Le 14 janvier 2022, Martin Huré a soutenu sa thèse à l’Institut Clément Ader à Toulouse. Ses travaux ont été encadrés par l’Institut Clément Ader, l’IRT Saint Exupéry et l’Ecole Doctorale MEGEP (Mécanique, Energétique, Génie civil & Procédés). La qualité et la pertinence de la thèse de Martin ont contribué à l’obtention de résultats significatifs dans le cadre du projet FREEzING.
A PROPOS
« Développement et modélisation de surfaces techniques ayant de faibles propriétés d’adhésion à la glace pour une application aéronautique »
Résumé de thèse
Les phénomènes de givrage en vol constituent une menace majeure pour la sécurité des avions depuis les débuts de l’aviation. L’accumulation de glace sur les surfaces aérodynamiques des avions peut entraîner une augmentation du poids, ainsi qu’une réduction de la portance et de la poussée. En cas d’exposition prolongée, l’avion peut décrocher et la récupération peut être impossible. Une approche répandue pour atténuer le risque lié au givrage atmosphérique consiste à distribuer de l’air chaud soufflé par les moteurs sur les ailes, la queue et l’entrée d’air. Bien que très efficaces, les méthodes de dégivrage consomment une quantité importante d’énergie. Ce problème devient de plus en plus préoccupant dû au besoin imminent d’avoir des avions commerciaux à empreinte environnementale réduite.
Au cours des vingt dernières années, un grand intérêt a été porté aux revêtements glaciophobes permettant de retarder passivement la formation de glace, d’en réduire son adhérence et/ou de faciliter le détachement des gouttelettes d’eau avant qu’elles ne gèlent sur les surfaces extérieures des avions. Une compréhension approfondie des mécanismes à partir desquels les propriétés de surface permettent de générer des propriétés glaciophobes, est une condition préalable à la conception de revêtements efficaces pour empêcher la formation de glace. Ceci est particulièrement vrai dans le domaine du givrage des avions, car le coût de la reproduction des conditions de givrage atmosphérique en laboratoire limite les stratégies d’essais et d’erreurs.
Bien que des efforts aient été faits pour prédire l’apparition de glace à partir des propriétés de mouillage des surfaces, les articles présentent des résultats contradictoires. Ainsi, la relation entre les propriétés glaciophobes et la mouillabilité de surface reste un problème ouvert. La prise en compte de la rugosité de la surface rend l’analyse plus complexe, car elle conduit à un phénomène de blocage mécanique à l’interface glace/substrat. Ceci est particulièrement vrai pour les surfaces superhydrophobes présentant une micro/nano-texture. Cependant, les interactions mécaniques entre la texture de la surface et la glace sont mal comprises et, à ce jour, il n’existe pas de modèle numérique tenant compte de l’effet de la microtexture sur l’adhésion de la glace. Une autre préoccupation majeure pour la mise en œuvre de surfaces glaciophobes sur les avions est leur durabilité, qui reste peu étudiée.
Les propriétés de mouillage et la force d’adhésion de la glace en cisaillement de vingt revêtements ont été caractérisées et la relation entre ces deux propriétés physiques a été étudiée. Les surfaces des échantillons ont été soumises à un test de flexion quatre points pour mesurer le taux de restitution d’énergie à l’interface avec la glace. Les données expérimentales ont été comparées aux résultats obtenus avec un modèle basé sur les éléments finis, comprenant des éléments de zone cohésive pour simuler l’interface. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été trouvé, montrant ainsi la pertinence des techniques de modélisation de la zone cohésive. Ensuite, une surface superhydrophobe a été conçue avec un modèle thermodynamique et fabriquée avec un laser nanoseconde sur des substrats en alliage d’aluminium AA 2024. Des mesures de la force d’adhérence de la glace en cisaillement ont été effectuées, ainsi que des analyses de fractographie pour évaluer le mode de fracture.
Sur la base de ces observations, une approche semi-analytique a été proposée pour modéliser l’effet de la microstructure sur l’adhésion de la glace. Cette approche a fourni des valeurs en bon accord avec les résultats expérimentaux et pourrait être développée pour implémenter le comportement des surfaces superhydrophobes dans les modèles de dégivrage de systèmes plus complexes, tels que les ailes d’avion. Enfin, la résistance à l’érosion pluie de substrats d’aluminium et de titane microtexturés a été étudiée.
A PROPOS DU PROJET FREEzING
Le projet FREEzING vise à développer et à évaluer les propriétés glaciophobes de revêtements élaborés par divers procédés de traitement de surface (voie sèche et voie humide) pour des applications aéronautiques. Le but étant d’apporter des propriétés d’antigivre durables aux surfaces traitées. Ce projet porte également sur le développement et l’évaluation des propriétés de protection au feu de revêtements céramiques élaborés par divers procédés de traitement de surface (voie sèche et voie humide) pour des applications aéronautiques. Enfin, FREEzING développe également des revêtements isolants électriques de fibre de carbone dans des cavités acoustiques des panneaux composites.
JURY
| Philippe OLIVIER | Directeur de Thèse | Université Toulouse III |
| Julien GARCIA | Co-Directeur de Thèse | IRT Saint Exupéry |
| Elmar BONACCURSO | Examinateur | Airbus (Allemagne) |
| Xiaojing GONG-HU | Examinateur | Université Toulouse III |
| Zhiliang ZHANG | Rapporteur | Norwegian University of Science and Technology |
| Gelareh MOMEN | Rapporteur | Université du Québec à Chicoutimi |
| Marc BUDINGER | Invité | INSA Toulouse |
Publication scientifique
M. Huré, P. Olivier, J. Garcia 2022. Effect of Cassie-Baxter versus Wenzel states on ice adhesion: A fracture toughness approach – Cold Regions Science and Technology