Le fuselage des avions de nouvelle génération fera de plus en plus appel aux matériaux composites à matrice organique qui présentent des propriétés spécifiques particulièrement intéressantes. Or les structures aéronautiques sont exposées à de nombreuses exigences et en particulier à celle induite par l'impact de "petits fragments" à haute énergie. Le non percement du fuselage nécessite donc d'adjoindre une fonction de blindage à sa fonction habituelle de tenue mécanique. Par rapport à cette problématique, une approche avec intégration de fonction a été adoptée et a mené au développement d'un matériau composite multifonctionnel dans le cadre de ce travail de recherche. L'étude du comportement sous impact à basse vitesse (essais Charpy) et à haute vitesse (essais au canon à gaz) de composites à matrice organique aéronautiques courants et plus spécifiques au blindage a d'abord été réalisée. Cette étude a permis d'établir le lien entre les constituants des matériaux et les différents modes d'absorption de l'énergie d'impact. Plusieurs paramètres ont été discriminés : nature de la matrice (thermodurcissable - thermoplastique), nature de la fibre (minérale - organique), architecture du renfort (UD - tissée - tricotée), taux de porosité intra-mèche, apport d'éléments spécifiques aux inter-plis. Plusieurs concepts de multimatériaux sont ensuite proposés. Ils ont été définis à partir de combinaisons des différents comportements observés sur matériaux élémentaires et sont basés sur différents scénarii d'endommagement. Ils ont été testés à haute vitesse d'impact. Les observations révèlent une aptitude particulière de la fibre de polypara-phénylène-2,6-benzobisoxazole (PBO) à absorber une grande quantité d'énergie par déformation inélastique, notamment lorsqu'elle est faiblement imprégnée. / Next generation aircraft fuselage will increasingly use polymer matrix composites that exhibit interesting specific properties. Aeronautical structures are exposed to many requirements and amongst them to that induced by the impact of high energy "small fragments". In order to avoid fuselage break through, an armour function has to be added to its usual mechanical function. With respect to this issue, an approach aiming the integration of such function was adopted and led to the development of a multifunctional composite material within this research work. The study of the behaviour under low speed (Charpy tests) and high speed (gas gun tests) impact of common and more specific organic matrix composites dedicated to armour was first performed. This study allowed establishing the link between the material components and the various modes of the impact energy absorption. Several parameters were discriminated: matrix type (thermosetting - thermoplastic), fibre type (mineral - organic), reinforcement architecture (UD - woven - knitted), intra-mesh porosity level, addition of specific inter-ply elements. Several concepts of multimaterials were then proposed. They were defined from combinations of various behaviours observed in the basic materials and are based on different damaging scenarios. They were tested under high speed impact. The observations show a particular aptitude of the polyparaphenylene-2,6-benzobisoxazole (PBO) fibre to absorb a large amount of energy by inelastic deformation, especially when it is poorly impregnated.

