Définition d’un matériau composite
Un matériau composite est défini comme un système composé de deux ou plusieurs constituants, dont les propriétés et les performances de la structure résultante sont supérieures à ceux des matériaux constitutifs pris de façon indépendante [l, 7]. Habituellement, l’une des deux phases est discontinue, plus rigide et plus résistante, connue sous le nom de « renfort », tandis que l’autre phase est continue, moins rigide et appelée « matrice » [7]. Celle-ci sert à transmettre les efforts entre les fibres (de fibre en fibre) afin de répartir les charges externes à l’ensemble des fibres constituant la pièce composite. Dans certains cas, il peut y avoir une phase supplémentaire, résultant de l’utilisation de produits chimiques, souvent utilisée pour améliorer la performance des deux phases principales ou comme agent de liaison entre les phases principales.
Les propriétés d’un composite dépendent des propriétés de ses constituants, la géométrie et la répartition des phases. Un des paramètres les plus importants est donc la fraction massique ou volumique des phases [8, 9]. La distribution des fibres du renfort a aussi un impact important sur les caractéristiques d’un composite. Un renfort moins homogène voit sa probabilité de défaillance augmenter dans ses parties les plus faibles, tandis que la géométrie et l’orientation du renfort a un impact sur l’isotropie du système [9]. Le choix des phases constitutives d’un composite dépend de leurs propriétés, de la possibilité de les assembler efficacement en un seul matériau, de leur coût et de l’ application du composite lui-même.
Dans le cas des composites à faible ou à moyenne performance, le renfort est généralement fabriqué à partir de fibres courtes ou de particules qui renforcent la matrice localement. Pour les composites à hautes performances, les renforts sont généralement fabriqués à partir de fibres longues et continues, aux propriétés élevées et où la charge est supportée principalement par les fibres, la matrice jouant essentiellement le rôle de support [7, 10]. Malgré les propriétés mécaniques élevées des fibres, la matrice est essentielle pour supporter et maintenir les fibres entre elles et ainsi assurer que la forme requise est donnée à la pièce finale [7]. Les matrices polymériques peuvent être de type thermodurcissable ou thermoplastique.
Les résines thermodurcissables sont initialement sous forme liquide et caractérisées par une réaction chimique irréversible après l’ajout d’un catalyseur. Après polymérisation, une seule macromolécule tridimensionnelle aux liens chimiques forts (covalents) est obtenue à l’échelle de la pièce. Un thermodurcissable ne peut donc pas être fondu de nouveau pour retourner à l’état liquide. À l’inverse, les résines thermoplastiques sont initialement à l’état solide, caractérisées par l’enchevêtrement de chaines polymériques plus ou moins longues, et peuvent être liquéfiées en augmentant la température au-delà du point de fusion. Une fois refroidies, elles récupèrent leurs état solide initial (et leurs propriétés) et, par conséquent, offrent l’avantage de pouvoir être refondues et remoulées même après polymérisation [11].
Matériaux composites à fibres végétales
L’industrie en général cherche évidemment à réduire sa dépendance aux combustibles et aux produits à base de pétrole. Dans le monde des composites des essais ont été réalisés pour utiliser des fibres végétales en remplacement du verre, principalement dans des applications non structurelles [19, 20]. De nombreuses composantes automobiles, fabriquées auparavant avec des fibres de verre, utilisent actuellement des renforts à fibres végétales [20, 21]. Celles-ci deviennent de plus en plus attrayantes pour l’industrie de la construction qui cherche continuellement à minimiser le poids et le prix des infrastructures [22, 23]. Dans le domaine du sport et loisirs, ce type de fibre se positionne remarquablement bien comme remplaçant potentiel de la fibre de verre pour la fabrication d’outils, de coques de bateaux, de kayaks, de cadres de bicyclettes et de raquettes de tennis [24]. Par conséquent, le potentiel d’utilisation des fibres végétales pour des composantes de moyenne et grande taille positionne celles-ci comme une alternative intéressante aux fibres synthétiques [18].
