Thèse Étude du Comportement de Matériaux Composites à Matrice Céramique Oxyde - Oxyde Sous Sollicitations Multiaxiales. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Technologie de Compiègne
École doctorale : Sciences pour l'ingénieur
Laboratoire de recherche : Mécanique, énergie et électricité
Direction de la thèse : Nicolas BUIRON ORCID 0000000229986577
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Les composites à matrice céramique oxyde/oxyde stratifiés sont utilisés pour leur résistance aux températures élevées (jusqu'à 1200°C), leur résistance mécanique spécifique élevée, et leur tolérance à l'endommagement.
L'utilisation de ces matériaux nécessite une maîtrise approfondie de leurs processus d'endommagement sous sollicitations mécaniques. Si les effets des sollicitations mécaniques simples (traction, torsion) sont connus, les interactions entre ces sollicitations ne sont pas encore totalement maîtrisées. Les sollicitations complexes, incluant notamment des trajets de chargement non proportionnels, sont susceptibles de faire apparaître des couplages entre les différents endommagements.
Nous proposons de développer des essais innovants par l'utilisation d'un hexapode, qui permettra d'appliquer des déplacements et rotations d'orientation arbitraire à une extrémité de l'échantillon. Ce dispositif permettra d'imposer des trajets de chargement proportionnels ou non, incluant des combinaisons de traction, flexion et torsion. Une multi-instrumentation, incluant des mesures de champ de déplacement, de l'émission acoustique, la vidéo-microscopie permettra d'accéder aux déformations locales et d'analyser les scenarii d'endommagement associés à ces différents trajets. Elle permettra également, par identification inverse, de déterminer la matrice d'élasticité du matériau. Enfin, une analyse critique des différents modèles d'endommagement disponibles, à travers un dialogue essais/calculs, sera effectuée, et pourra conduire à des améliorations de ces modèles.

Les composites à matrice céramique constituent une famille de matériaux structuraux de haute performance, indispensables pour des applications en environnements thermiques sévères, notamment dans les secteurs de l'aéronautique, du spatial, de la défense et de l'énergie. Leur intérêt réside dans leur combinaison unique de résistance mécanique élevée à haute température, de faible densité et d'une ténacité améliorée par rapport aux matériaux métalliques et aux composites à matrice polymère classiques. Toutefois, les procédés conventionnels de fabrication - fondés sur le frittage à très haute température - présentent des inconvénients majeurs : coûts énergétiques élevés, durées de fabrication longues et difficultés d'adaptation à des géométries complexes.
Dans ce contexte, les matrices géopolymères et vitro-céramiques s'imposent comme une voie alternative prometteuse. Ces matrices sont élaborées à des températures sensiblement inférieures à celles requises pour les céramiques frittées, tout en développant des propriétés thermostructurales comparables. Cette approche permet ainsi de réduire les coûts de transformation, les délais de fabrication et l'empreinte carbone associée aux procédés, ce qui en fait un levier stratégique pour l'industrialisation de nouvelles générations de matériaux thermostructuraux compétitifs.

Malgré leur potentiel, les CMC oxydes/oxydes à matrice géopolymère demeurent très peu étudiés du point de vue de leur comportement mécanique endommageable. La grande majorité des travaux existants porte soit sur des matrices oxydes frittées, soit sur des composites géopolymériques non renforcés, laissant un verrou scientifique important quant à la transposition des concepts de mécanique de l'endommagement à cette famille de matériaux.
L'étude du lien entre élaboration, microstructure et comportement mécanique endommageable des CMC oxydes/oxydes - en particulier ceux renforcés par des fibres alumine haute performance de type Nextel - constitue donc un axe de recherche largement inexploré et scientifiquement stratégique. Il représente un levier essentiel pour accompagner l'industrialisation de ces matériaux, sécuriser leur dimensionnement en conditions réelles d'utilisation et renforcer leur compétitivité face aux CMC conventionnels sur les plans technologique et socio-économique.

L'originalité majeure de ce projet réside dans la mise en oeuvre de sollicitations mécaniques multiaxiales grâce à un dispositif hexapode acquis spécifiquement dans le cadre du MC2Lab. Cet outil expérimental de pointe permet d'imposer des états de chargement proportionnels et non proportionnels, difficilement accessibles par des essais conventionnels uniaxiaux, reproduisant ainsi plus fidèlement les conditions de service des matériaux thermostructuraux. Ce dispositif sera couplé à une instrumentation in-situ riche et complémentaire, incluant la stéréo-corrélation d'image numérique (CIN) aux échelles macro et micro, l'émission acoustique et la vidéo-microscopie. Ces observations seront complétées par des analyses post-mortem en tomographie aux rayons X et en microscopie électronique à balayage (MEB), voire par FIB si nécessaire, afin de décrire avec précision les scénarii d'endommagement progressif sous chargement complexe.

Sur le plan de la modélisation, l'ambition est de développer des modèles constitutifs continus intégrant l'endommagement, capables de décrire la non-linéarité mécanique, l'anisotropie induite par la fissuration et l'évolution des propriétés effectives du matériau au cours du chargement. Ces modèles macroscopiques phénoménologiques, directement exploitables dans des codes de calcul de structures, doivent être alimentés, calibrés et validés à partir de campagnes expérimentales spécifiquement conçues. La démarche repose sur un dialogue itératif étroit entre essais et simulations : les résultats expérimentaux orientent la formulation des lois de comportement, tandis que les calculs numériques contribuent à l'interprétation des essais, à l'identification des paramètres matériaux et à l'exploration de configurations de chargement non directement accessibles expérimentalement. Ce couplage est présenté comme une condition sine qua non pour aboutir à des outils prédictifs robustes, adaptés au dimensionnement et à l'industrialisation des CMC à matrice géopolymère.

La thèse proposée vise à renforcer la maîtrise des essais mécaniques complexes appliqués aux composites à matrice céramique. Elle s'appuiera sur le développement d'une méthodologie d'identification expérimentale spécifiquement adaptée à un nouveau moyen d'essai : l'hexapode.
Les résultats issus de ces essais multiaxiaux complexes auront pour objectif, d'une part, de permettre l'identification des paramètres du modèle d'endommagement continu utilisés par les partenaires, et d'autre part d'évaluer la pertinence et les limites de ce modèle pour la simulation du comportement des CMC sous sollicitations complexes, afin d'en identifier les axes d'amélioration.

Le.a candidat.e aura une formation en mécanique des matériaux, des compétences solides en comportement des matériaux composites.

Il/elle sera capable de lire/rédiger les documents scientifiques français et en anglais ; de présenter le travail au congrès international en anglais