Brevet FR3129728A1 — publié le 20230602

L’invention concerne un procédé de mesure d’une dilatation thermique d’un matériau (5), notamment un matériau composite (5), en particulier un matériau composite à matrice organique (5), comprenant notamment des étapes d’immersion d’un corps dans un liquide, et de chauffage de l’ensemble, le corps (30) étant réalisé dans le matériau (5) dont la dilatation thermique est à mesurer. Figure pour l'abrégé : Figure 3 PROCÉDÉ DE MESURE DE LA DILATATION THERMIQUE D’UN MATÉRIAU, NOTAMMENT UN MATERIAU COMPOSITE, EN PARTICULIER UN MATERIAU COMPOSITE À MATRICE ORGANIQUE Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un procédé de mesure de la dilatation thermique d’un matériau, notamment d’un matériau composite, en particulier un matériau composite à matrice organique. Arrière-plan technique Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans la fabrication de pièces de moteurs d’aéronefs pour réduire la masse globale des structures tout en assurant un bon comportement mécanique. Afin d’assurer le bon comportement mécanique d’un moteur d’aéronef, il est nécessaire de prendre en compte comme paramètre essentiel la dilatation thermique des matériaux. En effet, la dilatation thermique des matériaux a une influence sur les jeux entre des pièces du moteur. Une telle variation du jeu influence le rendement global du moteur. Les pièces de moteurs d’aéronefs sont notamment réalisées dans un matériau composite à matrice organique comprenant un renfort sous forme de fibres et présentant un comportement orthotrope fortement influencé par la (les) direction(s) principale(s) du renfort, c’est-à-dire dans les directions de chaine et de trame des fibres tissées. En effet, dans les directions de chaine et de trame, la dilatation thermique est extrêmement faible (de l’ordre de 10-6 mm/mm) et, donc, difficile à mesurer précisément. Les méthodes de mesure les plus utilisées pour mesurer la dilatation thermique d’une pièce en matériau composite consistent en : un procédé d’analyse thermomécanique, également désigné par l’acronyme TMA pour « T hermo M echanical A nalysis » en anglais, et un procédé de mesure par jauge de déformation. Le principe de fonctionnement de l’analyse thermomécanique TMA consiste à placer un échantillon, ou un corps, réalisé dans un matériau composite à matrice organique, dans un four pouvant imposer une rampe thermique maitrisée. La température dans le four est pilotée à l’aide d’un thermocouple placé à proximité de l’échantillon ou du corps. De plus, une sonde est positionnée sur la surface de l’échantillon ou du corps. De plus, une faible force uniforme, de l’ordre de 1N, est appliquée sur cette dernière. Cette force, générée par un moteur linéaire, permet de garder le contact entre la sonde et l’échantillon ou le corps tout au long de la chauffe. Un capteur transducteur différentiel variable linéaire, également désigné par l’acronyme LVDT pour « Linear Variable Differential Transformer » en anglais, permettant la mesure d’une position ou d’un déplacement, permet de mesurer le déplacement de l’axe de la sonde induit par la dilatation thermique de l’échantillon ou du corps. Le coefficient de dilatation thermique du matériau est donc obtenu à l’aide de cette mesure. Cependant, la mesure de dilatation d’un matériau composite par un procédé de l’analyse thermomécanique TMA présente certaines difficultés car la surface du matériau composite ne se déforme pas de manière uniforme. En effet, le matériau composite comprend des poches de résine et des torons de carbone qui ne se dilatent pas de la même façon. Localement les poches de résine se dilatent plus que les torons de carbone. En particulier, les fibres de carbone ont une dilatation nulle, alors qu’une résine peut avoir un coefficient de dilatation proche de 2*10 -5 mm/mm. Ainsi, si la sonde touche une tête de toron ou une poche de résine, la mesure est différente. En outre, la taille de la sonde devient un paramètre important pour obtenir une mesure moyenne de la dilatation. En effet, dans le commerce, les sondes les plus utilisées ont des diamètres compris entre 1mm et 2mm, correspondant à l’ordre de grandeur d’un toron de carbone composé de 48 000 filaments. La norme de l’essai, par exemple ISO11359, préconise l’utilisation du procédé d’analyse thermomécanique pour des mesures de coefficients de dilatation supérieur à 5*10 -6 mm/mm, qui est bien supérieur à la dilatation dans le plan chaine/trame d’un matériau composite. Le procédé d’analyse thermomécanique est ainsi affecté par une erreur très importante dû au capteur LVDT. Par ailleurs, pour effectuer la mesure, l’échantillon doit être positionné dans un tube porte-échantillon ayant un volume limité. Ainsi, pour respecter les contraintes de dimensionnement du tube, la taille de l’échantillon doit être dans toutes les directions d’environ 10mm, sauf dans la direction de la sonde, qui tolère une dimension de 20mm. Ceci impose donc une limite pour le volume de l’échantillon