Composites Auto-Cicatrisants Virtuels pour la Propulsion Aéronautique – ViSCAP

Les composites à matrice céramique auto-cicatrisante (CMC-MAC) ont des durées de vie très longues, même sous des sollicitations thermiques, mécaniques et chimiques. Ils sont constitués de fibres céramiques entourées d’une matrice céramique fragile sujette à la multi-fissuration, ce qui leur confère un comportement « élastique-endommageable ».
Le réseau de fissures résultant d’un endommagement local ouvre un chemin à la dégradation des fibres par corrosion et en fin de compte à la rupture du composite, par exemple sous fatigue statique en conditions oxydantes à haute température. Mais ces matériaux ont la particularité de se protéger contre la corrosion par la formation d’un oxyde cicatrisant qui remplit les fissures matricielles, retardant considérablement la dégradation des fibres. Les applications se développent pour les pièces chaudes de réacteurs d’avions civils et représentent un marché considérable. Cependant, ceci n’est possible que si la durée de vie des matériaux est totalement certifiée. La modélisation numérique est un outil essentiel dans cet objectif ; or, très peu de modèles mathématiques existent pour ces matériaux ; répondre aux besoins nécessite un fort investissement au niveau académique avant d’aborder la valorisation industrielle. Ainsi, l’ambition de ce projet innovant est de fournir des modèles numériques fiables, performants et validés expérimentalement capables de reproduire le comportement des CMC-MAC. Le point de départ, existant, est un modèle couplé basé image de la dégradation par oxydation progressive sous tension d’un mini-composite (c’est-à-dire un faisceau unidirectionnel de fibres entourées de matrice multicouche). Des améliorations importantes seront apportées à ce modèle de base afin de mieux décrire les interactions entre divers phénomènes physico-chimiques menant à un comportement non-linéaire : ceci nécessitera un investissement fort en analyse mathématique et numérique. Une campagne de calculs permettra de créer une vaste base de données servant de support à une analyse statistique de l’impact de variations des paramètres du matériau et de l’environnement sur la durée de vie. Des validations expérimentales de ce modèle par confrontation à des tests sur échantillons modèles effectués in-situ sous tomographe à rayons X – dans une cellule de traction à chaud sous environnement contrôlé adaptée spécialement à ce besoin – ou caractérisés par d’autres techniques sont proposées. L’extension de la modélisation à des réseaux discrets de fissures pour une description à grande échelle de la vie du matériau sera l’action suivante ; elle demande des développements importants en manipulation de maillages et en analyse mathématique de modèles. Finalement, une validation expérimentale sera effectuée en comparant les résultats des logiciels nouvellement créés à des tests effectués sur des échantillons de composites 3D fournis par le partenaire industriel du projet. L’originalité du projet réside dans son caractère multidisciplinaire, associant des compétences en physicochimie, mécanique, modélisation mathématique et numérique, ainsi qu’en calcul hautes performances. Il vise à créer une plateforme numérique décrivant le caractère multi-échelle, multidimensionnel et multi-physique des phénomènes qui déterminent la durée de vie du matériau. Des retombées importantes de la propulsion à réaction pour l’aviation civile sont attendues, et pourraient concerner bien d’autres matériaux que ceux traités dans ce projet.