Les matériaux composites

Les matériaux composites

Rétrospective méthodologique

Ce chapitre a été écrit afin de fournir les informations complémentaires qui référent aux matériaux et à la méthodologie utilisée dans cette thèse. Cette méthodologie a été détaillée par la suite dans chacun des articles présentés. Ce chapitre vise à renforcer la cohérence des résultats présentés aux chapitres 4, 5, et 6.La méthodologie aborde chacun des critères utilisés dans le développement du matériau composite à structure sandwich. Premièrement, la caractérisation technique a été réalisée à travers différents essais normalisés, tandis que l’estimation des coûts de production a été obtenue en utilisant l’approche de modélisation des coûts de Wakeman et Månson (2004). Ensuite, les résultats des essais préliminaires et l’estimation des coûts de production ont servi à écarter des hypothèses préliminaires. Enfin, la méthodologie de recherche qualitative basée sur la théorie ancrée de Glaser and Strauss (1967) a été utilisée pour déterminer les applications potentielles du matériau composite à structure sandwich.

Essais préliminaires

Ce travail de recherche a d’abord impliqué une recherche exploratoire des matériaux composites existants sur le marché qui pourraient potentiellement servir comme substrat dans la fabrication d’un plancher d’ingénierie. À cette fin, comme premier axe de ce travail préliminaire, une recherche sur internet de produits commerciaux a été réalisée. Ce travail a dirigé la recherche vers différents sites web mis en ligne par des entreprises de fabrication ou de distribution de produits. Cette recherche sur le web a permis de répertorier de nombreux produits composites pouvant servir de substrats aux lames de plancher d’ingénierie. La sélection des matériaux composites a été faite en prenant comme critère de sélection le module d’élasticité de chacun des matériaux, car le module d’élasticité est le principal paramètre contrôlant la déformation au tuilage due au changement d’humidité (Blanchet 2008). Les résultats de cette recherche sont présentés dans le tableau 3.1.
Un deuxième axe de recherche avait pour but la réalisation des essais concernant la déformation au tuilage, lesquels ont été faits pour observer une première approche de la performance envers la déformation au tuilage de certains matériaux composites. Quelques échantillons fournis par les entreprises de fabrication ou de distribution de matériaux composites ont été utilisés pour réaliser les essais de déformation au tuilage.Nous avons collé une couche de surface d’érable à sucre de 4 mm d’épaisseur sur la surface supérieure des matériaux composites. Les matériaux composites utilisés étaient des échantillons de 10 mm x 10 mm. Ces matériaux à structure sandwich étaient constitués de nid d’abeille de Nomex, de mousse de polyuréthane et de nid d’abeille d’aluminium comme cœur ou âme. Tandis que, des feuilles de fibre de verre ou de fibre de carbone et d’aluminium ont été utilisées comme surface. Enfin, tous les échantillons ont été isolés sur les côtés et en-dessous en utilisant un papier aluminium autocollant. Les essais au tuilage ont été faits selon la méthodologie proposée par Blanchet (2004). Les résultats ont été comparés par rapport à la déformation au tuilage du panneau contreplaqué de bouleau baltique.La figure 3.1 présente les courbes de déformation au tuilage des échantillons des matériaux composites. Le matériau composite nid d’abeille d’alliage d’aluminium de 10 mm d’épaisseur présente une meilleure performance envers la déformation au tuilage, tandis que le matériau composite nid d’abeille de Nomex avec une surface de fibre de verre présente une faible performance envers la déformation au tuilage.
Un autre axe de recherche de ce travail préliminaire a été le développement d’un panneau contreplaqué fabriqué à base des placages de bois de peuplier-faux-tremble renforcés avec des tissus de fibres naturelles ou des tissus de fibres synthétiques. Le panneau contreplaqué a été fait avec des placages de bois de 3 mm d’épaisseur pour les panneaux de trois plis et de 2 mm d’épaisseur pour les panneaux de cinq plis. Entre chaque pli a été mis un tissu de fibres naturelles (chanvre) ou un tissu de fibres synthétiques (fibre de verre, kevlar). Un adhésif époxy a été utilisé pour coller les plis. La figure 3.2 présente la configuration du panneau contreplaqué renforcé.
