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Le 31 mars 2021

Soutenance de thèse de Elodie KAESHAMMER

Etude expérimentale et numérique de la sensibilité de composites énergétiques : influence de la microstructure et rôle de l'endommagement

Résumé de la thèse en français

La sensibilité au choc d'un matériau énergétique est liée à sa microstructure. L'onde de choc interagit avec la micro-structure en créant des sauts de pression et des hausses de température localisés que l'on appelle points chauds. Cespoints chauds sont de potentiels sites d'initiation de la détonation. L'objectif de thèse est d'étudier l'influence de différentsparamètres microstructuraux sur la sensibilité au choc d'un matériau énergétique.Dans un premier temps, les microtomographies de trois matériaux RDX/Cire (70/30 en masse) sont étudiées. Ces troismatériaux sont identiques en termes de composition mais diffèrent par leur microstructure ainsi que par leur seuil d'amor-çage en détonation. Les microtomographies sont filtrées et segmentées avant d'être caractérisées. La caractérisationpermet d'identifier et de quantifier les différences de granulométries, distributions spatiale, formes des grains, points decontact entre les grains et réponses élastiques des 3 matériaux. Chaque grain labellisé est ensuite étudié individuelle-ment (volume, surface, rayon moyen, sphéricité, convexité, angularité) et extrait pour former une bibliothèque de grains.Les résultats d'analyse d'images sont comparés avec des mesures expérimentales pour vérifier la validité de l'outil desegmentation mis en œuvre.Dans un second temps, des microstructures virtuelles sont générées à partir de la bibliothèque de grains réels afin decontrôler les caractéristiques des grains présents dans le matériau virtuel et d'isoler les effets de différents paramètresmicrostructuraux, tout en respectant la granulométrie et la distribution spatiale du matériau réel. Des simulations numé-riques dynamiques ont mis en évidence le rôle des défauts intra-granulaires ainsi que des points de contact entre lesgrains dans la localisation des contraintes et la formation de points chauds. L'importance des points de contact entre lesgrains était déjà pressentie à la suite de calculs FFT élastique quasi statique.Parallèlement à ce travail numérique, des expériences de récupération sous choc ont été mises au point et réaliséesà l'ISL. Les échantillons endommagés sont microtomographiés, révélant d'importantes fissurations et décohésions pourdes pressions de choc bien inférieures au seuil d'amorçage de la détonation.

Résumé de la thèse en anglais

Shock sensitivity of explosive formulations is linked to their microstructure. Shock waves interact with the heterogeneitiesof the microstructure which lead to localized increase of pressure and temperature called hot spots. The hot spots canpotentially initiate the detonation. The objective of the PhD thesis is to study the influence of different microstructuralparameters on the sensitivity to shock of energetic materials.First, the micro-computed tomography images of three RDX/Wax materials (70/30 in weight) are studied. These threematerials have the same composition but different microstructures and different sensitivity to shock. The micro-computedtomography images are filtered, segmented and characterized. The characterization allows the identification and quan-tification of the differences between the three materials: granulometry, spatial distribution, grains shape, contact pointsbetween grains and elastic response to deformation. Then, each labeled grain is extracted and characterized with se-veral descriptors (volume, surface, mean radius, sphericity, angularity) to create a library of grains. The results of imageanalysis are compared with experimental data to evaluate the effectiveness of the segmentation tool.Then, virtual microstructures are generated with the library of grains. It allows to control the characteristics of the grainsimplanted in the virtual material and to isolate the effects of some microstructural parameters, while respecting the particlesize and spatial distribution of the real material. Dynamic numerical simulations have demonstrated the importance of theintra-granular defects and of the contact points between the grains in the localization of stresses and the formation of hotspots. The role of the contact points between the grains was already highlighted in FFT elastic quasi-static simulations.In addition to this numerical work, shock recovery experiments were developed and performed at the ISL. DamagedRDX/Wax samples were imaged with micro-computed tomography which revealed numerous cracks in the grains and animportant grain-wax decohesion for shock pressure largely under the detonation threshold.

Titre anglais : Experimental and numerical study of the sensitivity of energetic materials : influence of the microstructure and role of the mechanical damage
Date de soutenance : mercredi 31 mars 2021 à 13h30
Adresse de soutenance : 35 rue Saint-Honoré 77305 Fontainebleau Cedex - Salle de visio
Directeur de thèse : François WILLOT
Codirecteur : Petr DOKLADAL