WO2016087790A1 - Procédé de caractérisation du vieillissement thermique de matériaux composites, en particulier de matériaux composites à matrice organique - Google Patents
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- G01N5/04—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by removing a component, e.g. by evaporation, and weighing the remainder
Definitions
- the invention relates to a method for characterizing the thermal aging of composite materials, in particular organic matrix composite materials.
- the invention finds an advantageous application in the field of aeronautics, a field in which the parts made of composite materials are generally subjected to severe thermal stresses.
- composite materials represent an increasingly important part.
- the composite material parts of an aircraft are subject to constraints, including thermal stresses, which can lead to premature aging of the parts concerned.
- turbojets and nacelles are subject to significant thermal variations.
- these elements are at room temperature on the ground, and undergo in flight either very low temperatures (for the elements located in the so-called cold zone of the nacelle), or very high temperatures (for the elements located in the so-called hot zone of the nacelle).
- the composite material parts of the nacelles are qualified according to minimum mechanical characteristics for exposure at a first given temperature over the lifetime of the aircraft, and at a second given temperature (a peak temperature, greater than the first) on a short duration of cumulative exposure during the life of the aircraft.
- the present invention aims to meet existing needs by providing a method for accurately characterizing the thermal aging of composite material parts, including unpainted parts.
- the invention relates to a method for characterizing the thermal aging of a composite material part, in particular an organic matrix composite material, the method comprising the steps of:
- thermogravimetric analysis under oxidizing atmosphere
- the invention makes it possible to precisely determine the actual level of thermal aging of a composite material part, in particular an aircraft part (for example a part of the propulsion unit).
- the small sample size necessary for the implementation of the method according to the invention allows the repair of the nacelle element subsequent to the sample to enter the field of so-called “cosmetic" repairs. (category defined by the regulations in force). This is an important advantage because so-called cosmetic repairs are much less time-consuming and costly to implement than so-called "structural" repairs.
- the reference chart makes it possible to determine the residual mechanical strength of the composite material as a function of the minimum mechanical properties required.
- the reference chart is obtained by comparison between:
- first data resulting from a study to determine the reduction of the mechanical properties of the composite material as a function of thermal aging
- second data resulting from a study making it possible to determine the thermal aging as a function of the intensity of the peak.
- the first data is obtained by analyzing a first population of samples that have been subjected to different temperatures for different durations, preferably according to a DMA type method.
- the second data are obtained by analysis, according to a thermogravimetric analysis method, of a second population of samples, these samples having been subjected to different temperatures for different durations, the different time / temperature pairs of the first one. population of samples being identical to the time / temperature pairs of the second population of samples.
- thermogravimetric analysis is performed at temperatures below 1100 ° C, preferably below 500 ° C.
- thermogravimetric analysis is performed at temperatures below 350 ° C.
- the mass of the sample taken is between 1 and 5 grams.
- the sample is taken from a part of an aircraft, in particular a part of an aircraft propulsion unit.
- a cosmetic type of repair is performed on the part after sampling.
- FIG. 1 is a schematic representation of a thermogravimetric analysis device
- FIG. 2 is a thermogram obtained by thermogravimetric analysis of a sample of an organic matrix composite material
- FIG. 3 represents curves obtained by deconvolution of the thermogram of FIG. 2;
- FIG. 4 represents, for different samples, the value of the ratio between the intensity of a peak of the thermogram of a given sample and the intensity of the same peak for a reference sample;
- FIG. 5 is a diagram showing the steps for determining the thermal aging of a composite material part according to the invention.
- FIG. 6 is a diagram showing the steps for constructing a reference chart according to the invention.
- Figure 1 is a diagram of a thermogravimetric analysis device 1.
- the device 1 comprises a sealed enclosure 2 designed to contain a sample 3 to be analyzed.
- the sealed enclosure 2 is placed in a furnace 4 making it possible to subject the enclosure 2 and thus the sample 3 which it contains to the temperature necessary for the analysis.