Actuellement, les fibres végétales sont utilisées avec les matrices thermoplastique ou thermodurcissable. Elles sont généralement utilisées sous forme de fibres courtes transformées en mats, principalement pour des pièces moulées par compression, ainsi que sous forme de granules pour des pièces obtenues par injection et extrusion.
Les composites à fibres végétales courtes orientées ou non sont généralement caractérisés par des propriétés mécaniques faibles et limitées, dominées par les propriétés de la matrice plutôt que celles des fibres [25-29]. Pour des applications supportant des charges importantes, l’ utilisation de renforts sous forme de fibres continues et alignées devient nécessaire afin d’exploiter les propriétés des fibres de façon optimale. Ainsi et comme pour les fibres synthétiques, les fibres végétales sont généralement transformées en fils ou mèches et utilisées pour fabriquer des tissus dont l’orientation des fils est bien contrôlée [30, 31].
Le coût du renfort dépend alors de la fibre utilisée, de son poids par mètre carré, et de la répartition des fibres dans le plan: fibres courtes, fibres longues, mats, tissus, unidirectionnelle ou multiaxiale. Le Tableau 1.2 compare les fibres végétales et synthétiques en termes économiques, techniques et écologiques. On peut constater que les fibres végétales sont les moins chères et possèdent tout de même de bonnes propriétés mécaniques. Le coût des fibres de carbone dépend fortement de leur module d’élasticité: plus le module d’élasticité est élevé, plus le coût est élevé. En doublant le module d’élasticité des fibres, le coût peut également être trois à quatre fois plus élevé [1].
La fibre végétale
La fibre végétale est l’une des variétés de fibres naturelles obtenues à partir des tiges, feuilles, racines, fruits et graines de plantes. D’un point de vue technologique et commercial le coton, le kenaf, le sisal, le lin, le palmier et le coco occupent une place importante [33]. Des considérations de coût et de respect de l’environnement font de ces fibres une alternative attrayante pour les applications composites [34] . L’ utilisation des fibres végétales dans des applications commerciales a augmenté considérablement au cours des 15 dernières années, principalement pour remplacer les fibres de bois dans des applications non structurelles [35]. Une des difficultés empêchant une utilisation plus étendue des fibres végétales dans les composites est liée à leurs faibles propriétés mécaniques, à une forte variabilité de celles-ci, ainsi qu’à leur faible adhésion à la plupart des matrices polymériques. Les fibres naturelles étant hydrophiles, elles adhèrent peu à une matrice plutôt hydrophobe, ce qui provoque une perte des propriétés [4, 27].
En effet, les propriétés mécaniques d’un composite dépendent non seulement des propriétés de ses constituants, mais également des propriétés de l’ interface fibre-matrice, lesquelles jouent un rôle très important dans le transfert de contrainte de la matrice à la fibre [36-39]. Les fibres végétales sont caractérisées par une faible densité (~ 1.30 à 1.55 gcm-3) comparativement aux fibres de verre (2 .60 gcm-3) , ce qui permet une réduction du poids du composite de 30 à 40% [40]. Les fibres végétales se distinguent donc des fibres synthétiques en termes de rigidité et de résistance spécifique. Ceci est mis en valeur par Ashby [41] (Figure 1.3) qui présente les modules et résistances spécifiques en traction de différentes fibres naturelles et synthétiques. Des fibres végétales comme le lin, le » chanvre et le jute possèdent un module spécifique plus élevé que les fibres de verre avec une résistance spécifique similaire au verre, bien que celle-ci demeure inférieure à celle des fibres d’aramide et de carbone.
En fait et selon le Tableau 1.3, les fibres de lin possèdent un module et une déformation à la rupture comparables (parfois même supérieures) à celles des fibres de verre. En particulier, la résistance à la traction des fibres de lin, bien que supérieure aux autres fibres végétales, reste largement inférieure à celle du verre, d’où l’importance de considérer les propriétés intrinsèques dans le choix des matériaux.
