Modélisation des transferts thermiques dans les matériaux hétérogènes
[A.Cantarel, G.Dusserre, P.Olivier, F.Schmidt]
La modélisation des transferts thermiques et électriques dans les matrices fonctionnalisées nécessite le recours à de la modélisation à l’échelle microscopique. Ces travaux ont pour but d’améliorer la compréhension des effets de taille, de dispersion et d’orientation des charges en vue d’optimiser les morphologies des composites afin d’alimenter les approches homogénéisées.
Dans les procédés utilisant des sources radiatives (émetteurs infrarouges ou LED), la prédiction et l’optimisation des champs thermiques et des densités de flux nécessitent le développement de modèles numériques avancés prenant en compte les échanges de chaleur par rayonnement, couplés aux transferts par convection et conduction. Les travaux de recherche menés ont conduit au développement de modélisation des transferts radiatifs par des approches de lancer de rayons, ainsi que par des méthodes avancées de radiosité. Un des enjeux consiste à intégrer dans la modélisation les évolutions morphologiques des matrices liées, par exemple, à la cinétique de cristallisation ou bien aux transferts de masse (séchage). Initialement développées pour les applications d’emballage en matières thermoplastiques, elles ont été progressivement améliorées et adaptées aux applications composites (cuisson des systèmes époxy, soudage laser de composites et chauffage des préformes dans le procédé d’estampage).
Dans le cas des réparations en escalier d’aéro-structures composites primaires carbone/époxy par collage structural, les conditions de la caractérisation et du contrôle du joint de colle par la thermographie infrarouge ont été évaluées. Ces opérations sont rendu critiques compte tenu de la faible différence de propriétés thermiques (conductivité et chaleur massique) entre les parties constitutives de la zone d'assemblage (i.e. partie parent et patch en carbone-époxy, adhésif époxy). La détection de la présence d’un éventuel défaut de collage nécessite une modification des propriétés thermiques du joint de colle. Une procédure expérimentale originale a été mise au point, permettant une modélisation numérique, physiquement cohérente, démontrant une bonne concordance entre les champs de température mesurés et calculés. Le choix d’un additif offrant le meilleur contraste thermique a été déterminé par la simulation numérique et validé expérimentalement.