Influence de la structure du fil sur le comportement des renforts

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Introduction générale

Depuis quelques années, l’utilisation de matériaux biosourcés dans les applications semi-structurelles et structurelles ne cesse de croître pour se conformer aux nouvelles politiques environnementales. Parmi eux, les composites renforcés de fibres végétales sont très attrayants pour la communauté scientifique ainsi que pour le monde industriel. L’élaboration de com-posites à matrice organique renforcés par des fibres végétales est une alternative intéressante pour le remplacement des composites à fibres synthétiques. Ainsi, dans de nombreux secteurs tels que l’automobile, les composites renforcés de fibres végétales (matrice thermoplastique ou thermodurcissable) sont complémentaires aux composites renforcés de fibres synthétiques (verre, carbone). Cependant, les fibres végétales sont hydrophiles et leur principal inconvé-nient est leur absorption d’eau potentiellement importante. Les sollicitations environnemen-tales (humidité relative (HR), température, UV …) peuvent fortement aﬀecter leurs propriétés mécaniques et jouent donc un rôle crucial dans la durabilité des composites renforcés de fibres végétales. L’un des enjeux actuels est le remplacement des fibres conventionnelles par les fibres végétales oﬀrant des propriétés structurelles et fonctionnelles comparables et présentant la même résistance aux sollicitations environnementales. La prévision de leur durabilité néces-site de prendre compte le couplage hygromécanique dans la description du comportement des matériaux composites renforcés par des fibres végétales.
En raison de ses caractéristiques mécaniques très intéressantes et de sa disponibilité géo-graphique importante en Normandie, ce travail s’est intéressé au renfort lin. Un tissu quasi-unidirectionnel de fils de lin a donc été sélectionné comme matériau de renfort pour les composites à matrice époxy. Ce travail propose d’étudier, d’une part le comportement hygro-scopique du composite lin / époxy et de ces constituants (matrice et renfort à deux échelles – celle du tissu et celle des fils élémentaires). D’autre part, l’influence de l’humidité relative sur le comportement mécanique des composites et de ses constituants est analysée. Cette thèse s’appuie donc sur une démarche de caractérisation expérimentale multi-échelle des comporte-ments hygroscopique et mécanique et sur une modélisation viscoélastique viscoplastique avec prise en compte du couplage hygromécanique dans les composites lin / époxy.
Ce manuscrit de thèse s’articule autour de 5 chapitres.
Une synthèse bibliographique sur les composites à fibres naturelles est proposée au cha-pitre 1. Ce chapitre débute par une présentation générale des fibres végétales puis se focalise sur la description de la structure, de la composition chimique et les propriétés des fibres de lin. Un état de l’art du comportement hygroscopique et du couplage hygromécanique des composites à fibres végétales et de ces constituants est proposé. Ce chapitre se conclue par l’énoncé de la problématique de ce projet de recherche.
Le chapitre 2 est consacré à la description des matériaux et techniques expérimentales utilisés dans cette thèse. La méthode de conditionnement, les procédures d’élaboration des matériaux et les protocoles d’essai sont décrits.
Le chapitre 3 traite dans une première partie l’influence de l’humidité relative de l’atmo-sphère de conditionnement sur les cinétiques de sorption unidirectionnelle de la matrice époxy et du composite lin / époxy. Les lois de diﬀusion sont identifiées. Dans une seconde partie, ce chapitre se focalise sur la description de l’absorption d’eau tridimensionnelle d’éprouvettes fils, tissus, matrice et composites. Cette deuxième partie a permis de mesurer expérimenta-lement les coeﬃcients d’hygro-expansion du fil et du composite.
Le chapitre 4 est décomposé en trois parties dans lesquelles, l’étude hygromécanique est menée à l’échelle du renfort (fil et tissu), de la matrice et du composite respectivement. Il s’agit de quantifier la conséquence de l’absorption d’eau sur le comportement mécanique à ses diﬀérentes échelles. Ce chapitre se termine par une étude du vieillissement post saturation sur le comportement mécanique aux diﬀérentes échelles considérées.
Le dernier chapitre présente une première approche de modélisation viscoélastique visco-plastique avec prise en compte d’un couplage hygromécanique dans les composites lin / époxy. Ce modèle est développé dans le cadre des petites déformations pour des sollicitations uni-directionnelles. Les évolutions des propriétés en fonction de la teneur en eau sont décrites à travers des lois de type puissance. Ce modèle a été identifié sur des essais de fluage / recou-vrance et de relaxation des contraintes à diﬀérentes humidités relatives.
Ce manuscrit se termine par une conclusion générale rappelant les apports majeurs de ce travail de thèse.