- the atmosphere of the chamber 2 is controlled by injection of a gas, and one can thus subject the sample to different types of atmosphere: oxidizing, reducing, inert ...
- the device 1 further comprises a weighing module of the sample 3.
- the weighing module is disposed inside a sealed enclosure 5.
- it is a so-called “weighing module”. flail “, which thus comprises a beam 6, a counterweight 7 and a hanger 8, at one end of which the sample 3 is hooked.
- the atmosphere of the enclosure 5 is controlled by injection of an inert gas (such as dinitrogen or argon).
- the device 1 makes it possible to implement the thermogravimetric analysis of the sample 3.
- Such an analysis consists in following the evolution of the mass of the sample 3 when it is subjected to a profile. determined thermal (isothermal stage, thermal cycle, rise or fall in temperature), in the controlled atmosphere.
- FIG. 2 shows an example of a thermogram obtained by thermogravimetric analysis of a sample made of organic matrix composite material.
- Curve 20 in FIG. 2 represents the time derivative of the mass loss of the sample (referred to as "intensity" on the graph of FIG. 2 and plotted on the ordinate) as a function of time (the time being measured in abscissa on the graph of Figure 2).
- thermogram of FIG. 2 is applied to a deconvolution treatment.
- the result of this operation is shown in FIG. 3.
- the initial signal (curve 30), corresponding to the curve 20 of FIG. 2 is thus decomposed into several lines, or elementary curves (curves 31, 32, 33, 34, 35), these lines being associated either with the organic matrix of the composite material (typically a resin) or with the reinforcement of the composite material (typically fibers, especially carbon fibers).
- the curves 31, 32 and 33 are associated with the matrix while the curves 34 and 35 are associated with the reinforcement.
- associated is meant that the curves considered respectively account for the oxidation of the matrix or the reinforcement.
- This classification of the different lines results from oxidation tests at different temperatures. It is observed in Figure 3 that each elementary curve has a peak, which can be determined in particular the expectation, the width at half-height and the relative intensity.
- thermogravimetric analysis in an oxidizing atmosphere of samples of an organic matrix composite material makes it possible to characterize the level of thermal aging.
- FIG. 4 is a bar graph giving, for different samples (curves 41, 42, 43, 44, 45), the value of the ratio between the intensity of the peak of a given rank line (in the example the line of rank 1, ie the elementary curve 31 of FIG. 3) for the sample in question and the intensity of the peak of the line of the same rank for the reference sample.
- the samples (with the exception of the reference sample) were previously subjected to a given temperature T1, respectively for a duration D1, D2, D3, D4 and D5.
- thermogravimetric analysis of samples is carried out for a certain number of temperature / time pairs (step 60) and the results obtained are compared (step 62) with the data of a reference study determining the degradation of mechanical properties as a function of thermal aging.
- This comparison makes it possible to extract an abacus 63 giving the residual mechanical strength of the composite material concerned as a function of the peak intensity as shown in particular in FIG. 4.
- the data relating to the thermal aging of the reference study will have been obtained. by any suitable method (step 61), for example by means of DMA type tests on a population of samples having been subjected to the same temperature / time pairs as the population of samples tested by thermogravimetric analysis.
- the chart 63 obtained in accordance with the invention is directly usable by the personnel in charge of maintenance.
- This value is then compared with the reference chart 63, which makes it possible to deduce the level of thermal aging of the sample taken (step 53).
- the invention makes it possible to characterize thermal aging from a sample of very small size (approximately 1 to 5 grams), so that the repair subsequent to the taking of a sample enters the field of so-called cosmetic repairs.
- the method according to the invention is applicable to both painted and unpainted parts.
