaux composites à matrice minérale de faible coût, renforcée avec des fibres en configuration 1D ou 2D à plis croisés, pouvant être utilisés en atmosphère oxydante. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible de réaliser, par la technique de coulage en bande, des composites à matrice à liaison hydraulique renforcée par des fibres céramiques, présentant un comportement non fragile et conservant un bon niveau de résistance à la rupture après déshydratation
For "large public" utilisation, corresponding to materials with good thermo-mechanical properties at temperatures about 1200°C, a research program was undertaken to apply the tape casting method in to great diffusion materials such as aluminous cements (SECAR 71 – Lafarge-Alumitnates). The object is to manufacture composite materials with low cost mineral matrix reinforced with fibres in 1D or 2D configuration, which can be used in oxidizing atmosphere. The results we have obtained, show that it is possible to make by tape casting, composites with hydraulic binder matrix reinforced by ceramic fibres, presenting a non-fragile behaviour and preserving a good level of rupture strength after dehydration

Le composite sic/mas-l a fibres de carbure de silicium nicalon nlm 202 et a matrice vitroceramique mas-l (0. 5li 2o, 0. 5mgo, al 2o 3, 4sio 2) est developpe en vue d'une utilisation prolongee en atmosphere oxydante a moyenne temperature (500-1200\c). Dans cet environnement, son interphase naturelle de carbone s'oxyde rapidement et est a l'origine de la fragilisation du materiau. Pour permettre au composite de conserver ses proprietes d'endommagement, un concept d'interphase poreuse est propose. L'interphase mise au point est un oxyde de composition proche de la matrice mas-l (mgo, 1. 9al 2o 3, 3. 1sio 2) depose par voie-sol-gel en continu. La nature du depot et l'ajout de noirs de carbone dans sa composition permet de generer de la porosite pendant l'elaboration par frittage sous charge du composite. Des essais en flexion 4 points en fonction de la temperature a permis d'evaluer l'efficacite de l'interphase. La caracterisation des proprietes interfaciales par des essais de micro-indentation couples a une etude par microscopie electronique en transmission montrent que l'interphase permet de devier les fissures matricielles et conferent au composite sic/mas-l un comportement non-fragile.

Du fait de bonnes caracteristiques mecaniques specifiques, les composites a matrice base aluminium renforts particulaires de ceramique sont un materiau industriellement interessant, mais leur heterogeneite conduit a des localisations d'endommagement et a une macrofragilite dommageable a leur sécurité d'emploi. Utiliser l'interface comme fusible mécanique a semble une voie prometteuse. Apres une analyse bibliographique du concept interface/interphase, nous intégrons les conditions inter faciales imparfaites linéaires redémontrées a deux voies courantes d'homogénéisation, le modèle trois phases et la méthode des éléments finis a hypothèses périodiques, compares sur un plan fondamental. Un modèle thermodynamique de dégradation des caractéristiques inter faciales conduit a des résultats s'écartant de la réalité expérimentale, du fait de l'endommagement simultané de toutes les interfaces. Des campagnes expérimentales sur des composites extrudes a interfaces de force variable révèlent, grâce a des tractions in situ en meb, différents comportements locaux des interfaces, et démontrent l'importance technologique de la tolérance de la matrice aux défauts. Nous observons des comportements différents par zones, qui nous suggérons une méthode d'homogénéisation à deux niveaux. La première étape calcule, par éléments finis, la courbe de traction elasto-plastique d'un élément de volume représentatif (une zone) sain ou endommage. La seconde les intègre par le schéma autocoherent au sein d'un mélange dont la réponse est celle du matériau expérimental réel. Nous déduisons ainsi la fraction de matériau endommage présente dans le composite, et confrontons nos prévisions à la réalité par des comptages. Enfin, nous discutons de la valeur du modèle en analysant sa sensibilité aux paramètres, et menons en même temps une réflexion sur les critères de fin de vie du composite, tentant de dégager des règles simples pour l'optimisation des matériaux futurs

Dans le but d'evaluer puis d'optimiser leurs proprietes, des composites ceramiques particulaires aln-tib#2 denses (d#r>99 %) ont ete elabores, sans utilisation d'ajout de frittage, par compression isostatique a chaud de melanges de poudres de nitrure aln et de borure tib#2. L'etude des proprietes thermomecaniques et elastiques a permis de selectionner une composition (tib#2 : 75 mol. % ; aln : 25 mol. %) presentant a l'ambiante des caracteristiques mecaniques optimales. L'utilisation de poudres commerciales de plus faible granulometrie ameliore la resistance a la rupture a l'ambiante et la valeur de 620 mpa est conservee jusqu'a 1100c. Le comportement au fluage en flexion de ce materiau est gouverne par la cavitation. La tenue aux chocs thermiques est toutefois limitee a 340c. La seconde partie concerne l'elaboration d'un composite equimolaire aln-tib#2 dense par reaction exothermique entre une poudre de diborure d'aluminium alb#2 et une poudre de nitrure de titane tin, puis densification. La microstructure est fine et homogene, la taille des grains n'excede pas le micrometre. Les proprietes sont tres faiblement ameliorees par rapport au cas precedent. Enfin, la reactivite des materiaux monolithiques aln et tib#2 et celle du composite equimolaire aln-tib#2 ont ete etudiees par analyse thermogravimetrique en regime dynamique d'oxygene. Le composite equimolaire presente une resistance a l'oxydation intermediaire entre celle du diborure de titane qui debute a 700c et celle du nitrure d'aluminium qui commence a 1000c par la formation d'une phase oxynitrure (al#1#0n#8o#3) precedant celle de l'alumine-. Le piegeage in situ d'une partie de l'oxyde b#2o#3 par le nitrure d'aluminium ou l'alumine conduit a la formation d'aluminoborates al#4b#2o#9 et al#1#8b#4o#3#3, ce qui diminue tres fortement la production des vapeurs corrosives de sesquioxyde de bore qui, dans le cas du borure pur, sont observees des 900c.