Fibres de lin

Contexte général

Définition d’une fibre végétale

Les fibres naturelles peuvent être classées en 3 catégories selon leur origine (fig. 1.1). On peut trouver les fibres d’origine végétale, les fibres d’origine animale telles que la laine et les poils et les fibres minérales comme l’amiante. Les fibres végétales peuvent être classées selon leur localisation dans la plante. On peut diﬀérencier dans ce cas les fibres extraites de la tige (par l’exemple le lin, le chanvre, le jute, etc.), les fibres extraites des graines (coton, kapok…), celles extraites des feuilles (sisal, abaca…), ou encore des fruits (noix de coco, ananas…). Ces dernières décennies, une attention particulière a été portée aux fibres végétales pour qu’elles soient utilisées en tant que renfort dans les composites pour des applications industrielles. Les fibres végétales sont susceptibles de représenter une bonne alternative aux fibres de verre pour des raisons écologiques et environementales notamment leur recyclabilité et biodégradabilité, et pour leur non-toxicité vis-à-vis de l’utilisateur (contrairement aux fibres synthétiques tels que les fibres de carbone et les fibres de verre qui sont fortement toxiques). De plus, grâce
à leur faible densité, les fibres végétales présentent des propriétés mécaniques spécifiques compétitives à celles des fibres de verre. Shah et al. (2013) a montré que les composites renforcés par des fibres naturelles peuvent substituer les composites renforcés par des fibres de verre pour les applications critiques à la rigidité mais pas dans celle critique à la contrainte à la rupture. Une autre raison importante est leur capacité à amortir les vibrations et leur disponibilité annuelle. Nombreux sont les travaux qui mettent en valeur les fibres végétales et les composites qui en dérivent. Parmi les fibres végétales, on s’est intéressé aux fibres de lin dans ces travaux puisqu’ils sont largement cultivés en France, et plus particulièrement en Normandie.

Table des matières

Introduction générale
1 Etude bibliographique
1.1 Fibres de lin
1.1.1 Contexte général
1.1.1.1 Définition d’une fibre végétale
1.1.1.2 Intérêt des fibres végétales
1.1.1.3 Historique des fibres végétales dans l’industrie
1.1.2 Structure et propriétés des fibres de lin
1.1.2.1 De la tige à la fibre
1.1.2.2 Structure
1.1.2.3 Composition chimique
1.1.2.4 Propriétés physiques et mécaniques
1.1.3 Hygroscopie des fibres de lin
1.1.3.1 Diffusion de l’eau dans le lin : un problème pour les matériaux
composites biosourcés ?
1.1.3.2 Influence de l’eau sur les propriétés des fibres de lin
1.2 Renfort
1.2.1 Le renfort fil
1.2.2 Le renfort tissu
1.2.3 Influence de la structure du fil sur le comportement des renforts
1.3 Composites renforcés par des fibres de lin
1.3.1 Comportement hygroscopique : diffusion
1.3.1.1 Mécanismes de diffusion
1.3.1.2 Cinétique de diffusion
1.3.1.3 Modélisation de la diffusion
1.3.2 Comportement mécanique
1.3.3 Couplage hygromécanique
1.3.3.1 Composites renforcés par des fibres végétales
1.3.3.2 Composites renforcés par des fibres synthétiques
1.3.3.3 Comportement hygromécanique de la matrice époxy
1.4 Problématique de la thèse
2 Matériaux et techniques expérimentales
2.1 Matériaux utilisés au cours de l’étude
2.1.1 La matrice
2.1.2 Le renfort
2.2 Méthode d’élaboration
2.2.1 Composite
2.2.2 Matrice époxy
2.2.3 Renfort : tissu non imprégné
2.2.4 Renfort : fil
2.3 Découpe des éprouvettes
2.3.1 Composite
2.3.2 Matrice époxy
2.4 Conditionnement en atmosphère à humidité relative contrôlée
2.5 Méthodes de caractérisation
2.5.1 Densité
2.5.2 Suivi de masse
2.5.3 Essai mécanique
2.5.3.1 Composite
2.5.3.2 Constituants du composite
2.5.4 Essai de vieillissement
2.5.5 Mesure des déformations
2.5.6 Mesure du diamètre apparent des fils
2.5.7 Calcul de la fraction volumique des fibres et des porosités dans le composite
3 Etude expérimentale du comportement hygroscopique
3.1 Comportement de sorption unidirectionnelle
3.1.1 Comportement de sorption de la résine
3.1.2 Comportement de sorption du composite
3.2 Comportement de sorption 3D
3.2.1 Comportement de sorption 3D du renfort fil et du renfort tissu
3.2.2 Comportement de sorption 3D de la résine
3.2.3 Comportement de sorption 3D du composite
3.3 Conclusion du chapitre
4 Etude expérimentale multi-échelle du couplage hygro-mécanique des composites
lin / époxy
4.1 Introduction
4.2 Comportement mécanique du renfort lin à différentes échelles
4.2.1 Comportement mécanique du renfort fil
4.2.2 Comportement mécanique du renfort tissu
4.2.3 Discussion
4.3 Comportement en traction de l’époxy
4.4 Comportement mécanique du composite
4.4.1 Validation des mesures de déformation
4.4.2 Reproductibilité des courbes de traction
4.4.3 Comparaison du comportement mécanique en fonction de l’humidité
relative
4.4.4 Identification des paramètres d’élasticité
4.5 Influence du vieillissement sur le comportement des composites
4.6 Conclusion du chapitre
5 Première approche de modélisation viscoélastique viscoplastique avec prise
en compte du couplage hygro-mécanique
5.1 Introduction
5.2 Constatation expérimentale
5.3 Modélisation du comportement viscoélastique viscoplastique avec couplage hygromécanique
5.3.1 Contexte et limitation du modèle
5.3.2 Modèle de comportement et équations constitutives
5.3.3 Identification des paramètres du modèle
5.4 Résultats obtenus
5.5 Conclusions et perspectives du chapitre
Conclusion et perspectives
Bibliographie
Annexes