Propriétés mécaniques des composites thermoplastiques / fibre de bois

Propriétés mécaniques des composites thermoplastiques / fibre de bois:

Plusieurs travaux se sont penchés sur l’étude des propriétés mécaniques des composites bois-thermoplastique renforcés par des fibres courtes. Les chercheurs ont alors réussi à démontrer que le composite à base de polyéthylène haute densité (HOPE) renforcé par des fibres courtes de bouleau (FCB) peut avoir les mêmes propriétés mécaniques que les thermoplastiques techniques (Polyamide) couramment utilisés dans la fabrication des engrenages [20]. À titre d’exemple, une comparaison (figure 8) montre que le polyéthylène renforcé avec 40% en poids de bouleau présente des modules de Young (de traction et de flexion) supérieurs à ceux du polyamide (Nylon 6/66 et Nylon 11). De plus, ce composite possède une contrainte de flexion admissible plus élevée que celle du PEHD et du Nylon 11 (Figure 8). Cependant, cette dernière reste inférieure au Nylon 6/66. Dans la revue de littérature, plusieurs études se sont intéressées à l’effet du pourcentage de fibres sur les propriétés mécaniques. Raj et al. ont fait varier le pourcentage des fibres de bois assimilées à des fibres courtes avec un rapport de forme équivalent à 6 [21]. Ils ont ainsi remarqué que le module de Young augmente proportionnellement avec le pourcentage de fibres, tandis que la déformation à la rupture diminue (Figure 9).

Dans le même sens, Alancar et al. ont étudié l’effet du pourcentage de fibres sur le polyéthylène renforcé de fibres de bouleau [22] avec et sans agent de couplage (Figure 10).Les résultats montrent que la contrainte admissible augmente avec l’augmentation du pourcentage de fibres. Ils ont aussi étudié l’effet de l’agent de couplage. On voit d’après les résultats que l’agent de couplage améliore la résistance en flexion du matériau. Plusieurs études se sont intéressées à l’effet des dimensions des fibres sur les propriétés du composite (Figure 11). Miti et Singh ont ainsi constaté que les particules fines procurent plus de rigidité au composite HOPE-bois [23], tandis que Stark et Rowlands ont remarqué que c’est plus le rapport de forme qui est responsable de ce changement des propriétés. Plus il est grand, plus le matériau est rigide [24]. Migneault et al. [25], se sont également intéressés à l’effet du rapport de forme (longueur/diamètre) sur les propriétés mécaniques. Le tableau 2 présenté cidessous démontre que le module de Young augmente, mais pas d’une façon significative, la variation étant même plus faible que l’erreur, tandis que la variation de la déformation à la rupture ne suit pas une loi précise. Plusieurs travaux de recherche se sont penchés sur l’étude des propriétés mécaniques des composites thermoplastiques renforcés par des fibres végétales (Tableau 3). On remarque que ces biocomposites ont des propriétés mécaniques intéressantes comparables à celles des matériaux plastiques techniques.

Méthode de corrélation par images:

La méthode de corrélation par images est une méthode que les chercheurs et industriels adoptent de plus en plus vu les nombreux avantages qu’elle présente, tels que: ,j Un temps réduit. ,j Une facilité d’utilisation. ,j Une absence de contact. ,j Une cartographie complète des champs des déplacements et des déformations. ,j Des résultats plus riches que ceux qui peuvent être obtenus par des jauges de déformations. Le principe de la méthode est de suivre le déplacement des points noirs dans le temps afin de déterminer les valeurs des déplacements par rapport au temps, pour en déduire enfin après calcul la déformation. Les caméras CCO permettent d’acquérir des images numériques avec une définition de 1280par 1024 pixels. Ces images sont ensuite traitées avec le logiciel OVC (Lavision USA). Grâce à ce dispositif, il est possible de mesurer les déplacements et les déformations à la surface d’un objet avec une résolution de quelques centaines de ~m/m en déformations. Le logiciel utilise le principe de corrélation d’images, qui consiste à reconstituer une image en trois dimensions à partir de deux images en deux dimensions. Pour notre étude plane, nous n’avons utilisé qu’une seule caméra CCO pour mesurer les champs des déplacements et des déformations dans le plan de traction (X, Y). Après avoir consulté la revue bibliographique, nous constatons que celle-ci comporte encore beaucoup de lacunes en ce qui concerne l’étude de ce matériau. Notamment la ténacité du matériau et l’étude du comportement des dents des engrenages sollicités en flexion. De plus, l’utilisation de la caméra eeo permettra d’évaluer le comportement en flexion d’une dent d’engrenage, Puisqu’il est difficile d’installer une jauge de déformation pour mesurer les champs de déformations. Tandis qu’à l’aide d’une caméra eeo, on pourra mesurer les champs en utilisant un logiciel adapté, qui permet d’installer une jauge fictive dans la zone souhaitée, mesurer les déplacements et calculer aussi les champs de déformation.

