Les conditions expérimentales nécessaires à l'étude des matériaux mis en œuvre nécessitent des outils expérimentaux spécifiques permettant de créer des plasmas les plus représentatifs possible des conditions réelles auxquelles seront soumis les matériaux testés. Actuellement, notre équipe dispose de deux outils expérimentaux, l’un dédié aux entrées dans une atmosphère planétaire (Torche ICP), l’autre aux traitements de surface des matériaux (torche DBD).

• La torche ICP permet de reproduire les conditions que trouvent les sondes spatiales lors d’une entrée dans l’atmosphère, la figure 3 illustre deux types de rentrée avec des compositions de gaz différentes.

   

  

  Torche ICP sous différentes atmosphères

• La torche DBD permet le traitement de surface de matériaux sans contraintes thermique, elle est actuellement utilisée pour des études sur le traitement de surface du bois. Ce procédé expérimental a été développé dans le cadre d’une collaboration avec Michelin [7, 8]. La figure 4 illustre l’utilisation de la torche DBD sur du bois dans le but d’amélioré les paramètres d’adhésion.

   

  

Il est important de caractériser les matériaux soumis à un environnement agressif, ce qui nécessite naturellement de caractériser finement ce dernier.

Les conditions extrêmes auxquelles sont soumis les matériaux de l’aérospatial et de l’aéronautique nécessitent des diagnostics spécifiques pour les caractériser, notamment des diagnostics optiques. Les boucliers thermiques sont plongés dans les flux thermiques principalement convectifs et radiatifs de gaz chauds ou plasmas créés lors de la rentrée atmosphérique. La spectroscopie d’émission et l’interférométrie laser sont des  moyens de caractériser ce milieu agressif. De nouvelles techniques de diagnostics et de traitement des données ont déjà été développées pour permettre de déterminer des profils de température, de densité électronique, d’indice de réfraction. Celles-ci sont basées sur les calculs thermodynamiques de composition de gaz à l’équilibre thermodynamique local (ETL).

Un développement ultérieur des techniques d’interférométrie laser (Mach-Zehnder) permettrait d’utiliser le montage déjà existant pour faire de l’imagerie résolue en indice de réfraction, et visualiser les flux gazeux dans les milieux. De nouvelles techniques basées sur l’optique de Fourier pourront être développées pour l’étude de la dynamique des fluides comme la strioscopie.

Les matériaux utilisés dans l’aérospatial et l’aéronautique seront soumis à des conditions extrêmes de température et de rayonnement qui peuvent être recréées à l’aide de torches plasma.

L’impact du traitement sur le matériau pourra ensuite être quantifié puis modélisé à partir des diagnostics effectués avant et après traitement sur le matériau, on peut citer par exemple :

• Les propriétés mécaniques (contrainte à la rupture, coefficient de Poisson ...).
• Les propriétés thermiques (conductivité thermique, diffusivité) mesurées par Laser flash par exemple.
• Les propriétés structurales (imagerie MEB, EDS, DRX, AFM, XPS, ...).

Des techniques d’optimisation par plans d’expériences pourront être également testées pour déterminer les paramètres clés dans la tenue des matériaux. Des expériences automatisées de vieillissement et de fatigue sont aussi envisageables...

Un des principaux inconvénients des méthodes de fiabilité est leur coût de calcul particulièrement pour traiter des problématiques industrielles mettant en œuvre des modèles mécaniques de type éléments-finis. Le recours à des modèles de substitution dits méta-modèles via des stratégies d’enrichissement itératifs permet de diminuer considérablement les temps de calculs. Plusieurs techniques sont utilisées notamment le krigeage (méthodes AK), les SVM (méthode 2SMART) ou bien les réseaux de neurones.

A l’heure actuelle, les matériaux composites sont utilisés de façon intensive dans la plupart des secteurs industriels (aéronautique, bâtiment,  industrie automobile, transport ferroviaire,..). Du fait de la nature hétérogène de ces matériaux, de nombreuses incertitudes existent concernant leurs propriétés mécaniques. Afin d’augmenter la robustesse du processus de dimensionnement des systèmes mécaniques conçus à partir des matériaux composites, il est essentiel de pouvoir déterminer précisément  la variabilité de leurs propriétés matérielles quand cette dernière devient significative. Comme cette variabilité dépend fortement de l’échelle d'analyse, les recherches liées à cette thématique visent principalement à développer de nouvelles méthodes de changement d’échelles qui intègrent à la fois les apports de l’homogénéisation « déterministe » et ceux de la mécanique probabiliste pour caractériser les propriétés mécaniques des composites ainsi que leur variabilité spatiale.

Microstructure de composites renforcés de fibres de lin

Dans cette optique, on s’intéresse plus particulièrement à l’étude de l’influence de la distribution spatiale des différents composants d’un matériau hétérogène (et éventuellement celle des fluctuations de leurs propriétés matérielles) sur la variabilité de son comportement « macroscopique » et des champs locaux qui se développent en son sein.