Les composites à renfort de fibres de lin

La composition chimique et physique ainsi le pourcentage de cellulose ce sont les facteurs qui contrôlent les propriétés mécaniques d’une fibre . La fibre de lin se situe parmi les fibres végétales les plus résistantes. Beaucoup de travaux ont été publiées concernant l’ utilisation de fibre de lin en tant qu’élément de renfort dans les matériaux composites. La connaissance du comportement des fibres de lin est considérée comme une grande importance pour leur utilisation en tant que renfort des matériaux composites [24] . Baley [25] a étudié aussi l’influence de la microstructure de lin sur le comportement de stratifié lin /époxy [25]. Arpitha.G.R et Yogesha [26] ont présenté une vue d’ensemble des propriétés mécaniques telles que la résistance à traction, la flexion et l’ impact, le module d’ élasticité correspondant des composites polymères renforcés de fibres naturelles et des observations de surface de rupture. Ils ont conclu que les fibres naturelles ont de bonnes perspectives de renforcement dans les composites polymères.

D’après Sanjay MR et al, les composites à fibres naturelles présentent des propriétés mécaniques spécifiques comparables à celles des composites à fibres synthétiques (fibres de verre) en ce qui concerne la résistance à la traction, la résistance aux chocs, la résistance au cisaillement inter laminaire, les propriétés thermiques, l’absorption d’eau et les propriétés tribologiques [27]. Une étude de l’effet du vieillissement hygrothermique cyclique sur les propriétés mécaniques et physico-chimiques d’un composite lin / époxy quasi isotrope a été menée par Kossi F et al., [28]. Les auteurs ont constaté que malgré l’effet de gonflement causer par le cycle immersion/séchage, le composite a montré une bonne rétention des propriétés mécaniques. Une bonne stabilité thermique des échantillons vieillis a été révélé, ce qui peut être corrélé à une bonne durabilité mécanique de ce composite après cent quatre jours de vieillissement hygrothermique [28]. Un autre stratifié hybrides renforcés avec des couches de lin et basalte a été étudié par Papa L. et al., [29]. Des essais d’impact à basse vitesse ont été utiliser dans le but d’étudier le comportement dynamique de ce matériau. Les résultats des tests expérimentaux montrent que le composite hybride basalte / lin affichait des meilleures performances d’impact que ceux des stratifiés basaltique ou de lin seul figure 11-6 [29].

Les composites à renfort des fibres de kevlar Prashanth S et al. [35]. Ont réalisé une synthèse des travaux antérieurs concernant les différentes propriétés mécaniques de trois fibres synthétiques, les fibres de verre, de carbone et kevlar. Les résultats ont démontré que le Kevlar est plus résistant à la fatigue avec une forte résistance à l’abrasion. Sy. et al [5] présentent un travail concernant l’utilisation de fibres naturelles en tant que renforcement composite avec des fibres de Kevlar vu que les propriétés mécaniques de la fibre naturelle sont plus faibles et leurs performances de résistance aux chocs sont insatisfaisantes. Les auteurs concluent que l’énergie absorbée augmente avec l’énergie d’ impact (composite hybride vs composite lin). À un niveau d’énergie bas, les dommages sont minimes, à des niveaux d’énergie plus élevée, les dommages deviennent plus importants sur la face arrière. La rupture de fibres ne s’est pas propagée à travers les fibres de Kevlar ce qui suggère que le tissé de Kevlar est efficace pour améliorer la ténacité du composite. Les composites à structure hybride Kevlar/verre ont montré de meilleurs résultats sur le plan de la résistance mécanique (en traction et en flexion) et de la résilience (essais d’ impact de type Izod) [36]. Un composite constitué de fibres de kevlar et de fibres de lin a été testé. Les propriétés mécaniques et les mécanismes d’endommagement ont été identifiés à partir des essais de flexion trois-points et de traction Tableau lI-4. Le composite présente un fort comportement anisotrope non linéaire. Cette étude a montré que le composite hybride présente la même faiblesse en compression que le composite Kevlar, avec des propriétés de compression inférieures aux propriétés de traction. Le composite hybride a une propriété mécanique intermédiaire entre le composite de lin et le composite d’aramide [37] .

