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In this work, the deformation and strength of an oxide/oxide ceramic matrix composite system under stress-rupture conditions were studied both experimentally and analytically. A rupture model for unidirectional composites which incorporates fiber strength statistics, fiber degradation, and matrix damage was derived. The model is based on a micromechanical analysis of the stress state in a fiber near a matrix crack and includes the effects of fiber pullout and global load sharing from broken to unbroken fibers. The parameters required to produce the deformation and lifetime predictions can all be obtained independently of stress-rupture testing through quasi-static tension tests and tests on the individual composite constituents. Thus the model is truly predictive in nature. The predictions from the model were compared to the results of an extensive experimental program. The model captures the trends in steady-state creep and tertiary creep but the lifetime predictions are extremely conservative. The model was further extended to the behavior of cross-ply or woven materials through the use of numeric representations of the fiber stresses as the fibers bridge matrix cracks. Comparison to experiments on woven materials demonstrated the relationship between the behavior of the unidirectional and cross-ply geometries. Finally, an empirical method for predicting the durability of materials which exhibit multiple damage modes is examined and compared to results of accurate Monte Carlo simulations. Such an empirical method is necessary for the durability analysis of large structural members with varying stress and temperature fields over individual components. These analyses typically require the use of finite element methods, but the extensive computations required in micromechanical models render them impractical. The simple method examined in this work, however, is shown to have applicability only over a narrow range of material properties. / Ph. D.

Le travail exposé dans ce mémoire propose un examen, selon une approche multiéchelle, de la relation entre l’évolution de l’endommagement et la perte de conductibilité thermique de Compositesà Matrice Céramique. Les recherches sont menées à la fois sur le plan expérimental et sur le plan théorique. La démarche mise en oeuvre consiste à examiner deux échelles significatives (Microet Meso) auxquelles agissent des mécanismes d’endommagement différents et à évaluer pardes techniques d’homogénéisation l’effet sur les propriétés thermiques effectives.Une attention particulière a été donnée à l’élaboration d’une démarche expérimentale approfondieassociant des moyens de caractérisation mécanique, thermique et microstructurale. Aux deuxéchelles étudiées, un banc expérimental a été conçu pour réaliser des mesures thermiques sur des CMC sollicités mécaniquement. La diffusivité thermique longitudinale du mini composite est estimée par thermographie à détection synchrone. Des variantes de la méthode flash en face arrière sont mises en oeuvre pour l’étude du composite tissé. Par ailleurs, la progression de l’endommagementest déduite de l’enregistrement des signaux acoustiques et d’observations microstructurales post-mortem. Les résultats expérimentaux sont systématiquement comparés à des simulations. A l’échelle Micro, un modèle micromécanique est proposé afin de simuler la perte de conductivité thermique d’un mini composite en traction. A l’échelle Méso, une stratégie multiéchelle de calcul numérique de l’effet de l’endommagement sur les propriétés thermiques d’un CMC tissé est présentée. / In this work the relationship between the evolution of damage and the loss of thermal propertiesof Ceramic Matrix Composites is investigated by a multiscale approach. Research are conductedboth experimentally and theoretically. The implemented approach is to consider two significantscales (micro and meso) where different damage mechanisms are operating and then assess theeffect on the effective thermal properties by homogenization techniques.Particular attention has been given to the development of a thorough experimental work combiningvarious characterization tools (mechanical, thermal and microstructural). At the two aforementionedscales, an experimental setup was designed to perform thermal measurements onCMC under tensile test. Thermal diffusivity of minicomposites is estimated using Lock-in thermography.Also, tranverse diffusivity mapping as well as global in-plane diffusivity of woven CMCare determined by suitable rear face flash methods. The evolution of damage is then derived fromacoustic emission activity along with postmortem microstructural observations. Experimental resultsare systematically compared to simulations. At microscale, a micromechanical-based modelis used to simulate the loss of thermal conductivity of a minicomposite under tensile test. At mesoscale,a multiscale Finite ElementModel is proposed to compute the effect of damage on thermalproperties of woven CMC.

