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Theses Year : 2013

Thermoelectric comportment of composites materials for aeronautical appriclations

Comportement thermoélectrique de matériaux composites pour applications aéronautiques

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Yueguo Lin
  • Function : Author

Abstract

Composite materials – since their high specific properties – are used recently to reduce the weight of aircraftstructures and to improve the performance engine in order to reducing the emissions of CO2. Composites of Carbon FibberReinforced Polymer matrix (CFRPs) are increasingly used in civil aviation industry for the production of structural parts:fuselage panels.Integrating CFRPs in the aeronautical structures has also some difficulties: the fuselage – generally subject to pressure of airflux – would be subjected also to shocks/impacts, particularly will be damaging for exposed to the aggressive environment(temperature, humidity, liquid cooling, ...).The fuselage is the principal structure to support the charge of electric current, such as those related to the electric current returnto ground or lightning : although the secondary networks of electrical cables and wires fences are provided to support thesecharges, the action of leakage currents, probably passer through bolted and riveted joints and because of the high differences ofelectrical potential between the surface of panels thickness, can activate the thermoelectric coupling and lead to localizedheating of these structures. Phenomena related to this type of coupling may be particularly remarkable in CFRPs – since thepolymer matrices is electrically and thermally quasi-insulates, for composite the thermoelectric behaviour is highly anisotropic– and need further research and investigation. The integration of micro and nano fillers – especially carbon nanotubes (CNTs) –in the polymer resin or in interface of fibber/matrix can improve the overall behaviour, but it is a technological solution that stillrequires be explored in detail.The aim of this work is to characterize the anisotropic properties of thermoelectric behaviour of materials CFRPs – charged oruncharged in CNTs. This characterization includes:· measurement of electrical resistivity/conductivity and their evolution with temperature,· characterization of the temperature fields induced by the passage of electric current,· identification of parameters for modeling the behavior of these thermoelectric materials and interpretation oftests,· characterization of the effect of moisture aging on the values of resistivity/conductivity of the composite.
Les matériaux composites – de par leurs propriétés spécifiques élevées – sont l’une des classes de matériauxpermettant de fabriquer des structures aéronautiques plus légères pour une meilleure performance énergétique des aéronefs etune réduction conséquente des émissions de CO2. Les composites à matrice polymère renforcée par des fibres de carbone(CFRP) sont de plus en plus utilisés dans l’industrie aéronautique civile pour la réalisation de parties structurales, dontrécemment les panneaux de fuselage.L’intégration des CFRPs dans ces structures ne se fait pas sans difficultés : le fuselage – normalement soumis aux charges de lapressurisation – peut être soumis à des chocs/impacts, particulièrement dommageables pour les composites, et exposé àl’agression de l’environnement (température, humidité, liquides de refroidissement, …).Le fuselage est aussi le siège de sollicitations de nature électrique, telles que celles liées au retour de courant à la masse ou aufoudroiement : bien que des réseaux secondaires de câbles électriques et de grillages métalliques soient prévus afin de supporterces charges, l’action de courants de fuite, transitant à travers les jonctions boulonnées et rivetées, et les fortes différences depotentiel électrique dans l’épaisseur du fuselage, conséquences du foudroiement, peuvent activer le couplage thermoélectriqueet conduire à des échauffements localisés de ces structures. Les phénomènes liés à ce type de couplage peuvent êtreparticulièrement marqués dans les CFRPs – les matrices polymères étant électriquement et thermiquement quasi-isolantes, lecomportement thermoélectrique global du composite étant fortement anisotrope – et méritent d’être approfondis. L’intégrationde micro et nano charges – en particulier les nanotubes de carbone (NTCs) – dans les résines polymères ou à l’interfacefibre/matrice peut globalement améliorer ce comportement mais il s’agit d’une solution technologique qui nécessite encored’être explorée en détail.Ce travail est consacré à la caractérisation du comportement thermoélectrique anisotrope de matériaux CFRPs - chargés ou nonchargés en NTCs. Cette caractérisation comprend :· la mesure des valeurs de résistivité/conductivité électrique et de leur évolution avec la température,· la caractérisation des champs de température induits par le passage de courants électriques,· l’identification des paramètres pour la modélisation du comportement thermoélectrique de ces matériaux etpour l’interprétation des essais,· la caractérisation de l’effet d’un vieillissement humide sur les valeurs de résistivité/conductivité électrique ducomposite.
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Cite

Yueguo Lin. Comportement thermoélectrique de matériaux composites pour applications aéronautiques. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2013. Français. ⟨NNT : 2013ESMA0012⟩. ⟨tel-01196623⟩
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