Les composites à fibres naturelles

Le vieillissement par absorption d’eau et ses mécanismes pour un CFN

L’immersion des CFN dans l’eau est un processus de vieillissement accéléré qui engendre la diffusion de l’eau dans le matériau jusqu’à atteindre une certaine stabilisation appelée phase de saturation. Deux approches sont utilisées pour décrire le mécanisme de diffusion de l’eau : L’approche moléculaire : liée à l’affinité des molécules d’eau à des sites polaires actifs du matériau (essentiellement les celluloses et les hémicelluloses pour les fibres naturelles). En effet, la présence des groupements d’hydroxyle (OH) et des liaisons oxygène dans les molécules de celluloses et d’hémicelluloses facilitent la fixation des molécules d’eau sur les fibres. Ce comportement des fibres naturelles avec l’eau est appelé l’hydrophilie.

La théorie des volumes libres : liée à la diffusion d’eau au sein des CFN à travers les microvides et les intensités dans le composite . Les molécules d’eau occupent des espaces libres au sein du matériau. Ces cavités sont souvent présentes soit dans les zones interraciales fibre/matrice ou soit par la présence de porosité des CFN. La diffusion d’eau au sein d’un CFN provoque des modifications physico-chimiques altérant les propriétés d’utilisation du matériau comme les propriétés mécaniques. Trois changements physico-chimiques sont souvent observés lors de l’absorption d’eau d’un CFN : le gonflement, la plastification et l’hydrolyse.

Le gonflement est une modification physique qui génère un problème de stabilité dimensionnelle entre les composants du composite sans modification chimique. Cette modification physique se traduit par un changement volumétrique qui génère des contraintes internes dans la matrice et au niveau des interfaces fibre/matrice qui sont les sites les plus sensibles à l’initiation d’un endommagement.

Vieillissement thermique et ses mécanismes pour un CFN

Les fibres naturelles sont très sensibles à la dégradation thermique. Elles ne peuvent pas être utilisées pour des procédés de fabrication de composites nécessitant des températures excédant 200°C. Les analyses par thermogravimétrie (TGA) et par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) sont les méthodes les plus utilisées pour étudier la dégradation thermique des fibres naturelles. Le DSC permet notamment de mesurer les transitions de phase, la capacité calorifique d’un matériau au cours d’une variation de température. Dans le cas des CFN, cette mesure permet de détecter la température de transition vitreuse et l’état de cristallisation de chaque constituant du composite.

La limite de température de transition vitreuse est la température à laquelle les propriétés mécaniques commencent à changer de façon significative. Pour des températures en dessous de la température de transition vitreuse, les chaines polymères présentent une faible mobilité relative. Ils deviennent durs et fragiles. Ils sont à l’état vitreux. Les tests de TGA permettent de connaitre la stabilité thermique du matériau. Cette technique mesure la perte de masse en fonction de l’évolution de la température.

Le processus de dégradation des fibres naturelles se fait généralement suivant deux étapes. La première étape est la déshydratation des fibres combinée à la volatilité de certains composants. Cette étape est suivie d’une rapide perte de masse liée à décomposition par oxydation des polymères. La première réduction de masse est associée à la dépolymérisation de l’hémicellulose et une décomposition des liaisons entre les celluloses. La décomposition de la lignine se fait généralement entre 200 à 500°C . En effet, les liaisons entre la lignine et la cellulose ont tendance à se cliver facilement à cause de leur composition chimique complexe. Leur dégradation de la lignine occupe donc une large gamme de température. Dépendamment de leurs constitutions (fibre, matrice et agent de couplage), les CFN subissent des changements de dimension lors d’une variation de température. À des températures de 100 à 200°C par exemple, on constate un phénomène de fluage et de distorsion de certains composites à matrice polymères.