Les zéolithes sont des solides microporeux cristallins largement utilisés en adsorption, catalyse, échange ionique et comme tamis moléculaires. Les zéolithes hydrophobes purement siliciques (zéosils) peuvent être utilisées pour le stockage et l’absorption de l’énergie mécanique par intrusion d’eau à haute pression. En fonction du système “zéosil-eau”, lorsque la pression est relâchée (extrusion), le système peut restituer, dissiper ou absorber l’énergie mécanique fournie pendant la compression (intrusion) et donc, il peut montrer un comportement de type ressort, amortisseur ou pare-chocs. Récemment, il a été remarqué que l’intrusion de solutions salines peut améliorer considérablement les performances énergétiques de ces systèmes par une augmentation de la pression d’intrusion. Pendant ce travail, l’intrusion d’eau et de solutions de LiCl a été étudiée pour différentes zéosils pour mieux comprendre la relation qui existe entre la structure des zéosils (dimension des pores, type et dimensionnalité du système poreux) et le comportement ou les performances énergétiques du système “zéosil-liquide intrusé”.Les expériences avec des zéosils qui présentent une structure à cage ont confirmé une pression d’intrusion plus faible par rapport à celles observées par les zéosils ayant une structure à canaux. La pression d’intrusion augmente fortement avec la concentration de LiCl pour les zéosils caractérisés par de petites ouvertures des pores, spécialement pour ceux qui ont des cages, tandis que cette augmentation est plus faible lorsque de grandes ouvertures de pores sont présentes. Il a été aussi montré une influence de la concentration du sel sur le comportement, probablement, due à la nature particulière des solutions très concentrées. / Zeolites are microporous crystalline solids widely used in adsorption, catalysis, ion exchange and molecular sieving. Hydrophobic pure-silica zeolites (zeosils) can be used for mechanical energy absorption and storage by high pressure intrusion-extrusion of water. Depending on the “zeosil-water” system, when the pressure is released (extrusion), the system is able to restore, dissipate or absorb the supplied mechanical energy during the compression step (intrusion) and therefore to display a spring, shock absorber or bumper behavior. Recently, it was found that the use of aqueous salt solutions could considerably improve the energetic performances of such systems by an increase of the intrusion pressure.In this work the intrusion of water and LiCl solutions was studied for different zeosils in order to understand the relationship between the structure of zeosils (pore size, pore system type and dimensionality) and the behavior or the energetic performances of “zeosil-liquid” systems. The experiments with cage-type zeosils confirmed a lower intrusion pressure in comparison with channel-type ones. The intrusion pressure strongly increases with the LiCl content for the zeosils with small pore openings, particularly, for the cage-type ones, while for larger pores this increase is less important. An influence of salt concentration on the behavior of “zeosils-liquid” systems probably due to the particular nature of highly concentrated solutions was also shown.

Dans l’optique de la conception et du développement d’un siège aéronautique et afin derespecter la règlementation sécuritaire en vigueur, la structure du siège développé doitpermettre une dissipation rapide de l’énergie perçue en cas de crash aérien (Fig. 1), ceci dansle but de protéger les passagers. La majorité des systèmes intégrés à la structure des sièges etpermettant cette absorption d’énergie (Fig. 2) est constituée de composants métalliques qui sedéforment plastiquement pour dissiper l’énergie due au crash. Actuellement, l’industrie et larecherche se tournent vers les matériaux composites pour substituer de tels systèmes.Cependant le comportement de ces matériaux lors de sollicitations mécaniques sévères estfortement différent des matériaux métalliques, notamment dû au fait que les mécanismesd’endommagement sont très distincts.Le but de cette étude portant sur des structures tubulaires composites est d’évaluer leurcapacité à dissiper l’énergie. A cette fin, différentes stratifications ont été testées encompression (Fig. 3 et 4) dans le but de déterminer leur comportement, comparer leurspropriétés et calculer leurs valeurs de SEA (absorption d'énergie spécifique, en kJ.kg-1)servant à évaluer leur aptitude à dissiper l’énergie engendrée en cas de crash. Ces dernièressont issues des courbes effort-déplacement obtenues lors des essais d’écrasement (Fig. 5). Lesdifférents essais de compression ont été instrumentés et suivis au moyen de caméras rapides etdes images post-essais ont été réalisées par tomographie pour comprendre les mécanismesd’endommagement mis en jeu (Fig. 4 et 6). Ces essais ont été réalisés à vitesse de chargementquasi-statique puis dynamique et selon diverses conditions limites. Les différents résultats decomportement en compression sont également utilisés dans le but de construire et enrichir unmodèle de calcul par éléments finis (Fig. 7 et 8) permettant de simuler la réponse de structurescomposites de différentes natures soumises au crash en intégrant la géométrie et lacomposition de la structure (Fig. 8).L’objectif de ce travail de recherche est