Ablation physico-chimique d'un composite «fibres de carbone – résine phénolique» sous impacts de gouttes d'alumine

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Technologie (Sciences appliquées),

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

plasmas, transferts thermiques, modélisation numérique, alumine, matériaux composites

Les matériaux composites sont aujourd'hui une solution incontournable pour assurer un gain de poids aux lanceurs modernes tout en améliorant leurs performances. En propulsion solide, le composite ablatif type carbone phénolique (association de fibres de carbone et de résine phénolique) est utilisé pour protéger les structures « froides » de la tuyère qui assure l'éjection des gaz de combustion du propergol. Avec ces gaz, la combustion génère de plus une quantité importante de gouttes d'alumine qui percutent alors le composite et le dégradent fortement. Afin de dimensionner au mieux les pièces en composite, il est nécessaire, en amont, d'étudier le comportement du matériau soumis aux impacts de gouttes d'alumine et de quantifier sa vitesse de récession en fonction des caractéristiques des impacts. Aussi, pour compléter les modèles numériques actuellement utilisés pour prévoir l'ablation du composite, un banc d'essai expérimental permettant de reproduire en partie les conditions d'impact des gouttes d'alumine sur le composite ablatif, a été développé au SPCTS. Son principe est basé sur la projection de particules d'alumine en utilisant des torches à plasma permettant l'obtention de gouttes d'alumine dirigées à grande vitesse (150 à 350 m/s) sur une paroi maintenue à une température élevée (supérieure à 2000°C). Différents moyens de diagnostics permettent de contrôler les paramètres caractéristiques des gouttes (température, vitesse, diamètre moyen, débit massique) et du matériau ablaté (température, vitesse d'ablation). Associée à ces dispositifs, une caméra rapide numérique permet une visualisation directe du comportement du matériau sous impacts de gouttes d'alumine. L'étude expérimentale de l'ablation porte d'abord sur les phénomènes thermochimiques et mécaniques qui s'opèrent lors des impacts de l'alumine liquide puis s'attache à mesurer la vitesse d'ablation du matériau en fonction des paramètres liés aux gouttes (température, vitesse et diamètre moyen) et au matériau (température). L'étude de l'ablation montre que la réactivité chimique entre l'alumine liquide et le carbone du matériau n'apparaît pas comme un mécanisme majoritaire alors que les observations par imagerie rapide mettent en évidence la part essentiellement mécanique de l'ablation du composite sous impacts de gouttes d'alumine. Cette dominante mécanique est confirmée par les mesures de la vitesse d'ablation qui montrent que celle-ci est principalement liée à la vitesse des gouttes d'alumine impactant le matériau composite.