Figure 3.2: Configuration du panneau contreplaqué renforcé avec tissu de fibres naturelles ou synthétique
Les panneaux contreplaqués renforcés ont été faits dans le laboratoire. Les paramètres de pressage utilisés sont présentés dans le tableau suivant :
Tableau 3.2: Paramètres de pressage du panneau contreplaqué de peuplier faux-tremble renforcé
La figure 3.3 présente les résultats des essais de flexion des matériaux composites (trois plis) de peuplier faux-tremble renforcés avec les fibres naturelles et synthétiques. Les résultats ont été comparés par rapport aux panneaux sans renforcement faits avec l’époxy et le PUR. Le panneau contreplaqué renforcé avec la fibre de kevlar de 9 oz présente une augmentation de 10% en comparaison du panneau contreplaqué sans renforcement. Le panneau contreplaqué renforcé avec le tissu de fibres de chanvre de 8 oz présente une diminution du module d’élasticité. En général, il n’y a pas de différence significative entre les panneaux contreplaqués renforcés et les panneaux contreplaqués sans renforcement.
Figure 3.3: Module d’élasticité des matériaux composites (trois plis) de peuplier faux-tremble renforcés avec fibres naturelles et fibres synthétiques. ─ : Valeur moyenne du module d’élasticité du panneau contreplaqué de bouleau baltique, utilisé comme substrat de lames de plancher d’ingénierie.
Des résultats similaires ont été obtenus pour les panneaux contreplaqués de plis de 2 mm d’épaisseur et de cinq plis. La figure 3.4 présente la valeur du module d’élasticité obtenue pour les différents panneaux contreplaqués renforcés. On peut noter que le panneau contreplaqué renforcé avec fibre de verre E de 8.9 oz a présenté le module d’élasticité le plus élevé. Ce panneau a présenté une augmentation de 30% de la valeur du module d’élasticité en comparaison du panneau contreplaqué sans renforcement. Par contre, le panneau contreplaqué renforcé avec fibre de verre de 6 oz présente le module d’élasticité le plus faible. Il faut indiquer que même si les panneaux contreplaqués présentent une augmentation du module d’élasticité, cette valeur est inférieure à la valeur du module d’élasticité du panneau contreplaqué de bouleau baltique, lequel est fréquemment utilisé dans la fabrication de lames de plancher d’ingénierie.
Figure 3.4: Module d’élasticité des matériaux composites (cinq plis) de peuplier faux-tremble renforcés avec fibres naturelles et fibres synthétiques. ─ : Valeur moyenne du module d’élasticité du panneau contreplaqué de bouleau baltique, utilisé comme substrat de lames de plancher d’ingénierie.
Nous avons réalisé aussi des essais préliminaires sur d’autres matériaux composites, lesquels ont été fabriqués avec un panneau aggloméré à base de bois (panneau contreplaqué, panneau de lamelles orientées, panneau de fibres de haute densité et panneau de fibres de moyenne densité) et deux tôles d’alliage d’aluminium de 0,6 mm (AL1) ou de 0,3 mm (AL2) d’épaisseur.
Les tôles d’alliage d’aluminium ont été collées avec de l’époxy sur les surfaces du panneau aggloméré à base de bois. Les paramètres de pressage utilisés pour les matériaux composites à structure sandwich ont été les mêmes que pour les panneaux contreplaqués de peuplier faux-tremble renforcé (tableau 3.2).
La figure 3.5 présente les résultats des essais de flexion des matériaux composites. Les résultats montrent l’augmentation de façon considérable du module d’élasticité dans le cas de tous les matériaux composites renforcés avec l’alliage d’aluminium. Dans le cas du panneau de fibres de haute densité, la valeur du module d’élasticité a augmenté cinq fois avec une surface d’aluminium de 0,6 mm d’épaisseur et 3,6 fois avec une surface d’aluminium de 0,3 mm d’épaisseur.
La valeur du module d’élasticité du panneau contreplaqué de peuplier faux-tremble de cinq plis collés à deux toiles d’alliage d’aluminium (PCL) a aussi considérablement augmenté. La valeur du module d’élasticité pour ce panneau a augmenté 2,6 fois avec une surface d’aluminium de 0,6 mm et 2,1 fois avec une surface d’aluminium de 0,3 mm d’épaisseur. Il faut indiquer que les résultats des valeurs du module de rupture des panneaux agglomérés commerciaux présentent la même tendance (figure 3.6).

