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Développement et étude de matériaux composites à base de nanotubes de carbone pour application aux réservoirs de fluides cryogéniques

Description

L'émergence de nouvelles technologies de lanceurs "bas cout" motive la recherche et le développement de nouvelles architectures de matériaux à la fois légères et résistantes aux sollicitations thermomécaniques et chimiques. En particulier, le développement de nouvelles structures composites peut jouer un rôle très important en terme de gain de masse. Parmi les différents axes déjà initiés, l’allègement du réservoir cryogénique peut améliorer significativement les performances d’un étage propulsif.

Dans ce domaine, les études font état du développement de matériaux composites à matrices organiques variées (thermodurcissables ou thermoplastiques) intégrant des renforts de nature différentes : fibres de verre, fibres de kevlar ou fibres de carbone, noirs de carbone, graphène, nanoparticules de silice, et même plus récemment des nanotubes de carbone (NTC). Ces derniers, de par leurs propriétés physiques et mécaniques exceptionnelles ainsi que leur légèreté, pourraient apporter des avantages notables aux matériaux composites potentiellement utilisables pour la réalisation de réservoirs cryogéniques.Toutefois, l'état de l'art révèle un manque d'étude de ces nanomatériaux en environnement cryogénique. En effet, à notre connaissance les matériaux composites intégrant des NTC ont été étudiés en environnement azote liquide permettant ainsi de qualifier leur comportement à basse température en termes d'endommagement, mais aucune étude ne traite de la compatibilité de ces matériaux dans des environnements d'intérêt tels que l'oxygène liquide.

Dans ce contexte, une étude préliminaire entre CNES et CEA est en cours : elle a pour but de développer des matériaux composites innovants intégrant des NTC dans une matrice organique considérés comme briques élémentaires de base (NTC, résine, composites issus de ces deux matériaux), puis d'investiguer le comportement de ces matériaux en environnement cryogénique. Une part importante du travail est dédiée à la préparation d'une nuance de matériaux composites (résine + NTC) et à l'étude de l'endommagement de ces matériaux à basse température en environnement azote liquide et de leur comportement lorsqu'ils sont soumis à l'oxygène liquide.

Afin de pouvoir répondre sur la pertinence des NTC ou des matériaux composites pour une utilisation en environnement cryogénique réactif tel que l'oxygène liquide, cette étude préliminaire nécessite d'être renforcée par une étude de plus longue durée. Ainsi, le projet post-doctoral qui est proposé sur une durée de 2 ans vise à préciser la pertinence et le positionnement des matériaux à base de NTC dans une architecture réaliste pour des applications dans le domaine du spatial. L'étude se divisera en 2 parties de durée égale. La 1ère année sera dédiée à la consolidation de l'approche considérée lors de l'étude préliminaire et comportera 4 volets :

1 - optimisation de la préparation de différentes nuances de briques élémentaires composites intégrant des NTC et caractérisation des échantillons (MEB, spectrométrie Raman, …)

2 - étude de l'endommagement sous contraintes mécaniques à basse température (azote liquide)

3 - étude de la compatibilité de ces matériaux avec le milieu oxygène liquide

4 - étude des propriétés électriques des matériaux à température ambiante. Ce quatrième volet a pour objectif de vérifier la fonctionnalité électrique de ces matériaux pour pouvoir éventuellement conférer une intelligence à ces matériaux en termes de détection d'évènements extérieurs qui pourraient être mesurés par des variations de résistance électrique.

A l'issue de cette 1ère année, un go-nogo sera prononcé au regard des résultats obtenus sur les volets 2 et 3, permettant ainsi de statuer sur la pertinence de ces matériaux pour une utilisation en environnement cryogénique. Si cela s'avère positif, une seconde année sera engagée afin de mettre en œuvre le savoir faire développé sur les briques de base dans des matériaux démonstrateurs présentant une architecture compatible avec une intégration dans les réservoirs des étages propulsifs. Dans ce contexte, des architectures stratifiées telles que des empilements de plis unidirectionnels intégrant des NTC aléatoirement répartis ou verticalement alignés seront réalisées et étudiées sur le plan de leur compatibilité en environnement cryogénique, à la fois en terme d'endommagement sous contraintes à basse température et de compatibilité d'utilisation en environnement réactif. L'étanchéité sera aussi une fonctionnalité qui sera examinée afin de pouvoir répondre à la pertinence de ces matériaux pour l'application réelle. 

Profil

Thèse en mécanique des fluides, énergétique, combustion

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : IRAMIS-NIMBE, Laboratoires Edifices Nanométriques
Directeur(rice) de thèse/recherche : Mathieu PINAULT
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : mathieu.pinault@cea.fr
Responsable Cnes de l'offre : MATHIS Kévin

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