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Abstract
Procédé de caractérisation du vieillissement thermique d'une pièce en matériau composite, notamment un matériau composite à matrice organique, le procédé comportant les étapes de : • - prélever (50) sur la pièce un échantillon de matériau composite; • - soumettre (51) l'échantillon à une analyse thermogravimétrique sous atmosphère oxydante; • - déterminer (52), à partir de la déconvolution du thermogramme obtenu, l'intensité d'un pic de rang donné, cette intensité étant caractéristique du vieillissement thermique; • - déterminer (53) le vieillissement thermique du matériau composite par comparaison de l'intensité du pic avec un abaque de référence.
Description
Procédé de caractérisation du vieillissement thermique de matériaux composites, en particulier de matériaux composites à matrice organique
L'invention se rapporte à un procédé de caractérisation du vieillissennent thermique de matériaux composites, en particulier de matériaux composites à matrice organique. L'invention trouve une application avantageuse dans le domaine aéronautique, domaine dans lequel les pièces en matériaux composites sont généralement soumises à des contraintes thermiques sévères.
Parmi les matériaux utilisés en aéronautique, les matériaux composites représentent une part de plus en plus importante. Les pièces en matériaux composites d'un aéronef sont soumises à des contraintes, notamment des contraintes thermiques, qui peuvent aboutir au vieillissement prématuré des pièces concernées.
Ces contraintes concernent notamment les ensembles propulsifs, à savoir les turboréacteurs et les nacelles entourant les turboréacteurs. En effet, les éléments des turboréacteurs et des nacelles en matériaux composites sont soumis à des variations thermiques importantes. Par exemple, dans le cas d'une nacelle, ces éléments sont à température ambiante au sol, et subissent en vol soit des températures très basses (pour les éléments situés dans la zone dite froide de la nacelle), soit des températures très élevées (pour les éléments situés dans la zone dite chaude de la nacelle).
Les pièces en matériau composite des nacelles sont qualifiées en fonction de caractéristiques mécaniques minimales pour une exposition à une première température donnée sur la durée de vie de l'avion, et à une deuxième température donnée (une température crête, supérieure à la première) sur une courte durée d'exposition cumulée durant la vie de l'avion.
En pratique, il arrive que les matériaux composites soient soumis à des températures supérieures ou égales au deuxième seuil, pendant une durée occasionnant une diminution non acceptable des propriétés mécaniques.
Il est par conséquent primordial d'être capable de caractériser de manière précise et rapide le vieillissement thermique d'un élément en matériau composite, notamment afin d'évaluer le niveau de perte des caractéristiques mécaniques de cet élément.
On connaît des procédés qui permettent de caractériser le vieillissement thermique en évaluant le degré de décoloration d'une peinture
dite primaire. Ceux-ci sont toutefois d'une précision relative car la qualité de l'évaluation est fortement dépendante de l'application de la peinture primaire (variations d'épaisseur, de l'état de surface, etc.). En outre, ces procédés ne sont naturellement applicables qu'à des pièces peintes, ce qui représente un inconvénient notable eu égard à la présence de nombreuses pièces en matériau composite non peintes.
On connaît par ailleurs des procédés de contrôle semi-destructif. Ces procédés nécessitent le prélèvement d'un échantillon de matériau dont les caractéristiques mécaniques sont ensuite analysées, par exemple des procédés du type analyse mécanique dynamique (également connue sous le nom de DMA, pour « Dynamic mechanical analysis »). Toutefois, ce type de procédé nécessite de prélever un échantillon d'une taille importante, dont la réparation subséquente n'entre pas dans le champ des réparations dites « cosmétiques ».
La présente invention a pour but de répondre aux besoins existants en proposant un procédé permettant de caractériser de manière précise le vieillissement thermique de pièces en matériau composite, notamment de pièces non peintes.
A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé de caractérisation du vieillissement thermique d'une pièce en matériau composite, notamment un matériau composite à matrice organique, le procédé comportant les étapes de :
- prélever sur la pièce un échantillon de matériau composite ;
- soumettre l'échantillon à une analyse thermogravimétrique sous atmosphère oxydante ;
- déterminer, à partir de la déconvolution du thermogramme obtenu, l'intensité d'un pic de rang donné, cette intensité étant caractéristique du vieillissement thermique ;
- déterminer le vieillissement thermique du matériau composite par comparaison de l'intensité du pic avec un abaque de référence.