testé. Dans le cas d’un matériau composite avec un motif de tissage complexe, tel qu’un interlock tissé tridimensionnel, le volume élémentaire de l’échantillon est souvent supérieur aux limites imposées. Il faut donc effectuer une mesure sur un volume élémentaire de l’échantillon réduit et incomplet. Le comportement observé par le procédé d’analyse thermomécanique est donc à prendre avec précaution. Le procédé par jauge de déformation est un procédé basé sur la mesure de la déformation de la surface d’un échantillon de matériau composite pendant sa chauffe à l’aide d’une jauge collée sur l’échantillon. La jauge de déformation change sa caractéristique électrique, c’est-à-dire sa résistance, à cause de l’allongement de l’échantillon, mais également à cause de la température d’environnement. Ce dernier point impose donc l’utilisation d’un matériau de référence, dont la dilatation est bien connue en littérature, permettant ainsi de s’affranchir de la modification de la résistance électrique due au seul effet de la température. Le procédé par jauge de déformation présente certaines difficultés pour mesurer la dilatation d’un composite. Tout d’abord, la jauge de déformation doit être collée sur la surface de l’échantillon, nécessitant ainsi un traitement supplémentaire de préparation de l’échantillon. De plus, la jauge de déformation ne mesure que la dilatation de la surface. Les composites à stratification complexe, comme un interlock, c’est-à-dire un tissage tridimensionnel présentant de liage entre les différents plans de tissage, ou un stratifié mixte, c’est-à-dire une stratification de plis orthotropes où les fibres de carbone de chaine sont orientée avec des angles variables dans l’épaisseur, présente un comportement en dilatation thermique diffèrent entre le cœur et la surface de l’échantillon. La mesure obtenue par la sonde de déformation collée n’est donc valable que localement à la surface de l’échantillon. Le procédé par jauge de déformation ne permet donc pas d’accéder au comportement moyen du composite, pour lequel des reconstructions numériques, notamment basées sur les éléments finis, sont alors nécessaires. En outre, l’erreur de mesure est importante lorsque la dilatation est inférieure à 5*10 -6 mm/mm, comme c’est le cas pour les matériaux composites. D’un échantillon à l’autre, la dispersion est très importante et il convient de réaliser un nombre très élevé de tests pour avoir une bonne estimation de la valeur moyenne de dilatation thermique. Les deux procédés présentés précédemment ne permettent donc pas de réaliser de mesures précises de la dilatation moyenne d’un composite à matrice organique. La présente invention a notamment pour but de résoudre tout ou partie des problèmes précités. L’invention propose un procédé de mesure d’une dilatation thermique d’un matériau, notamment un matériau composite, en particulier un matériau composite à matrice organique, comprenant au moins : une étape de remplissage a), au cours de laquelle un récipient est rempli avec un liquide ayant une température d’ébullition T eb connue et un coefficient de dilatation thermique connu, une étape de dépose b), au cours de laquelle un corps est plongé dans le liquide, en particulier en le posant au fond du récipient, le corps, réalisé dans le matériau dont la dilatation thermique est à mesurer étant partiellement immergé dans le liquide et comportant une hauteur c supérieure à un niveau supérieur h F0 du liquide lorsque le corps est immergé dans le liquide à une température initiale T 0 , une étape de chauffage c), au cours de laquelle le récipient, le liquide et le corps sont chauffés, jusqu’à une température de chauffage T i comprise entre la température initiale T 0 et la température d’ébullition T eb du liquide, une étape de mesure d), au cours de laquelle un niveau supérieur h Fi du liquide à la température de chauffage T i est mesuré, le niveau supérieur h Fi du liquide étant inférieur à la hauteur (c), et une étape de calcul e), au cours de laquelle la dilatation thermique du matériau est calculée. Le niveau supérieur du liquide dépend, d’une part, de la dilatation volumique du liquide, facilement estimable si le coefficient de dilatation du liquide est connu, et, d’autre part, de la dilatation volumique du composite, que l’on souhaite mesurer. Le procédé selon l’invention permet ainsi d’obtenir une mesure fiable du comportement moyen du matériau grâce, en particulier, à la mesure de la différence de niveau du liquide et aux coefficients de dilatation thermique. Ce procédé permet en outre de choisir un récipient capable d’accueillir des échantillons suffisamment grands pour mesurer la dilatation thermique d’un corps représentant un échantillon représentatif complet. En outre, l’immersion de l’échantillon dans un liquide permet de considérer la dilatation thermique de l’ensemble de l’échantillon. Cela ne dépend donc pas d’une sonde qui donne des valeurs variant selon la taille et la position de la sonde sur le corps. Ainsi, la mesure de la variation de hauteur du liquide entourant le corps permet d’obtenir des mesures plus fiables et plus précises que l’art antérieur, et permet d’avoir une valeur moyenne de la dilatation du matériau sans devoir multiplier le nombre d’échantillon, réduisant ainsi le coût de l’opération. L’invention permet ainsi de mesurer avec précision la dilatation thermique d’un matériau, notamment un matériau composite à matrice organique, de manière simple et précise. Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises isolément ou en combinaison les unes avec les autres : l’étape de chauffage c) et l’étape de mesure d) sont répétées au moins une fois, notamment deux fois, de sorte que le procédé comprend : -- une étape de premier chauffage c1), au cours de laquelle le récipient, le liquide et le corps sont chauffés, jusqu’à une première température T 1 comprise entre la température initiale T 0 et la température d’ébullition T eb du liquide, -- une étape de première mesure d1), au cours de laquelle un premier niveau supérieur h F1 du liquide à la première température T 1 est mesuré, le premier niveau supérieur h F1 étant inférieur à la hauteur c, en particulier, -- une étape de deuxième chauffage c2), au cours de laquelle le récipient, le liquide et le corps sont chauffés, jusqu’à une deuxième température T 2 comprise entre la première température T 1 et la température d’ébullition T eb du liquide, -- une étape de deuxième mesure d2), au cours de laquelle un deuxième niveau supérieur h F2 du liquide à la deuxième température T 2 est mesuré, le deuxième niveau supérieur h F2 étant inférieur à la hauteur c, et encore optionnellement, -- une étape de troisième chauffage c3), au cours de laquelle le récipient, le liquide et le corps sont chauffés, jusqu’à une troisième température T 3 comprise entre la deuxième température T 2 et la température d’ébullition T eb du liquide, et -- une étape de troisième mesure d3), au cours de laquelle un troisième niveau supérieur h F3 du liquide à la troisième température T 3 est mesuré, le troisième niveau supérieur h F3 étant inférieur à la hauteur c, l’étape de chauffage c) et l’étape de mesure d) sont répétées jusqu’à ce que le chauffage et la mesure soient réalisées à une température de chauffage T i sensiblement inférieure ou égale à la température d’ébullition T eb du liquide, notamment inférieur de 30°C à la température d’ébullition T eb du liquide. l’étape de calcul e) est réalisée par la résolution de l’équation : dans laquelle et où α c x , α c y , α c z sont les coefficients de dilatation du matériau, notamment du matériau composite dans des directions x, y et z, α v et α F sont respectivement le coefficient de dilatation du matériau du récipient et le coefficient d’expansion volumique du liquide, ΔT est la différence entre la température de chauffage T i et la température initiale T 0 , S 0 est une surface équivalente du récipient, est un volume de liquide présent dans le récipient à la température initiale (T 0 ), et a et b sont respectivement deux dimensions du corps mesurées selon deux axes x et y perpendiculaires dans un plan horizontal, le matériau étant isotrope, l’étape de chauffage c) et l’étape de mesure d) sont réalisées sans changer la position du corps dans le liquide, et : le matériau étant orthotrope, l’étape de chauffage c) et l’étape de mesure d) sont réalisées trois fois, le corps étant positionné dans une position différente à chaque fois, et : le récipient est en verre, le corps a une forme générale parallélépipédique, le corps comprend un renfort sous forme de fibres, par exemple tissées, le liquide est choisi parmi du mercure, du galinstan, de l’huile et/ou de l’eau, le niveau supérieur du liquide est mesuré grâce à un microscope optique confocal, par interférométrie laser, par une caméra et/ou par une binoculaire. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation, donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées et présentés en tant qu’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles : la est une représentation schématique en perspective d’un tissage d’une structure fibreuse d’un matériau ; la est une représentation schématique en coupe d’une installation de mesure de dilatation d’un matériau selon l’invention ; la est une représentation schématique d’une installation de mesure de dilatation d’un matériau avec un dispositif de mesure d’un niveau supérieur d’un liquide ; et la est un organigramme représentant des étapes d’un procédé de mesure de la dilatation thermique d’un matériau selon l’invention. Procédé de mesure d’une dilatation thermique d’un matériau (5), notamment un matériau composite (5), en particulier un matériau composite à matrice organique (5), comprenant au moins : une étape de remplissage a), au cours de laquelle un récipient (10) est rempli avec un liquide (20) ayant une température d’ébullition (T eb ) connue et un coefficient de dilatation thermique connu, une étape de dépose b), au