Le développement des moteurs aéronautiques du futur a permis d’accentuer les recherches concernant les matériaux composites thermostructuraux SiC/SiC. La voie classique d’élaboration de ces matériaux consiste en l’infiltration de la matrice via un procédé par voie gazeuse. Due à leur porosité résiduelle importante, ces matériaux possèdent une faible conductivité thermique. Cette dernière peut générer de forts gradients thermiques pouvant entrainer une rupture prématurée de la pièce. Afin de réduire cette porosité, un procédé alternatif peut être utilisé : l’infiltration par du silicium liquide (procédé MI : Melt Infiltration). L’objectif de ce travail est de comprendre l’ensemble des mécanismes intervenant au cours de l’infiltration du silicium au sein d’une préforme fibreuse composée de fibres SiC Hi-Nicalon S. Ce procédé nécessite une étape en amont de l’imprégnation du silicium consistant en l’introduction de particules de SiC au sein de la préforme.La première partie de ce travail a consisté d’une part, en la définition de l’architecture poreuse des matériaux et, d’autre part, en la réalisation de tests de montée capillaire en utilisant des fluides organiques modèles. A l’aide de l’équation de Washburn, il est ainsi possible d’identifier des tailles de pores caractéristiques au sein de la préforme fibreuse et de la matrice granulaire et de prévoir le courbes d’ascension capillaire du silicium liquide au sein des matériaux. La seconde partie de ce travail décrit la mise en place d’un four permettant de réaliser le suivi in-situ de la prise de masse en silicium au cours du procédé MI. Une comparaison entre les résultats expérimentaux et les courbes prévisionnelles obtenues à l’aide de l’équation de Washburn a ainsi pu être effectuée. La dernière partie de ce travail a consisté en la réalisation d’essai d’imprégnation partielle afin d’identifier les mécanismes de montée capillaire du silicium liquide durant le procédé MI. / The development of aeronautic engines increased the need in high temperature SiC/SiC composite researches. A standard way to proceed is to infiltrate the matrix by chemical vapor infiltration. Due to their high porosity, their thermal conductivity is generally low. This could lead to strong thermal gradients and an early failure in a harsh environment. To reduce porosity, an alternative process can be used: the infiltration of molten silicon (MI: Melt Infiltration). The aim of this work is to understand all mechanisms occurring during the infiltration of silicon in a fibrous preform composed of SiC Hi-Nicalon S fibers. This process needs a first step which consists in the introduction of SiC particles into the preform before the MI process.First, this work focused on the definition of the porous structure of studied materials and capillarity tests using wetting organic solvent. With the use of Washburn’s law, it was possible to identify pore sizes within the fibrous preform and the granular matrix, and so to predict the capillarity ascent graphs of molten silicon into our material. A second part was devoted to the conception of an infiltration furnace which allows in situ following of the samples weight gain. The correlation between graphs obtained with the Washburn model and the experimental process could be established. Finally, the last part of this work presents partial infiltrations of molten silicon into studied materials which permit to identify capillary mechanisms occurring during the MI process.

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L’enjeu actuel pour les industriels de l’aéronautique est de diminuer la consommation en carburant et/ou d’augmenter le rendement des avions. A terme, Safran souhaite remplacer les aubes de turbine, actuellement en superalliage, par des aubes en matériau composite tissé de type SiC/SiBC. Il est alors important de prévoir leurs durées de vie. Ce travail a donc consisté à développer un modèle de durée de vie pour ces composites autocicatrisants. Ces matériaux tissés sont constitués de fibres Nicalon, d’une interphase de pyrocarbone et d’une matrice autocicatrisante multicouche (B4C, SiC et SiBC). La particularité de ces composites est l’oxydation de chaque constituant du matériau en fonction de l’environnement (température, atmosphère sèche ou humide). Le modèle de durée de vie développé offre un compromis entre des temps de calcul réduits, malgré la prise en compte de phénomènes physico-chimiques complexes, et une prévision de la durée de vie suffisamment précise. L’approche retenue est un couplage entre un modèle d'endommagement mécanique et un modèle physico-chimique. Un modèle de durée de vie uniaxial a été proposé afin de justifier les différents couplages nécessaires entre les parties mécanique et physico-chimique mais également pour optimiser les algorithmes de résolution. Ce modèle a permis d’identifier les coefficients pour deux nuances de matériaux. Afin de réaliser des essais de structures, un modèle de durée de vie multiaxial a été proposé et implanté dans le code de calcul ZéBuLoN. Un protocole d’identification a également été proposé dans ce travail même si les essais de caractérisation jusqu’ici réalisés ne sont pas suffisants pour identifier complètement le modèle 3D sur ces matériaux. / The current challenge for the aerospace industry is to decrease the fuel consumption and/or to increase the performance of planes. In the future, Safran Group wishes to replace the turbine blades, currently in superalloy, with woven composite SiC/SiBC material blades. Therefore, it is important to predict their life time. This work involved developing a life time model of these self-healing composites. These woven materials are made up of Nicalon fibers, and an interphase of pyrocarbone and a self-healing matrix (B4C, SIC and SiBC). The particularity of these composites is the oxidation of every constituent of the material depending on the environment (temperature, dry or wet atmosphere). The developed life time model offers a compromise between reduced calculating time, in spite considering complex physico-chemical phenomena, and an accurate enough prediction of the life time. The approach chosen is a coupling between a mechanical damage model and a physico-chemical model. A uniaxial life time model was proposed to explain the different necessary couplings between the mechanical and physico-chemical parts but also to optimize the resolution algorithms. This model enabled to identify the coefficients for two grades of materials. In order to carry out tests of structures, a multiaxial life time model was proposed and implemented in the ZéBuLoN Finite Element code. A protocol of identification was also proposed in this work even if the characterization tests so far realized are not sufficient to identify the 3D-Model for these materials.

