GDR Incendie Balma 12 Octobre 2017 -...

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12 Octobre 2017 E. Schuhler a , A. Coppalle a , B. Vieille b , J. Yon a , Y. Carpier b a CORIA – UMR 6614 CNRS b GPM – UMR 6634 CNRS Université et INSA de Rouen Composites aéronautique soumis au feu : différents méchanismes de dégradation. GDR Incendie Balma

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12 Octobre 2017

E. Schuhlera, A. Coppallea, B. Vieilleb, J. Yona, Y. Carpierb

a CORIA – UMR 6614 CNRS b GPM – UMR 6634 CNRS

Université et INSA de Rouen

Composites aéronautique soumis au feu :

différents méchanismes de dégradation.

GDR Incendie Balma

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Sommaire

Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

Introduction

Set up presentation Apparatus Temperature and thermal flux

Results and discussion

In-situ measurements After exposure observations

Conclusions

2

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Introduction Context

Laminar composite

Layer

Non homogenous structure

Anisotropic mechanical and thermal behaviour

Increasing use of composites in the aeronautical field

Inflammation risk due to polymer is a safety issue

5-harness satin weave

3 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

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Introduction

Objectives

2.2 mm thickness PPS resin [±45]7 5-harness satin weave

2 mm thickness Epoxy resin [±45]7 5-harness satin weave

carbon/thermoset and carbon/thermoplastic materials comparison with high thermal flux : 106kW/m²

Virgin Carbon/PPS material Virgin Carbon/Epoxy material

4 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

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Epoxy matrix 𝑇𝑑 = 320°𝐶 𝑇𝑝 = 390°𝐶

PPS matrix 𝑇𝑑 = 480°𝐶 𝑇𝑝 = 550°𝐶

After 600°C in oxidizing atmosphere the carbon fibres start to deteriorate and lose mass.

Introduction Thermal analysis

TGA under oxidizing (Air) and non-oxidizing (N2) atmosphere

Vieille et Al. , Materials & Design, 2015

𝑇𝑑

𝑇𝑝

No fibre degradation in N2 environment.

5

𝑇𝑝

𝑇𝑑

Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

O2

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Set up presentation

(1) mirror (2) infrared camera (3) coupon (4) balance (5) flame burner (6) air inlet (7) propane inlet

1

2

1

2

3

4

(1) sample holder (2) insulation sheet (3) 50x5mm² coupon (4) screw

Z

Y

6

Coupon size : 2 x 50 x 50 mm Distance between burner exhaust and coupon surface : 17 mm Window size of the sample holder : 45 mm diam. Flame at the stoichiometry : non-oxidizing flame

Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

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Set up presentation

Thermal flux measurement in the center of the flame : goal at 106kW/m²

Thermocouple X position (mm) Temperature in the flame (°C)

TC1 -14 940

TC2 -7 1074

TC3 0 1110

TC4 7 1078

TC5 14 950

Temperature fluctuation in the flame (σ = 4°C)

7

Well-controlled and repeatable heating condition Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

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Method : Mass measurement

8 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

Mass measurement for C/Epoxy samples

Mean residual mass and MLR for C/Epoxy samples

Residual mass and mass loss rate calculation using SawitzkyGolay algorithme for smoothing and first order derivatif calculation. Staggs, J.E.J., Fire Safety Journal, 2005.

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Method : Temperature measurement

9 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

45mm

Temp

erature (°C

)

Thermal image from C/Epoxy sample C/Epoxy sample Temperature

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In situ Measurement : Mass loss and temperature

carbon/Epoxy

carbon/PPS

10 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

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After exposure observations

Thickness 9.3 mm (after degradation)

carbon/Epoxy

Thickness 3.5 mm (after degradation)

carbon/PPS

Back face Flame face Side

Back face Flame face Side

Observations after a 300 second exposure to the 106kW/m² flame :

11 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

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After exposure observations

12 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

30s

Face arrière Face flamme

60s

90s

Température Face arrière (°C)

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Conclusion

13 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

30s

Face arrière Face flamme

60s

90s

Température Face arrière (°C)

After exposure observations

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14 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

Matrice 37 %

Fibre 55%

Porosité 8% Carbone/PPS vierge 68%vol Fibre

Numeric image analysis : C/PPS

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After exposure observations : C/PPS

15 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

30s

60s

90s

30 s 60 s 90 s

Voids% 32 56 77

Matrix% 23 24 7

Fibre% 45 25 16

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After exposure observations C/Epoxy

Flame

C/Epoxy

Voids 40 %

Matrix 7 %

Fibre 53 %

16 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

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1. The propane burner used for this study is able : • to provide easily the fire degradation of a small sample under high

thermal flux, up to 200kW/m2. • to provide accurate values of mass and temperature during the fire

degradation of a small sample.

2. The automated image processing allows a quantitative analyse of the sample degradation. • The use of a propane/air flame at stoichiometry highlights the

impact of a non-oxidizing flame on the fibre degradation at high heat flux.

• The image analysis enables the characterisation of different degradation processes inside the Epoxy- and PPS-based samples.

(voids building, major delamination, matrix degradation or melting)

Conclusion

17 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

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Development and Objectives

1. Study of the composites reaction to fire under high flux (200 kW/m²)

2. Study of the simultaneous mechanical and thermal stress on composite samples.

18 Eliot Schuhler, 12 Octobre 2017

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Merci pour votre attention

Questions ?