Ainsi, l'invention permet de déterminer précisément le niveau réel de vieillissement thermique d'une pièce en matériau composite, notamment une pièce d'aéronef (par exemple une pièce de l'ensemble propulsif). La petite taille d'échantillon nécessaire à la mise en œuvre de la méthode selon l'invention permet que la réparation de l'élément de nacelle subséquente au prélèvement entre dans le champ des réparations dites « cosmétiques »
(catégorie définie par les réglementations en vigueur). C'est là un avantage important car les réparations dites cosmétiques sont bien moins longues et coûteuses à mettre en œuvre que les réparations dites « structurales ».
Dans une réalisation, l'abaque de référence permet de déterminer la tenue mécanique résiduelle du matériau composite en fonction des propriétés mécaniques minimales requises.
Dans une réalisation, l'abaque de référence est obtenu par comparaison entre :
des premières données, résultant d'une étude permettant de déterminer la diminution des propriétés mécaniques du matériau composite en fonction du vieillissement thermique ; - des deuxièmes données, résultant d'une étude permettant de déterminer le vieillissement thermique en fonction de l'intensité du pic.
Dans une réalisation, les première données sont obtenues par analyse d'une première population d'échantillons ayant été soumis à différentes températures pendant différentes durées, de préférence selon une méthode de type DMA.
Dans une réalisation, les deuxièmes données sont obtenues par analyse, selon une méthode d'analyse thermogravimétrique, d'une deuxième population d'échantillons, ces échantillons ayant été soumis à différentes températures pendant différentes durées, les différents couples temps/température de la première population d'échantillons étant identiques aux couples temps/température de la deuxième population d'échantillons.
Dans une réalisation, l'analyse thermogravimétrique est réalisée à des températures inférieures à 1 100 °C, de préférence inférieure à 500 °C.
Dans une réalisation, l'analyse thermogravimétrique est réalisée à des températures inférieures à 350 °C.
Dans une réalisation, la masse de l'échantillon prélevé est comprise entre 1 et 5 grammes.
Dans une réalisation, l'échantillon est prélevé sur une pièce d'un aéronef, en particulier une pièce d'un ensemble propulsif d'aéronef.
Dans une réalisation, une réparation de type cosmétique est effectuée sur la pièce après prélèvement de l'échantillon.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
- La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'analyse thermogravimétrique ;
- la figure 2, est un thermogramme obtenu par analyse thermogravimétrique d'un échantillon d'un matériau composite à matrice organique ;
- la figure 3 représente des courbes obtenues par déconvolution du thermogramme de la figure 2 ;
- la figure 4 représente, pour différents échantillons, la valeur du rapport entre l'intensité d'un pic du thermogramme d'un échantillon donné et l'intensité du même pic pour un échantillon de référence ;
- la figure 5 est un diagramme représentant les étapes permettant de déterminer le vieillissement thermique d'une pièce en matériau composite, conformément à l'invention ;
- la figure 6 est un diagramme représentant les étapes permettant de construire un abaque de référence conforme à l'invention. La figure 1 est un schéma d'un dispositif 1 d'analyse thermogravimétrique. Le dispositif 1 comporte une enceinte 2 étanche prévue pour contenir un échantillon 3 à analyser. L'enceinte 2 étanche est disposée au sein d'un four 4 permettant de soumettre l'enceinte 2 et donc l'échantillon 3 qu'elle contient à la température nécessaire pour l'analyse. L'atmosphère de l'enceinte 2 est contrôlée par injection d'un gaz, et l'on peut ainsi soumettre l'échantillon à différents types d'atmosphère : oxydante, réductrice, inerte...
