Development of experimental and modelling tools for the characterisation of the thermo-electro-mechanical behaviour of composite materials for aircraft applications

Développement de moyens expérimentaux et de modélisation pour la caractérisa- tion du comportement thermo-électro-mécanique de matériaux composites pour applications aéronautiques

Institut Pprime, CNRS – ENSMA – Université de Poitiers, Département Physique et Mécanique des Matériaux, ENSMA – Téléport 2 – 1 avenue Clément Ader, BP 40109, 86961 Futuroscope Chasseneuil Cedex, France

^a Corresponding author: marco.gigliotti@lmpm.ensma.fr

Received: 10 September 2010
Accepted: 24 January 2011

Abstract

The present paper is concerned with the thermoelectric behaviour of CFRP composite samples subjected to DC currents in view of developing experimental and modelling tools for the characterisation of the thermo-electro-mechanical behaviour of composite materials for aircraft applications. DC currents up to 8 A are injected through the specimens end sides by employing several different electrode techniques whose performances are assessed and compared. Sample and electrode contact resistances are measured for different values of the injected current. The transient and permanent temperatures fields promoted by the injected currents are experimentally measured by infrared thermography. The temperature fields are simulated numerically by a thermoelectric coupled model employing the ABAQUS^® FE commercial code; temperatures can be also approximately calculated by a simple lumped parameter model discarding thermal conduction. The comparison between simulations by the models and measurements allows employing the simplified model as a tool to design thermo-electro-mechanical tests.

Résumé

Ce travail concerne le comportement thermoélectrique d’échantillons composites à fibres continues de carbone et à matrice époxyde traversés par des courants électriques continus. L’objectif est de développer des outils expérimentaux et de modélisation nécessaires à la caractérisation du comportement thermo-électro-mécanique de matériaux composites à applications aéronautiques. Des courants continus d’intensité inférieure ou égale à 8 A sont injectés aux extrémités d’échantillons en employant plusieurs techniques et différentes électrodes dont les performances sont évaluées et comparées. Les résistances de contact sont mesurées pour différentes valeurs du courant injecté. Les champs de température transitoires et stationnaires engendrés par les courants injectés sont mesurés expérimentalement par thermographie infrarouge. Les champs de température sont simulés numériquement à l’aide d’un modèle couplé thermo-électrique utilisant le code éléments-finis commercial ABAQUS^®; les températures stationnaires sont également calculées à l’aide d’un modèle analytique simplifié établi sur la base des observations expérimentales. La comparaison des résultats obtenus par ces deux modèles aux valeurs expérimentales autorise l’utilisation du modèle simplifié pour la conception d’essais thermo-électro-mécaniques.