La durabilité et la fiabilité sont deux facteurs clés dont la maîtrise est essentielle en vue de l’utilisation des composites à matrice céramique (CMC) pour des applications aéronautiques. Il est nécessaire pour cela de pouvoir estimer la durée de vie des structures en service. Cela requiert de quantifier l’endommagement mais aussi d’identifier les différents mécanismes qui en sont à l’origine. Il est donc indispensable d’une part de caractériser les matériaux et de définir les indicateurs d’endommagement les plus adaptés. D’autre part, l’utilisation ou le développement de modèles doivent permettre l’estimation de la durée de vie restante à partir de l’analyse des événements précurseurs associés à la croissance de l’endommagement. L’Emission Acoustique (EA) est une technique qui permet de répondre à cette problématique. En effet, les mécanismes d’endommagement s’accompagnent de libération d’énergie sous forme d’ondes élastiques transitoires. Leur détection, communément appelée émission acoustique, permet de suivre en temps réel le développement de l’endommagement du matériau. Ce moyen est mis en œuvre dans cette thèse qui comporte deux volets complémentaires. Le premier volet porte sur l’identification de la signature acoustique des différents mécanismes impliqués dans l’endommagement des composites à matrice céramique, en vue de permettre une caractérisation fine de la croissance de l’endommagement et de fournir des indicateurs pour la prévision de la rupture. Le second volet porte sur l’estimation de la durée de vie restante sous sollicitation de fatigue statique, à partir de l’émission acoustique en utilisant l’énergie des sources d’EA comme mesure de l’endommagement. Les travaux réalisés dans cette thèse montrent l’apport de l’EA pour l’analyse du comportement mécanique et la prévision de la durée de vie des CMC. Dans le premier volet, la caractérisation robuste des sources d’EA rend possible le suivi en temps réel de l’apparition de chaque mécanisme d’endommagement grâce à une analyse multivariable. Dans le second volet, deux indicateurs, calculables en temps réel, permettent d’identifier deux phases reproductibles dans le comportement des CMC sollicités en fatigue statique, à partir de la libération d’énergie des sources d’EA. La prévision en temps réel de la durée de vie restante est envisageable grâce à la détection de la seconde phase et à la modélisation, par une loi de type puissance, de la libération d’énergie associée. / Ceramic matrix composites (CMCs) are candidates for use in aeronautical applications for which durability and reliability are key factors. Beyond damage characterization, the current objective is to predict structures lifetime in service conditions. This requires quantifying damage evolution and identifying the various damage mechanisms that are involved. Therefore, it is necessary to characterize materials and define suitable damage indicators. The use or development of models would then allow the evaluation of remaining lifetime based on the analysis of precursory events. In this context, Acoustic Emission (AE) is a suitable technique. Indeed, damage mechanisms release energy in the form of transient elastic waves. Their recording, named Acoustic Emission, allows monitoring material damage growth. This technique is used in this work, which is composed of two complementary parts. The first part aims at identifying the acoustic signature of mechanisms involved in damaging of ceramic matrix composites. This would allow an accurate characterization of damage evolution and would provide indicators for rupture prediction. The second part focuses on the evaluation of remaining lifetime under static fatigue loading based on the energy of AE sources as a measure of damage. The following work shows the contribution of acoustic emission for the analysis of mechanical behaviour and lifetime prediction of CMCs. In the first part, a robust characterization of AE sources and the use of multivariate analysis allow monitoring the growth of each damage mechanism. In the second part, two reproducible phases in the behaviour of CMCs under static fatigue are identified on the AE sources energy release by two real-time indicators. The detection of the second phase and modelling of associated energy release by a power law would allow real-time prediction of the remaining lifetime.