Fatigue des composites à fibres naturelles

La fatigue est une sollicitation répétée du matériau à des contraintes inférieures à sa contrainte à la rupture. Le phénomène de défaillance par fatigue se produit généralement à des niveaux de contraintes pour lesquels la limite d’élasticité macroscopique du matériau n’est pas atteinte. En effet, la répétition à long terme des contraintes conduit à un cumul de microdommages et à une perte irréversible des propriétés mécaniques. Ce processus de détérioration progressive des propriétés mécaniques au cours du temps est appelé endommagement par fatigue. La quantification de l’évolution de propriétés mécaniques et /ou des observations optiques ou sonores permettent d’évaluer le comportement en fatigue des matériaux. Dans la suite, les techniques d’identification des mécanismes d’endommagement en fatigue et les différentes méthodes d’évaluation de critères d’endommagement vont être exposées pour les composites en général.

Endurance en fatigue

L’endurance ou la durée de vie d’un matériau est définie comme étant la période à laquelle un matériau doit conserver sa fonctionnalité sans nécessiter des réparations importantes des dommages. Celle-ci dépend surtout des conditions d’utilisation mécanique du matériau. Les essais classiques de fatigue permettent de déterminer la durée de vie en fatigue d’un matériau. Ces tests consistent à soumettre l’éprouvette à un type de chargement (tension-tension, tension compression, compression- compression) répété avec un rapport de charge R, qui est défini comme étant le rapport de la contrainte minimum sur la contrainte maximum. Les éprouvettes sont testées sous plusieurs niveaux de charge allant de 10% à 80% de la contrainte ultime σr (UTS). Ces différents tests permettent de construire la courbe de la contrainte maximale en fonction de la durée de vie des éprouvettes. Cette courbe est appelée courbe de Wöhler ou courbe S-N (Stress-Number of cycle).

Elle fournit la tenue sous chargement en fatigue du matériau et permet de déterminer la limite d’endurance (σd) en fatigue de la pièce. La limite d’endurance est la contrainte en dessous de laquelle le matériau ne connaitra pas de défaillance par la fatigue. La courbe de Wöhler ne donne aucune indication sur l’endommagement du matériau ou sur les mécanismes d’endommagement. La courbe S-N est généralement monotone et quasi linéaire pour les CFN. Certaines études ont montré que leur rapport d’endurance est au-dessus de celui des métaux.

Mécanismes d’endommagement des composites stratifiés

Indépendamment de sa composition et de sa structure, l’endommagement d’un composite stratifié par fatigue est un processus assez complexe. Cet endommagement ne se fait pas uniquement en surface ou de façon localisée comme dans le cas des métaux. Des ruptures et des fissures apparaissent à des échelles plus ou moins grandes et à de différents points du matériau. Les principaux mécanismes qui sont essentiellement observés lors de l’endommagement sont : la décohésion entre fibres/matrice, fissuration de la matrice, la rupture des fibres et le délaminage. Ces mécanismes ne diffèrent pas des mécanismes obtenus lors d’un essai mécanique spontané.

La décohésion résulte des concentrations de contrainte à l’interface fibre/matrice lorsqu’apparaissent des fissurations dans la matrice sous sollicitation. La fissuration transverse de la matrice est quant à elle causée par les concentrations de contrainte générées par les irrégularités géométriques au sein de la matrice. La rupture des fibres et la fissuration longitudinale de la matrice sont dues à la sollicitation dans le sens des fibres ou à des concentrations de contraintes dues à une irrégularité ou à la présence des microporosités dans le matériau. À l’échelle du stratifié, on distingue les phénomènes de fissuration entre deux plis qui sont appelés le délaminage. Ce phénomène est provoqué par l’augmentation et la propagation des microfissures dans chaque pli. La concentration de ces contraintes intralaminaires génère alors une propagation des fissures qui traversent les plis et engendre le délaminage des plis.

Évaluation de l’endommagement par fatigue

L’étude de l’endommagement en fatigue d’un matériau permet de comprendre la cinétique des propriétés mécaniques au cours de la fatigue et de corréler les différents mécanismes d’endommagement qui sont liés à cette perte des propriétés. En effet, les changements microstructuraux au sein du matériau occasionnent une variation des propriétés mécaniques à l’échelle macroscopique. L’analyse de l’évolution de l’endommagement en fatigue se fait souvent par la mesure de l’évolution de certains paramètres mécaniques à l’échelle macroscopique. Les paramètres mécaniques les plus utilisés pour évaluer la cinétique de l’endommagement sont : les modules apparents (la perte de la rigidité), l’énergie dissipée, la déformation permanente ou la contrainte résiduelle.