Table des matières

Introduction
Contexte et Problématique
Chapitre 1 Revue de Littérature
Les matériaux composites
1.1. Les matériaux composites à base de bois (composites à matrice organique)
1.1.1. Classification des matériaux composites à base de bois
1.2. Les matériaux composites à structure sandwich
1.2.1. Caractéristiques d’un matériau composite à structure sandwich
1.2.2. Composant d’un matériau composite à structure sandwich
1.2.2.1. Les peaux
1.2.2.2. Le noyau ou âme
1.2.2.3. L’adhésif
1.2.3. Considérations mécaniques des matériaux composites à structure sandwich
1.2.3.1. Rigidité à la flexion d’un matériau composite à structure sandwich
1.2.4. Endommagement du matériau composite à structure sandwich
1.2.5. Fabrication des matériaux composites à structure sandwich
1.2.6. Application des matériaux composites à structure sandwich
1.3. Amélioration des propriétés physiques et mécaniques des matériaux composites
1.3.1. Amélioration des propriétés physiques et mécaniques des matériaux composites à base de bois
1.3.2. Amélioration des propriétés physiques et mécaniques des matériaux composites à base de bois à travers une structure sandwich
1.4. Performance environnementale des matériaux composites
1.4.1. L’analyse du cycle de vie
1.4.1.1. Phases de l’analyse du cycle de vie
1.4.2. Détermination des impacts environnementaux des matériaux composites à base de bois
1.4.3. Détermination des impacts environnementaux des matériaux composites à structure sandwich
1.4.4. Détermination des impacts environnementaux de l’aluminium
1.5. Les applications potentielles des matériaux composites à structure sandwich développés
1.5.1. La recherche qualitative
1.5.1.1. Caractéristiques de la recherche qualitative
1.5.2. La théorie ancrée (Grounded theory)
Chapitre 2 Objectifs
Chapitre 3 Rétrospective méthodologique
3.1. Essais préliminaires
3.1.1. Discussion des résultats des essais préliminaires
3.2. Caractérisation des matériaux composites à structure sandwich
3.2.1. Matériaux pour la fabrication des matériaux composites à structure sandwich
3.2.2. Processus de fabrication des matériaux composites à structure sandwich
3.2.3. Essais physico-mécaniques des panneaux agglomérés à base de bois.
3.2.4. Essais physico-mécaniques des matériaux composites à structure sandwich
3.2.5. Le dispositif expérimental
3.3. Détermination de la performance environnementale des matériaux composites à structure sandwich.
3.4. Détermination des applications potentielles des matériaux composites à structure sandwich
3.4.1. Population à l’étude et échantillon
3.4.2. Échantillonnage théorique
3.4.3. Critères d’inclusion des participants
3.4.4. Recrutements des participants
3.4.5. Le mode de collecte des données
3.4.6. L’instrument de collecte des données
3.4.7. Analyse des données
Chapitre 4 Aluminum-laminated Panels: Physical and Mechanical Properties
4.1. Résumé
4.2. Abstract
4.3. Introduction
4.4. Objective
4.5. Experimental
4.5.1. Materials
4.5.2. Methods
4.6. Results and Discussion
4.6.1. Physical Properties
4.6.2. Mechanical Properties
4.6.3. Cost Assessment of Aluminum-laminated Panels
4.7. Conclusions
Chapitre 5 Life cycle assessment contribution in the product development process: Case study of wood aluminum-laminated panel
5.1. Résumé
5.2 Abstract
5.3. Introduction
5.4. Methodology: life cycle assessment (LCA)
5.5. Goal and scope of the study
5.5.1.1. Functional unit (FU)
5.5.1.2. Definition of system boundary from cradle-to-gate
5.5.1.3. Description of the studied panels
5.5.1.4. Description of manufacturing process of the wood aluminum-laminated panel
5.5.1.5. Description of manufacturing process of the Aluminum Honeycomb panel
5.5.1.6. Assumptions and limitation
5.6. Life cycle inventory
5.7. Life cycle impact assessment method (LCIA)
5.8. Results and discussion
5.8.1. Analysis of manufacturing processes of wood-based composite and of aluminum honeycomb panels without lamination.
5.8.2. Analysis of manufacturing process of WAL panels and AHP
5.8.3. Sensitivity analysis
5.9. Conclusion
Chapitre 6 Potential applications of wood aluminum-laminated panels: Using a grounded theory approach
6.1. Résumé
6.2. Abstract
6.3. Introduction
6.4. Background
6.5. Methodology
6.5.1. Interviewees
6.5.2. Conducting interviews
6.5.3. Data analysis
6.6. Results and discussion
6.7. Conclusions
Conclusion générale
Bibliographie
Annexes

Télécharger le rapport complet