Thèse Année : 2025

Study and modeling of the effect of sequences of thermomechanical stresses on the behavior, damage and rupture of composite materials in hydrogen tanks.

Etude et modélisation de l’effet des séquences de sollicitations thermomécanique sur le comportement, l’endommagement et la rupture des matériaux composites des réservoirs à hydrogène.

Résumé

Preserving the environment and promoting sustainable development are crucial global challenges. In this context, hydrogen is emerging as a promising energy vector for generating electricity and heat. Among the various storage technologies, compressed gas storage in type IV tanks is emerging as the most successful solution in terms of mass density and volume. Forvia designs lightweight, competitive hydrogen storage systems capable of withstanding pressures of up to 700 bar, as well as complex thermomechanical stresses such as fatigue cycles, impact, creep and temperature variations. Under such extreme conditions, carbon fibre-reinforced epoxy composites are particularly prone to various deterioration mechanisms. This experimental research aims to establish the basis for the design of CFRP (carbon fibre reinforced polymer) composite structures dedicated to type IV hydrogen tanks. A multi-scale approach is used to analyse the impact of microstructure on deterioration mechanisms under quasi-static, dynamic and fatigue loading. Innovative experimental methods are developed to establish correlations between these deterioration mechanisms and the macroscopic behaviours observed. The study begins with a physico-chemical and microstructural characterisation of the composites, followed by an in-depth thermomechanical analysis. The focus is on the influence of porosity and fibre orientations (±15°, ±30°, and multilayer configurations) on mechanical performance. Experimental results show that porosity, between 5% and 7%, significantly reduces mechanical performance, with a 40% reduction in Young's modulus between ±15° and ±30° fibre orientations, and a 65% reduction for multilayer structures. On a microscopic scale, porosity leads to fibre cracking and breakage, while on a mesoscopic scale, it favours the appearance of transverse cracks and delamination. The multi-scale analyses, carried out under quasi-static, dynamic and fatigue conditions, highlight the significant impact of porosity on the durability of hydrogen tanks. The results provide a better understanding of the effects of porosity-induced damage, and serve as a robust experimental basis for improving the design of hydrogen storage tanks by taking into account the control of porosity and fibre orientation.

La préservation de l'environnement et la promotion du développement durable représentent des enjeux cruciaux à l'échelle mondiale. Dans ce contexte, l'hydrogène émerge comme un vecteur énergétique prometteur pour la génération d'électricité et de chaleur. Parmi les différentes technologies de stockage, le stockage gazeux comprimé dans des réservoirs de type IV s'affirme comme la solution la plus aboutie en termes de densité de masse et de volume. Forvia conçoit des systèmes de stockage d'hydrogène légers et concurrentiels, capables de supporter des pressions atteignant 700 bars, ainsi que des contraintes thermomécaniques complexes telles que les cycles de fatigue, les chocs, le fluage et les variations de température. Dans de telles conditions extrêmes, les matériaux composites époxy renforcés de fibres de carbone sont particulièrement sujets à divers mécanismes de détérioration. Cette recherche expérimentale vise à établir les fondements pour la conception des structures en composites CFRP (polymère renforcé de fibres de carbone) dédiées aux réservoirs d’hydrogène de type IV. Une approche multi-échelle est utilisée pour analyser l'impact de la microstructure sur les mécanismes de détérioration sous sollicitations quasi-statiques, dynamiques et en fatigue. Des méthodes expérimentales novatrices sont développées afin d'établir des corrélations entre ces mécanismes de détérioration et les comportements macroscopiques observés. L’étude commence par une caractérisation physico-chimique et microstructurale des composites, suivie d'une analyse thermomécanique approfondie. L'accent est mis sur l'influence de la porosité et des orientations des fibres (±15°, ±30°, et configurations multicouches) sur les performances mécaniques. Les résultats expérimentaux révèlent que la porosité, située entre 5 % et 7 %, diminue considérablement les performances mécaniques, avec une diminution de 40 % du module de Young entre les orientations de fibres ±15° et ±30°, et une réduction de 65 % pour les structures multicouches. À l'échelle microscopique, la porosité entraîne la fissuration et la rupture des fibres, tandis qu’à l'échelle mésoscopique, elle favorise l'apparition de fissures transversales et de délaminations. Les analyses multi-échelles, réalisées dans des conditions quasi-statiques, dynamiques et de fatigue, mettent en évidence l'impact significatif de la porosité sur la durabilité des réservoirs d’hydrogène. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre les effets de l'endommagement causé par la porosité, et ils servent de base expérimentale robuste pour améliorer la conception des réservoirs d'hydrogène en prenant en compte le contrôle de la porosité et de l'orientation des fibres.

Fichier principal
Vignette du fichier
ENSAM_FEKI_2025_archivage.pdf (8.47 Mo) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)
Licence

Dates et versions

tel-05233987 , version 1 (01-09-2025)

Licence

Identifiants

  • HAL Id : tel-05233987 , version 1

Citer

Imen Feki. Etude et modélisation de l’effet des séquences de sollicitations thermomécanique sur le comportement, l’endommagement et la rupture des matériaux composites des réservoirs à hydrogène.. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. École Nationale Supérieure des Arts et Métiers, 2025. Français. ⟨NNT : 2025ENAME005⟩. ⟨tel-05233987⟩
293 Consultations
235 Téléchargements

Partager

  • More