Fabrication

Pour cette partie de l’étude, deux matériaux composites à fibres naturelles avec et sans kevlar (kevlar/lin/époxy et lin/époxy) ont été fabriqués. Un composite hybride Kevlar / Lin est fabriqué à partir d’ un empilement de 12 couches de tissu UD FlaxPly® sec (de chez Lineo NV, Belgique), pris en sandwich h entre quatre couches de tissé de Kevlar (DuPont Kevlar® 49 – BGF Industries) figure III-l. Une matrice thermodurcissable Araldite® LY 565 (époxy) et un durcisseur Aradur® 22962 (polyamine durcisseur) sont utilisés pour enrober les fibres. Ce système de résine à une température de durcissement équivalente à 150 oC, inférieure à la température de dégradation des fibres de lin. Un rapport massique époxy-durcisseur équivalent à (100 :25) a été utilisé tel que recommandé par le fournisseur. Dans cette étude, pour la configuration lin/époxy, deux séquences d’empilement ont été utilisées: [OFI6] et [±45 F16l En ce qui concerne les plaques kevlar/lin/époxy, trois configurations de stratifié de 305 mm x 305 mm ont été fabriquées: un stratifié unidirectionnel avec une séquence d’empilage [0K2IOF6]s, un stratifié croisé avec une séquence d’empilage [0K2/(0/90)3F]S, et enfin un stratifie avec une séquence d’empilage [0K2/±45F6]s où la lettre K indique la couche de kevlar et la lettre F la couche de lin.

Le stratifié est fabriqué en utilisant le procédé de moulage au contact. Pour la polymérisation, les plaques ont été initialement chauffées jusqu’à 150 oC sous une pression de 2,5 bars pendant une demi-heure, suivi par une étape de durcissement stable pendant 2,5 h à 150 oC / 5 bars. Finalement, la plaque a subi un refroidissement de 150 ° C jusqu’à la température ambiante pendant encore 1 h tout en maintenant une pression de 5 bars. Ce cycle de polymérisation a permis de fabriquer des stratifiés avec une fraction volumique de fibres allant de 50 à 60% et un taux de vide inférieur à 3% [17]. Dans le but d’obtenir des éprouvettes nonnalisées d’impact, de flexion et de Charpy, les plaques une fois fabriquées ont été découpées à l’aide d’une scie. Les éprouvettes d’impact à basse vitesse présentent une fonne rectangulaire de dimensions (150 mm x 100 mm x 3,4 mm) confonnément à la nonne ASTM 07136. Pour les essais de flexion, des éprouvettes ont été prélevées en respectant la nonne ASTM 0790, qui stipule les dimensions suivantes: (120 mm x 12,7 mm x 3,4 mm). Les éprouvettes Charpy présentent les dimensions suivantes: (62 mm x 12 mm x 3,4 mm) confonnément à la nonne ASTM 06110. La figure III.2 présente le plan de découpe de plaque.