Matériau : La fabrication des éprouvettes se fait en deux étapes : la préparation de la pâte et le moulage. La fabrication de la pâte est assurée par un mélangeur à deux rouleaux et une presse disponible au niveau du centre intégré de pâtes et papiers (CIPP). La technique de moulage par compression est utilisée pour la fabrication des éprouvettes. Tous les échantillons ont donc été préparés dans le mélangeur de marque (Thermon CW Brabender, modèle T -303). Les grains de la matrice (figure 21) ont été fondus sur des rouleaux à 175 oC, et les fibres ont ensuite été ajoutées au rapport pondéral désiré (de 0 à 40 % en poids) (Figure 22). Les échantillons ont été produits au moyen du procédé de moulage à une température de 205 oC en utilisant une presse hydraulique, à une pression de 10 MPa, maintenue pendant 20 minutes (Figure 23). Enfin, le moule a été refroidi à 60 oC et les échantillons ont été extraits avec soin. Design expérimental: Les tests consisteront à réaliser des tests de flexion en statique sur les dents des engrenages en variant le pourcentage des fibres de bouleau (0%,20%,40%). Les tests nécessitent la présence de deux opérateurs, l’un sur l’ordinateur lié à la machine de traction pour lancer la cellule de charge et l’autre sur l’ordinateur lié à la caméra CCD pour lancer la caméra en même temps et obtenir des résultats plus fiables. Le logiciel Davis qui traite les images obtenues par la CCD nous a permis d’obtenir les champs de déplacements en fonction du temps (Figure 34) tandis que l’ordinateur lié à la machine de traction nous a permis d’obtenir la force en fonction du temps (voir annexes). Étant donné que notre objectif est de tracer la courbe contrainte-déformation, il fallait aussi avoir la valeur des contraintes par rapport au temps afin que, d’un côté, pour une valeur t, on ait la déformation fournie par le traitement des images de la caméra GGO et de l’autre côté, les valeurs des contraintes. Pour calculer la résistance de flexion à la racine de dent, on a utilisé la relation suivante [39] :

Conclusion générale:

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au matériau composite polyéthylène avec fibres de bouleau courtes, et plus précisément à la résistance au choc en utilisant l’essai Izod et à la résistance à la flexion d’une dent d’engrenage. Pour la résistance au choc, des tests ont été effectués sur des éprouvettes selon la norme ASTMD256 pour différents pourcentages et ce, avec et sans agent de couplage. Les résultats de ces tests sont les suivants:

1) En augmentant le pourcentage de fibres, la résistance au choc augmente, sauf pour le cas de 40 % où la résistance tend à diminuer.

2) L’ajout d’un agent de couplage augmente aussi la résistance au choc.

3) La température n’a aucun effet sur la résistance au choc en diminuant la température jusqu’à moins dix degrés.

En ce qui concerne les essais de flexion sur une dent d’engrenage, on a utilisé un banc d’essai fabriqué à l’université, qu’on a installé sur la machine Instron. On a effectué les tests sur six dents pour chaque pourcentage (0%, 20% et 40 %), afin d’étudier l’effet de cette variable sur la résistance en flexion. On a alors remarqué qu’en ajoutant les fibres de bois, le module de flexion a amplement augmenté en passant de 2.04 pour le cas de 0% de fibres à 2.57 pour 20 % de fibres pour atteindre 5.14 pour le cas du 40 % de fibres.