Anh Tuan LE




Doctorant du groupe Matériaux et Structures Composites (MSC)
Mines d'Albi-Carmaux, Campus Jarlard
81013 Albi




Activités de recherche

Sujet de thèse : Élaboration et caractérisation de composites nano-structurés hybrides pour l’amélioration de la tenue à l’impact

Encadrants : Thierry CUTARD, Philippe OLIVIER, Samuel RIVALLANT, Quentin GOVIGNON

Contexte :

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet collaboratif ATIHS (FUI) sur l’amélioration à la tenue de structures satellites aux impacts hyper-vitesse des débris spatiaux.

Un nombre considérable de débris d’origine humaine gravitant autour de la Terre sont actuellement répertoriés. Leur taille, leur nature, leur orbite et leur vitesse peuvent fortement varier, mais ils constituent tous un risque croissant de collision et une menace pour l’activité spatiale. Ainsi, les acteurs du spatial cherchent des solutions de limitation des risques, de protection et de contrôle du nombre d’objets (conception des objets spatiaux, mesures évitant la multiplication des débris, stratégie de fin de vie, ...).

L’ensemble de ces débris est classé en fonction de leur taille. A court terme et vis-à-vis des risques, la principale préoccupation des acteurs du domaine spatial porte sur les débris inférieurs à 5 cm. Les travaux de recherche réalisés dans le cadre du projet européen antérieur ReVuS (Reducing the Vulnerability of Space Systems) ont montré que les débris présentant le plus grand risque de perte de mission se situent dans la gamme de 1.0 à 5.0 mm de diamètre avec un pic significatif autour de 2.0 à 2.5 mm. Les probabilités de collision avec ce type de débris, encore faible, vont devenir non négligeables du fait de la multiplication des objets en orbite.

Sur cette base, l’enjeu du projet ATIHS est d’améliorer la protection des satellites face aux impacts de débris millimétriques à centimétriques.

Description de la problématique de recherche :

Le projet se propose d’introduire de nouveaux matériaux dans les structures de satellites de façon à améliorer la réponse balistique de ses structures aux impacts de débris tout en conservant une masse et un encombrement compatibles avec les exigences opérationnelles. Parmi ces matériaux, les nanotubes de carbone alignés verticalement (VACNT) présentent des caractéristique mécaniques très intéressantes (dans l’axe du nanotube, le module de Young approche 1 TPa), et offrent la possibilité de renforcer des composites dans le plan transverse. Dans le cadre de cette thèse, l’objectif est d'élaborer des composites hybrides fibre de carbone haut module / VACNT / matrice organique et de caractériser leurs propriétés.

Dans le cadre du projet FUI ATIHS, une partie des partenaires travaille sur l’impact haute vitesse (jusqu’à 10 km/s) se rapprochant des configurations orbitales. Cette thèse se place dans le cadre de l’évaluation des procédés de mise en œuvre et de l’impact moyenne vitesse (inférieur à 1km/s) afin de vérifier que les matériaux développés pour l’impact haute vitesse permettront également de résister à des impacts à des vitesses intermédiaires. Les résultats d’essai d’impact seront corrélés numériquement à l’aide d'outils de modélisation.

Objectifs :

Elaboration et caractérisation statique et à l’impact de composites hybrides. Optimisation des procédés de fabrication, lien entre les procédés et les propriétés mécaniques, essais et modélisation de l’impact moyenne vitesse (v<1km.s-1).

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PhD subject : Manufacturing and characterisation of hybrid nano-structured composites for improvement of impact properties

Supervisors : Thierry CUTARD, Philippe OLIVIER, Samuel RIVALLANT, Quentin GOVIGNON

Context :

This PhD project is part of a collaborative project ATIHS (FUI) looking at improving the impact resistance to space debris of satellite structures.

A considerable number of manmade debris gravitating around the Earth are currently listed. Their size, nature, orbit and speed can vary widely, but they all pose a growing risk of collision and a threat to space activity. Space agency are therefore looking at mitigating solutions to reduce risks, protect and control the number of space objects (conception of space systems, reduction of debris measures, end of life strategy, …).

All of the debris are classified according to their size. In the short term are regarding the threat, the main concern of space operators lays with particles of size 5 cm and below. Research carried out within the framework of a previous European project ReVuS (Reducing the Vulnerability of Space Systems) has shown that the debris with the greatest risk of mission loss is in the range of 1.0 to 5.0 mm in diameter with a peak Significant around 2.0 to 2.5 mm. Whilst the probabilities of collision with that type of debris are still small, they will become non negligible with the multiplication of orbiting space objects.

Based on this observation, the aim of the ATIHS project is to improve protection of satellites to impact of millimetre and centimetre sized debris.

Description of the research topic :

This project aims at introducing novel materials in satellite structures in order to improve the potential impact resistance of those structures whilst maintaining an acceptable mass for space application. Amongst those materials, vertically aligned carbon nanotubes (VACNT) display some very promising characteristics (in the fibre direction, Young’s modulus approaches 1 TPa), and could enable improvement of the through thickness properties of fibre reinforced composites. In the framework of this thesis, the objective will be to manufacture hybrid composites composed of high modulus carbon fibre, VACNT and organic thermoset matrix and to characterise their mechanical and impact properties.

Within the framework of the FUI ATIHS project, some partners are working on the hypervelocity (up to 10 km/s) impact of small projectiles, representative of space debris. While this PhD thesis will limit itself to the evaluation of manufacturing processes and their influence on static mechanical properties as well as medium speed impact (less than 1 km/s). This will be carried out in order to verify that the materials developed for hypervelocity impact will also resist well to lower velocity solicitations. Impact test results will be compared to simulation ones with the help of numerical models.

Objectives :

Manufacturing and characterisation (static and impact) of hybrid composites. Optimisation of the manufacturing processes, relationship between processes and mechanical properties, experimental testing and numerical modelling of medium velocity impact (v<1 km/s).














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