Le dispositif 1 comporte en outre un module de pesée de l'échantillon 3. Le module de pesée est disposé à l'intérieur d'une enceinte étanche 5. Il s'agit dans l'exemple d'un module de pesée dit « à fléau », qui comporte ainsi un fléau 6, un contrepoids 7 et une suspente 8, à une extrémité de laquelle l'échantillon 3 est accroché. L'atmosphère de l'enceinte 5 est contrôlé par injection d'un gaz inerte (tel que le diazote ou l'argon).
Le dispositif 1 permet de mettre en œuvre l'analyse thermogravimétrique de l'échantillon 3. Une telle analyse consiste à suivre l'évolution de la masse de l'échantillon 3 lorsqu'il est soumis à un profil
thermique déterminé (palier isotherme, cycle thermique, montée ou descente en température), dans l'atmosphère contrôlée.
La figure 2 montre un exemple de thermogramme obtenu par analyse thermogravimétrique d'un échantillon en matériau composite à matrice organique. La courbe 20 de la figure 2 représente la dérivée par rapport au temps de la perte de masse de l'échantillon (dénommée « intensité » sur le graphe de la figure 2 et portée en ordonnée) en fonction du temps (le temps étant porté en abscisse sur le graphe de la figure 2).
Dans le cadre de l'invention, on applique au thermogramme de la figure 2 un traitement par déconvolution. Le résultat de cette opération est représenté à la figure 3. Le signal initial (courbe 30), correspondant à la courbe 20 de la figure 2, est ainsi décomposé en plusieurs raies, ou courbes élémentaires (courbes 31 , 32, 33, 34, 35), ces raies étant associées soit à la matrice organique du matériau composite (typiquement une résine) soit au renfort du matériau composite (typiquement des fibres, notamment des fibres de carbone). Dans l'exemple de la figure 3, les courbes 31 , 32 et 33 sont associées à la matrice tandis que les courbes 34 et 35 sont associées au renfort. Par « associé », on entend que les courbes considérées rendent compte respectivement de l'oxydation de la matrice ou du renfort. Ce classement des différentes raies résulte d'essais d'oxydation à différentes températures. On observe sur la figure 3 que chaque courbe élémentaire présente un pic, dont on peut déterminer notamment l'espérance, la largeur à mi-hauteur et l'intensité relative.
Conformément à l'invention, l'analyse thermogravimétrique sous atmosphère oxydante d'échantillons d'un matériau composite à matrice organique, incluant un échantillon de référence et des échantillons ayant préalablement été soumis à différents couples température/durée, permet de caractériser le niveau de vieillissement thermique. La figure 4 est un diagramme en bâtons donnant, pour différents échantillons (courbes 41 , 42, 43, 44, 45), la valeur du rapport entre l'intensité du pic d'une raie de rang donné (dans l'exemple la raie de rang 1 , soit la courbe élémentaire 31 de la figure 3) pour l'échantillon considéré et l'intensité du pic de la raie de même rang pour l'échantillon de référence. Les échantillons (à l'exception de l'échantillon de référence) ont préalablement été soumis à une température donnée T1 , respectivement pendant une durée D1 , D2, D3, D4 et D5. La comparaison des différentes courbes représentées à la figure 4 permet de
constater l'évolution du pic caractérisant le vieillissement thermique, notamment par rapport à la hauteur du pic de référence de l'échantillon de référence (courbe 40). On constate que pour une température T1 donnée, lorsque la durée d'exposition augmente, le rapport entre l'intensité du pic de l'échantillon considéré et l'intensité du pic de l'échantillon de référence diminue. Des évolutions analogues sont également observées pour une exposition à différentes températures pendant une durée donnée.
