Essais & Simulations n°118

Essais

Essais et Modelisation real one. The phenomenon is symmetrically the same at low temperature. Chotard et al (2007) [5] first observed that the CTE and Young modulus evolution was not the same for cooling and heating for refractory ceramics composed of phases with very different CTE (mix of cordierite which CTE range is from 1.5 to 3.10-6 K-1 and mullite which CTE range is from 6 to 7.10-6 K-1) [5]. They proposed that there were micro structural phenomena which induce internal stresses and microcraks which modify these parameters. Our experiments on reinforced resins supplement these observations about ceramics. Stabilization of CTE cycle after cycle Reversing and non reversing thermal dilatations The variation of CTE with the number of cycles shows that non reversing events take place in the material structure at microscopic scale. A study realized in 2011 by R.A. Shanks with mT-TM (modulated Temperature Thermo-mechanometry) allowed dissociating reversing and non-reversing thermal dilatation for another epoxy resin reinforced with glass fibers [2]. They showed that a significant part of the thermal dilatation is non-reversing particularly for the first heating cycle. We will try to explain more precisely what can be this non-reversing phenomenon which conducts to a stabilization of the CTE value. Elaboration stresses relaxation At room temperature, strong internal stresses can be confined in a composite material. These stresses appear during material processing. When the material is cooled down the matrix retracts more than the fibers or filler (fiber CTE < matrix CTE) therefore intense internal tensile stresses are created between the two phases [9]. At Thales Alenia Space a study was made in order to relax these stresses to improve mechanical properties of the composite. After material processing, different thermal cycles were applied and the stress level was measured by X-ray detection. They conclude that if the temperature amplitude is correctly chosen, the intern stress could really decrease. For instance, for the composite studied (aluminum/carbon fibers), three cycles [-40°C, 50°C] allow to divide by a factor ten the internal stress level. A permanent deformation of 33 µm/m was observed after the experiment [10]. So, during the first cycles, the measured CTE can be higher because the relaxation of elaboration stresses can add to thermal dilatation. The CTE is decreasing while the material is relaxing its internal stresses and when the material is “balanced” the CTE is stabilized. Aging induced by thermal cycling Recently, some experiments showed that cryogenic preconditions (-35°C for one week) can decrease the CTE value of hybrid carbon and glass fiber composite [11]. According to the study, these modifications can be associated to the microcracks formation induced during low-temperature environmental conditioning. The cycles applied for our experiment range from [-45°C, 65°C] therefore the non-reversing CTE evolution cycle after cycle could partly be explained by low temperature exposure. Another study showed that the resulting micro damage induced in the composite by thermal cycling, significantly reduced the CTE from about 1.64 10-6 K-1 to about 0.79 10-6 K-1 at 24°C after 250 cycles [12]. Conclusion By studying two reinforced specific behaviors observed for the thermal dilatation of several complex materials were analysed. A substantial part of the thermal dilatation of this kind of material is non reversing for the first cycles. In polyphases materials, significant stresses are created during material processing when the material is cooled from several hundred of degrees to room temperature. These stresses are partially relaxed during the first cycles and increase the value of the measured CTE. Thus, before measuring the CTE, several thermal cycles must be applied to the material in order to obtain an accurate value. The CTE depends on the temperature in the temperature range of the study and CTE values are usually different for heating and cooling at a given temperature even if many cycles are applied. The gap between CTE values on heating and cooling increases with the heating (and cooling) rate. A relatively low heating rate (1 or 0.5°C/min) is recommended for a satisfactory CTE measurement. The temperature dependency and the gap between heating/cooling values is a consequence of molecular rearrangements occurring during phase transitions and of internal thermal stresses induced between phases. The superimposition of various phenomena make it difficult to give an absolute value of the CTE and the most precise value that can be proposed for a given temperature is the average between the CTE measured during heating and cooling. Lefaux Y. 1 , Bettacchioli A. 2 , Missiaen J.- M. 3&4 , Dufresne A. 5&6 1PHELMA Grenoble INP F-38016 Grenoble Cedex 1, France 2 Test Center of Thales Alenia Space F-06156 Cannes-la-Bocca Cedex, France 3 Univ. Grenoble Alpes, SIMAP, F-38000 Grenoble, France 4 CNRS, SIMAP, F-38000 Grenoble, France 5 Univ. Grenoble Alpes, LPG2, F-38000 Grenoble, France 6 CNRS, LPG2, F-38000 Grenoble, France Essais & Simulations • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 37