cours de laquelle un corps (30) est plongé dans le liquide (20), en particulier en le posant au fond du récipient (10), le corps (30), réalisé dans le matériau (5) dont la dilatation thermique est à mesurer, étant partiellement immergé dans le liquide (20) et comportant une hauteur (c) supérieure à un niveau supérieur (h F0 ) du liquide (20) lorsque le corps (30) est immergé dans le liquide (20) à une température initiale (T 0 ), une étape de chauffage c), au cours de laquelle le récipient (10), le liquide (20) et le corps (30) sont chauffés jusqu’à une température de chauffage (T i ) comprise entre température initiale (T 0 ) et la température d’ébullition (T eb ) du liquide (20), une étape de mesure d), au cours de laquelle un niveau supérieur (h Fi ) du liquide (20) à la température de chauffage (T i ) est mesuré, le niveau supérieur (h Fi ) du liquide (20) étant inférieur à la hauteur (c), et une étape de calcul e), au cours de laquelle la dilatation thermique du matériau (5) est calculée. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de chauffage c) et l’étape de mesure d) sont répétées au moins une fois, notamment deux fois, de sorte que le procédé comprend : une étape de premier chauffage c1), au cours de laquelle le récipient (10), le liquide (20) et le corps (30) sont chauffés jusqu’à une première température (T 1 ) comprise entre la température initiale (T 0 ) et la température d’ébullition (T eb ) du liquide (20), une étape de première mesure d1), au cours de laquelle un premier niveau supérieur (h F1 ) du liquide (20) à la première température (T 1 ) est mesuré, le premier niveau supérieur (h F1 ) étant inférieur à la hauteur (c), en particulier, une étape de deuxième chauffage c2), au cours de laquelle le récipient (10), le liquide (20) et le corps (30) sont chauffés jusqu’à une deuxième température (T 2 ) comprise entre la première température (T 1 ) et la température d’ébullition (T eb ) du liquide (20), une étape de deuxième mesure d2), au cours de laquelle un deuxième niveau supérieur (h F2 ) du liquide (20) à la température deuxième (T 2 ) est mesuré, le deuxième niveau supérieur (h F2 ) étant inférieur à la hauteur (c), et encore optionnellement, une étape de troisième chauffage c3), au cours de laquelle le récipient (10), le liquide (20) et le corps (30) sont chauffés, jusqu’à une troisième température (T 3 ) comprise entre la deuxième température (T 2 ) et la température d’ébullition (T eb ), du liquide (20), et une étape de troisième mesure d3), au cours de laquelle un troisième niveau supérieur (h F3 ) du liquide (20) à la troisième température (T 3 ) est mesuré, le troisième niveau supérieur (h F3 ) étant inférieur à la hauteur (c). Procédé selon la revendication 2, dans lequel l’étape de chauffage c) et l’étape de mesure d) sont répétées jusqu’à ce que le chauffage et la mesure soient réalisées à une température de chauffage (T i ) sensiblement inférieure ou égale à la température d’ébullition (T eb ) du liquide (20), notamment inférieure de 30°C à la température d’ébullition (T eb ) du liquide (20). Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel, l’étape de calcul e) est réalisée par la résolution de l’équation : dans laquelle et où α c x , α c y , α c z sont les coefficients de dilatation du matériau (5), notamment du matériau composite (5), dans des directions x, y et z, α v et α F sont respectivement le coefficient de dilatation du matériau du récipient (10) et le coefficient d’expansion volumique du liquide (20), ΔT est la différence entre la température de chauffage (T i ) et la température initiale (T 0 ), S 0 est une surface équivalente du récipient (10), est un volume de liquide (20) présent dans le récipient (10) à la température initiale (T 0 ), et a et b sont respectivement deux dimensions du corps (30) mesurées selon deux axes x et y perpendiculaires dans un plan horizontal. Procédé selon la revendication 4, dans lequel, le matériau (5) étant isotrope, l’étape de chauffage c) et l’étape de mesure d) sont réalisées sans changer la position du corps (30) dans le liquide (20), et : Procédé selon la revendication 4, dans lequel, le matériau (5) étant orthotrope, l’étape de chauffage c) et l’étape de mesure d) sont réalisées trois fois, le corps (30) étant positionné dans une position différente à chaque fois, et : Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le récipient (10) est en verre. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le corps (30) a une forme générale parallélépipédique. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le corps (30) comprend un renfort sous forme de fibres, par exemple tissées. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le liquide (20) est choisi parmi du mercure, du galinstan, de l’huile et/ou de l’eau. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le niveau supérieur du liquide (20) est mesuré grâce à un microscope optique confocal, par interférométrie laser, par une caméra et/ou par une binoculaire.