Table des matières

I. CHAPITRE I : INTRODUCTION 
1. Généralité
2. Problématique
3. Objectifs
4. Organisation de la thèse
II. CHAPITRE II : REVUE DE LA LITTÉRATURE SCIENTIFIQUE
II.1. Les composites à fibres naturelles
II.1.1. Généralité sur les fibres naturelles
II.1.2. Les matrices
II.1.3. Composites à fibres naturelles (CFN)
II.1.4. Propriétés mécaniques des composites structuraux à fibres naturelles
II.2. Vieillissement et mécanisme de vieillissement des composites à fibres naturelles
II.2.1. Le vieillissement par absorption d’eau et ses mécanismes pour un CFN
II.2.2. Vieillissement thermique et ses mécanismes pour un CFN
II.2.3. Quelques exemples d’articles parlant du vieillissement des CFN
II.3. Fatigue des composites à fibres naturelles
II.3.1. Endurance en fatigue
II.3.2. Mécanismes d’endommagement des composites stratifiés
II.3.3. Évaluation de l’endommagement par fatigue
II.3.4. Les modules résiduels
II.3.5. Méthode indirecte de l’évaluation de l’endommagement par fatigue
II.3.6. Lois de cumul d’endommagement par fatigue
II.3.7. Portrait des études sur la fatigue des composites à fibres naturelles
II.4. Conclusion
III. CHAPITRE III : FABRICATION ET PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES ÉCHANTILLONS
III.1. Introduction
III.2. Description du matériau et fabrication des éprouvettes
III.2.1. Matériau choisi
III.2.2. Fabrication
III.3. Résultats des propriétés physiques des échantillons
III.4. Conclusion
IV. CHAPITRE IV : ÉTUDES QUASI-STATIQUES 
IV.1. Introduction
IV.2. Dispositifs des essais mécaniques
IV.2.1. Impulsion acoustique
IV.2.2. Essais de traction
IV.3. Techniques de l’évaluation de l’endommagement
IV.3.1. Technique d’émission acoustique
IV.3.2. Microscopie optique et électronique à balayage (MEB)
IV.4. Résultats et discussions
IV.4.1. Essais d’impulsion acoustique
IV.4.2. Essai de traction
IV.4.3. Fractographie des composites en quasi-statique
IV.4.4. Analyse des données de l’émission acoustique (EA)
IV.5. Conclusion
V. CHAPITRE V : VIELLISSEMENT ENVIRONNEMENTAL
V.1. Introduction
V.2. Méthodes de vieillissements accélérés
V.2.1. Vieillissement hygrothermal
V.2.2. Mesure des caractéristiques d’absorption
V.2.3. Vieillissement thermique
V.2.4. Caractérisation thermogravimétrique
V.2.5. Caractérisation par FT-IR
V.3.Résultats et discussions
V.3.1. Immersion hygrothermal
V.3.2. Essais thermomécaniques
V.4.Conclusion
VI. CHAPITRE VI : COMPORTEMENT À LONG TERME
VI.1. Introduction
VI.2. Comportement en fatigue mécanique des éprouvettes saines
VI.2.1. Méthodes expérimentales
VI.2.2. Suivi de l’endommagement
VI.2.3. Suivi de l’endommagement par les techniques non destructives
VI.2.4. Résultats et discussions
VI.3. Comportement en fatigue des éprouvettes vieillies
VI.3.1. Méthodes expérimentales
VI.3.2. Résultats et discussion
VI.3.3. Corrélations entre les différents essais
VI.4. Vieillissement cyclique immersion/séchage
VI.4.1. Méthodes expérimentales
VI.4.2. Résultats et discussions
VI.5. Conclusion
VII. CHAPITRE VII : CONCLUSIONS
VII.1. Retour sur les objectifs
VII.2. Résultats importants
VII.3. Perspectives

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