Essai de Charpy à température ambiante

Le résumé des énergies de rupture mesurées de nos matériaux à température ambiante est présenté ci-dessous. Le tableau III-6 représente les résultats pour la configuration longitudinale [0 K2 / 0 F6] s est [0] F16. Le tableau IIT-7 représente les rés ultats pour la configuration en biais [0 K2 / ±45 F6] S et [±45] FI6 et enfin, le tableau 8 représente les résultats pour la configuration [0K2/(0/90)3F] S. Pour la première configuration (Tab. I11-6), les résultats montrent une variation d’énergie de rupture autour de 1,87 J (± 0,05 J) dans le cas d’échanti llons de lin. Pour les échantillons hybrides kevlar/ lin, les résul tats montrent des résultats plus importants par rapport à celle de lin, une moyenne de 2,95 J (± 0,3 J). Nous pouvons conclure que pour nos essais, la présence du kevlar a pour effet d’améliorer la résistance de 36,61 % par rapport au composite de lin. Pour la deuxième configuration (Tab. III- 7), la présence du kevlar augmente d’une manière significative la résistance à l’ impact de nos éprouvettes. La valeur de l’énergie de rupture pour les échantillons hybride kevlarllin est presque sept fois celle de l’échantillon lin (de 0,3 J ± 0,04 à 1,87 J ± 0,05). Pour les deux configurations suivantes: [0] Fl6 et [0 K2 / ±45 F6]S, on peut remarquer que les valeurs des énergies de rupture sont similaires. Pour la configuration [0K2/(0/90hF] s, l’énergie de rupture est autour de 1,99 J (± 0,04 J) (Tab. III-8). La figure III. 17 résume les données recueillies. En comparant les résultats on peut remarquer que le kevlar a un effet remarquable sur la résistance au choc du composite, quel que soit pour les stratifies avec l’empilements 0° ou ±45. Tel que l’ajout du kevlar à améliorer la résistance au choc de 36,61% pour les stratifiés avec l’empilement 0° et pour l’empilement ±45, la résistance au choc de matériau hybride kevlar/ lin et presque 6 fois celle de du lin. De l’autre côté, on peut remarquer que les échantillons avec l’empilement [0K2/(0/90)3Fls montrent des résultats quasiment similaires à ceux de [0] Fl6 et [0K2/±45 F6] s.

Énergie d’impact E = 5,5 J

Les tableaux ci-dessous présentent les résultats d’ impact à basse vitesse pour les strati fiés [0K2/0F6]S, [0]FI6(Tab. l ) et [0K2/±45F6]S, [±45]FI6(Tab.2). Pour la première configuration (Tab. IV-l), les résultats montrent une variation d’énergie absorbée autour de 3,3 1 J (± 0,23 J), pour les échantillons de lin avec une force max imale de 1449,78 N (± 32, 13 N). Pour les échantillons hybrides kevlar/ lin, les résultats montrent des énergies de moyenne de 3, 16 J (± 0,08 J), et une force maximale 235 1,37 N (± 106,90 N). Pour la deuxième configuration (Tab. IV -2), les échantillons de lin présentent une variation d’énergie absorbée de 3, 19 J (± 0,09 J) avec une force maximale de 1626,45 N (± 2 1,78 N). Pour les échantillons hybrides les résultats montrent des énergies absorbées moyenne de 2,49 J (± 0,83 J) et force maximale de 2768,27 N (± 330,88N). On peut dénoter que l’ajout de kevlar a amélioré l’énergie absorbée de 21,9 % et la force max imale de 4 1,25 %. Les figures IV.3 et IV.4 illustrent la charge en fo nction du temps pour les deux matériaux avec di ffé rents empilements lorsqu ‘ ils sont soumis à un impact à basse vitesse.

La charge initiale indique le premier dommage produit dans l’échantillon (défaillance d’interface ou une fissuration de la matrice … ). Pour les stratifiés hybrides, le premier dommage pour les différentes configurations a été produit pour une force égale 210 N, pour les stratifiés de lin, le début de l’endommagement est enregistré à partir de 180 N (figures IV.S et IV.6). La charge maximale enregistrée correspond à la valeur de la charge la plus élevée sur les courbes des figures IV.3 et IV. 4. Ces graphes présentent également des oscillations créées par des vibrations produites dans l’échantillon par l’impact. On peut remarquer que la charge initiale est presque identique pour le Kevlar et le lin dans les deux configurations 00 et 45 0 • Par contre, les échantillons de kevlar présent des valeurs de charges maximales supérieures à celle du lin. Les figure IV.7 et IV.8 représentent la variation de l’énergie d’ impact en fonction du temps. Cette énergie d’impact se divise en énergie élastique (Ee), c’est la partie de l’énergie d’impact qui est stockée dans l’échantillon et qui est responsable du rebond de l ‘impacteur. Et en énergie absorbée (Ea) qu’est la fraction de l’énergie d’impact absorbée par l’échantillon par la formation de dommages.