Studying and modelling the effects of a laser irradiation on composite materials
Etude et modélisation des effets de l'irradiation laser sur des matériaux composites
Résumé
The effects of a high-energy laser irradiation on glass fibres-reinforced plastics have been studied to assess the laser vulnerability of current aircraft structural components. The laser flux initial propagation within the semi-transparent composite target is characterized by multiple absorption and scattering phenomena. The identification of the resin optical properties as well as the modelling of the laser beam propagation through the material (Kubelka-Munk, Radiative Transfer Equation) have thus been carried out. However, the absorption of a certain amount of laser energy quickly leads to a temperature rise which can change the physical properties of the structure. In this manner, the phase transitions of the polymer have been identified through various experimental methods (TGA, DSC, DMA), and some models based on the Arrhenius equation have been developed to forecast the behaviour of the polymer under increasing temperature. Besides, both temperature and phase transitions also lead to some changes of the material thermomechanical properties, which have been measured by means of additional high-temperature tests. Last but not least, some laser irradiations trials on load-carrying specimens have been achieved to get some initial trends about the vulnerability of composite structures to a laser illumination. A 1D multiphysics simulation based on a FTCS scheme has finally been developed to reproduce the temporal evolution of the surface temperature fields recorded during these tests.
Les effets d’une irradiation laser de forte puissance sur des matériaux composites renforcés de fibres de verre ont été étudiés afin d’évaluer la vulnérabilité de structures aéronautiques actuelles face à une agression laser. À l’origine du couplage énergétique, la progression initiale du faisceau laser au sein de la cible hétérogène est marquée par de nombreux phénomènes complexes d’absorption et de diffusion. La caractérisation des propriétés optiques des résines semi transparentes ainsi que la modélisation de cette interaction optique par des lois de propagation appropriées (Kubelka-Munk, Équation de Transfert Radiatif) ont ainsi été réalisées. L’absorption d’une partie de l’énergie laser engendre cependant une élévation de température pouvant rapidement modifier les propriétés physiques de la résine, et donc du matériau composite. Les multiples modifications structurelles de la phase polymère ont donc été identifiées à l’aide de différentes approches expérimentales (ATG, DSC, DMA), et des modèles d’avancement basés sur la loi d’Arrhenius ont été développés. À l’image de ces changements de phase, l’augmentation continue de la température est également susceptible de modifier les propriétés thermomécaniques de la structure. L’influence de tous ces paramètres sur les propriétés thermiques et mécaniques du matériau a ainsi été évaluée grâce à divers essais supplémentaires de caractérisation en température. Enfin, des essais d’irradiation laser sous charge mécanique combinée ainsi qu’un modèle multiphysique 1D basé sur un schéma FTCS ont permis de mesurer des premières tendances en termes de vulnérabilité et de reproduire l’évolution temporelle des champs de température observés en surface de la structure.
Origine : Version validée par le jury (STAR)