ainsi d’évaluer l’énergie pouvant être dissipée par desstructures tubulaires composites, de comparer les absorptions induites par des structurescomposites de compositions différentes, et/ou bi-matériaux, et enfin de fournir un modèleéléments finis représentant le comportement de structures composites en compression jusqu’àl’endommagement et la ruine de la structure.Il a ainsi été établi qu’en chargement statique, un stratifié unidirectionnel orienté à 0° etstabilisé par des plis de tissus répond fortement aux attentes en terme de dissipation d’énergie,mais pas en sollicitation dynamique. Dans ce cas, une stratification à 90° semble plusadéquate. D’autre part, un confinement forcé vers l’intérieur est avantageux dans la plupartdes cas, réduisant le pic d’effort initial sans diminuer drastiquement la valeur de SEA. / With the perspective of the design and development of an aircraft seat and in order to respectthe safety regulations in effect, the structure of the developed seat must allow for a swiftdissipation of the energy received in the event of an aircraft crash (Fig. 1) so as to protect thepassengers. The majority of systems integrated into the seats structure and allowing energydissipation (Fig. 2) consists of metal components that sustain plastic deformation to dissipatethe energy induced by the crash. Currently, industry and research sectors are turning theirfocus towards composite materials to substitute such systems. However, the behavior of thesematerials during severe mechanical stress is strongly different from metallic materials, inparticular due to the fact that damage mechanisms are very distinct.The purpose of this study on composite tubular structures is to evaluate their ability todissipate the energy. To this end, different laminate structures were tested in compression(Fig. 3 and 4) in order to identify their behavior, compare their properties and calculate theirSEA value (Specific Energy Absorption, in kJ.kg-1) used to evaluate their capacity to dissipatethe energy generated during a crash. Those are resulting from the load-displacement curvesobtained during the crushing tests (Fig. 5). The various compression tests were instrumentedand monitored by means of rapid imaging cameras and post-crushing tomographic imaginghas been realized in order to understand the damage mechanisms involved (Fig. 4 and 6).Testing has been carried out under quasi-static and dynamic loading and using severalboundary conditions. The different results of compression and crushing behavior are also usedin order to build and improve a finite element calculation model (Fig. 7 and 8) allowing tosimulate the response of composite structures of different natures subjected to crash byintegrating the geometry and the composition of the structure (Fig. 8).The objective of this research work is thus to evaluate the energy that can be dissipated bycomposite tubular structures, to compare the absorption values induced by compositestructures of different compositions, and/or bi-materials, and, finally, to provide a finiteelement model representing the behavior of composite structure submitted to compressionuntil damage and fracture of the structure.It has consequently been established that in static loading, a unidirectional laminate orientedat 0° and stabilized by woven plies strongly meets the expectations in terms of energydissipation, but that is not the case in dynamic loading. In this case, a 90° stratification seemsmore adequate. Incidentally, an inner constrained containment is more effective in most cases,reducing the initial peak load without drastically reducing the SEA value.

Les mousses métalliques sont des matériaux intéressants pour fabriquer des absorbeurs d'énergie et des panneaux de faible masse travaillant en flexion. Jusque là, l'aluminium a principalement été employé : sa masse volumique réduite et ses performances mécaniques assez élevées ont fait de lui le candidat idéal pour créer des structures rigides et légères pouvant absorber de grandes quantités d'énergie. Cette thèse étudie la possibilité d'employer de l'acier pour produire des mousses métalliques. L'objectif a été de tirer parti du faible coût et/ou des performances mécaniques très élevées de ce métal pour fabriquer des mousses rivalisant avec les mousses d'aluminium. Pour fabriquer des mousses d'acier, deux types de techniques ont été testés dans le cadre de cette thèse : le moussage d'un métal liquide et l'infiltration d'une préforme. Le premier consiste à former une mousse liquide qui est ensuite solidifiée. Pour cela, nous nous sommes attachés à introduire du gaz dans l'acier et à créer les conditions pour que la mousse formée soit stable. Le second consiste à couler le métal dans un réseau de porosités ayant la forme d'une mousse. Pour mettre en œuvre ce procédé, nous avons mis au point une nouvelle technique de fabrication de préformes. Nous avons également étudié les paramètres conditionnant ses possibilités en termes de taille de pièce. Finalement, les performances des mousses d'acier fabriquées par infiltration ont été évaluées, via des essais de compression uniaxiale, pour les comparer à celles des mousses d'aluminium. Une première modélisation numérique de la mousse d'acier a aussi été effectuée, pour en apprécier la pertinence à prévoir le comportement de ce matériau.