Dossier Entretien Les capteurs : source d’innovation majeure À l’occasion de ce dossier spécialement consacré aux capteurs, Joseph Merlet, président de l’ASTE et ancien directeur technique d’Intespace, nous expose sa vision sur l’évolution technologique de ces systèmes, le rôle qu’ils jouent dans les laboratoires d’essais et les innovations de demain. Essais & Simulations Où trouve-t-on les capteurs ? Joseph Merlet Les laboratoires et les centres d’essais utilisent les capteurs pour deux raisons essentielles : la caractérisation du comportement des spécimens en essais et le pilotage des moyens d’essais. Il existe une autre utilisation qui est la caractérisation de l’environnement auquel est soumis le matériel pendant son utilisation. Cependant, cette utilisation est relativement faible. Quelle définition donner au capteur ? Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, telle qu'une tension électrique. Un capteur contient au minimum un transducteur : le dispositif qui transforme le signal physique en un signal électrique, ce dernier a très souvent besoin d’être transformé et conditionné pour pouvoir être utilisé dans une chaîne de mesure. Sur quelles technologies s'appuient-ils ? La révolution numérique a très tôt bouleversé le monde de la mesure dans les laboratoires et centres d’essais. On est passé de l’ère de la fourniture voie par voie et en temps différé des résultats bruts de mesure à la mise à disposition en temps réel de résultats de mesure ayant été traités de façon systématiques. En quoi jouent-ils un rôle important au quotidien dans le monde des essais ? Le besoin en résultats de mesure a aussi été décuplé par le besoin de la comparaison essais-simulation qui a entrainé une demande exponentielle de points de mesure. En effet, un point de mesure correspond plus ou moins Curriculum vitae de Joseph Merlet, ancien directeur technique d'Intespace 1970 : Diplômé de l'Ensma 1971 : Joseph Merlet entre à la Sopemea (dans la partie « Études ») -Laboratoire d’essais spatial- dont les locaux se situaient à l'époque sur le site du CNS à Brétigny-sur-Orge.». Il y exerce des activités d'ingénierie des moyens d'essais et des études dynamiques. 1972 : Suite au déplacement du CNES à Toulouse, Joseph Merlet suit la Sopemea à Toulouse à la suite du déplacement de la Sopemea dans le sud-ouest de la France. Il s’occupe d’études mécaniques et thermiques et prend ensuite la responsabilité des essais mécaniques. 1977 : Un bref passage au CNES où il calcule la structure de l’équipement « Caméra Grand Champ » qui a volé sur Spacelab. 1978 : Il crée à Toulouse un nouveau département consacré aux études et à l'ingénierie. 1983 : Deux après la création d'Intespace, Joseph Merlet devient l'adjoint de Jean-François Imbert (devenu plus tard le responsable des calculs chez Airbus à Toulouse). Ils travaillent tous deux au sein de la division Etudes et Ingénierie. 1988 : Durant ces années en tant qu'adjoint à Jean-François Imbert, Joseph Merlet démarre le projet DynaWorks, un logiciel de stockage, de gestion et d'analyse de données pour les essais et les simulations. 1989 : Sortie en novembre d'une première version du logiciel DynaWorks. Celle-ci est présentée pour la première fois à StruCome. 2001 : L’activité DynaWorks devient une Business Unit dont Joseph Merlet est nommé responsable et ce trois années durant. 2004 : Un an après l'arrivée de Franck Airoldi à la Direction Générale d'Intespace, Joseph Merlet quitte ses responsabilités pour se consacrer principalement à la R&D 2009 : Il devient Directeur Technique d'Intespace. Il participe à plusieurs projets intégrés européens et des projets du FUI. En parallèle, il monte plusieurs projets régionaux sur le contrôle de moyens d’essais et les réseaux de capteurs. 2014 : Il quitte Intespace. Essais & Simulations • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 38