Comme représenté à la figure 6, l'analyse d'échantillons par thermogravimétrie est effectuée pour un certain nombre de couples température/durée (étape 60) et les résultats obtenus sont comparés (étape 62) aux données d'une étude de référence déterminant la dégradation des propriétés mécaniques en fonction du vieillissement thermique. Cette comparaison permet d'extraire un abaque 63 donnant la tenue mécanique résiduelle du matériau composite concerné en fonction de l'intensité du pic tel que montré notamment sur la figure 4. Les données concernant le vieillissement thermique de l'étude de référence auront été obtenues par toute méthode adaptée (étape 61 ), par exemple au moyen d'essais de type DMA sur une population d'échantillons ayant été soumis aux mêmes couples température/durée que la population d'échantillons testés par analyse thermogravimétrique.
L'abaque 63 obtenu conformément à l'invention est directement utilisable par les personnels en charge de la maintenance. Ainsi, il devient possible, grâce à cet abaque, de caractériser précisément le niveau de vieillissement du matériau composite constituant une pièce embarquée sur un aéronef (et plus particulièrement une pièce située dans l'ensemble propulsif). Comme représenté à la figure 5, il suffit au personnel de prélever un échantillon sur la pièce concernée (étape 50) et de soumettre cet échantillon à une analyse thermogravimétrique (étape 51 ), de manière à déterminer l'intensité du pic telle que décrit plus haut (étape 52). Cette valeur est ensuite comparée avec l'abaque de référence 63, ce qui permet de déduire le niveau de vieillissement thermique de l'échantillon prélevé (étape 53).
L'invention permet de caractériser le vieillissement thermique à partir d'un échantillon de taille très réduite (environ 1 à 5 grammes), ce qui fait que la réparation subséquente au prélèvement d'un échantillon entre dans le champ des réparations dites cosmétiques. En outre, le procédé selon l'invention est applicable aux pièces peintes comme aux pièces non peintes.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un exemple particulier de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
Claims
1 . Procédé de caractérisation du vieillissement thermique d'une pièce en matériau composite, notamment un matériau composite à matrice organique, le procédé comportant les étapes de :
- prélever (50) sur la pièce un échantillon de matériau composite ;
- soumettre (51 ) l'échantillon à une analyse thermogravimétrique sous atmosphère oxydante ;
- déterminer (52), à partir de la déconvolution du thermogramme obtenu, l'intensité d'un pic de rang donné, cette intensité étant caractéristique du vieillissement thermique ;
- déterminer (53) le vieillissement thermique du matériau composite par comparaison de l'intensité du pic avec un abaque de référence (63).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l'abaque de référence (63) permet de déterminer la tenue mécanique résiduelle du matériau composite en fonction des propriétés mécaniques minimales requises.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'abaque de référence est obtenu par comparaison entre :
des premières données, résultant d'une étude permettant de déterminer la diminution des propriétés mécaniques du matériau composite en fonction du vieillissement thermique ;
- des deuxièmes données, résultant d'une étude permettant de déterminer le vieillissement thermique en fonction de l'intensité du pic.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les première données sont obtenues par analyse d'une première population d'échantillons ayant été soumis à différentes températures pendant différentes durées, de préférence selon une méthode de type DMA.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deuxièmes données sont obtenues par analyse, selon une méthode d'analyse
thermogravimétrique, d'une deuxième population d'échantillons, ces échantillons ayant été soumis à différentes températures pendant différentes durées, les différents couples temps/température de la première population d'échantillons étant identiques aux couples temps/température de la deuxième population d'échantillons.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'analyse thermogravimétrique est réalisée à des températures inférieures à 1 100 °C, de préférence inférieure à 500 °C.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'analyse thermogravimétrique est réalisée à des températures inférieures à 350 °C.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la masse de l'échantillon prélevé est comprise entre 1 et 5 grammes.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'échantillon est prélevé sur une pièce d'un aéronef, en particulier une pièce d'un ensemble propulsif d'aéronef.
10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel une réparation de type cosmétique est effectuée sur la pièce après prélèvement de l'échantillon.
Applications Claiming Priority (2)
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Publications (1)
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2014
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