Les propriétés mécaniques des fibres végétales sont fondamentalement influencées par leurs propriétés chimiques et physiques. Chaque fibre est une cellule unique avec une paroi épaisse entourant une cavité. luminale centrale. La forme et les dimensions de la section transversale des cellules sont très variables [42]. Généralement, les fibres végétales élémentaires se présentent en forme de faisceaux, où les parois cellulaires des deux cellules adjacentes sont consolidées ensemble par une couche de pectine. Comme le montre la Figure 1.4, la fibre élémentaire est composée d’une paroi primaire (P) mince et d’une paroi secondaire (S) épaisse, elle-même composée de trois sous-couches (SI , S2, S3) [42-44]. La paroi cellulaire primaire représente moins de 2% de l’épaisseur totale de la paroi de la fibre, tandis que la paroi cellulaire secondaire représente un maximum de 90%. La paroi cellulaire S2 est la sous-couche principale qui représente plus de 80% de l’épaisseur totale. La cavité luminale centrale représente plus que 25% de la surface de la section transversale de la fibre [45].
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Table des matières
Remerciements
Résumé
Abstract
Table des matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des abréviations
Chapitre 1: Introduction
1.1 Généralités sur les matériaux composites
1.1.1 Marché mondial
1.1.2 Définition d’un matériau composite
1.1.3 Matériaux composites à fibres synthétiques
1.1.3.1 Les fibres de verre
1.1 .3.2 Architecture des renforts
1.1.3.3 Inconvénients des fibres synthétiques
1.1.4 Matériaux composites à fibres végétales
1.1.4.1 La fibre végétale
1.1.4.2 Propriétés mécaniques des composites à fibres végétales
1.1.4.3 La fibre de lin: origine et propriétés
1.1.4.4 Composites à fibres de lin
1.1.4.5 Caractéristiques particulières des renforts unidirectionnels
1.2 Problématique et objectifs
1.2.1 Développement d’un nouveau renfort UD lin/papier
1.2.2 Capacité d’ imprégnation du nouveau renfort
1.2.3 Objectifs de ce travail
1.2.4 Contenu de la thèse
CHAPITRE II : Revue de la littérature scientifique
2.1 Procédés de mise en oeuvre des composites à fibres végétales
2.1.1 Pré-imprégnation
2.1.2 Moulage par transfert de résine, Resin Transfer Moulding (RTM)
2.1.3 Moulage par compression
2.2 Caractérisation des écoulements dans les milieux fibreux
2.2.1 Perméabilité d’un milieu fibreux
2.2.1.1 Écoulement rectiligne unidirectionnel (lD)
2.2.1.2 Écoulement radial (2D)
2.2.1.3 Paramètres qui influencent la perméabilité d’un renfort à fibres unidirectionnelles
2.2.2 Écoulements capillaires dans les renforts fibreux
2.2.2.1 Pression capillaire
2.2.2.2 Mécanismes de formation de vide
2.2.3 Modèles d’ imbibition
2.2.3.1 Loi de Jurin
2.2.3.2 Loi de Jurin modifiée
2.2.3.3 Modèles d’imbibition de Lucas-Washburn
2.2.3.4 Premier modèle d’imbibition
2.2.3.5 Deuxième modèle d’imbibition
2.2.3.6 Troisième modèle d’imbibition
2.2.3.6 Quatrième modèle d’imbibition
2.3 Propriétés mécaniques en traction des composites à fibres végétales
2.3.1 Propriétés mécaniques d’un composites
2.3.2 Modèles micromécaniques pour les composites à fibres courtes
2.3.2.1 Modèle de Cox-Krenchel et de Kelly-Tyson
2.3 .2.2 Modèle d’Halpin-Tsai et Tsai-Pagano
CHAPITRE III : Étude de la perméabilité d’un renfort à fibres un lin /papier
3.1 Introduction
3.2 Matériaux et méthodes
3.2.1 Fabrication de la couche de papier lin-Kraft
3.2.2 Préparation du renfort pour les essais de perméabilité
3.2.3 Détermination expérimentale de la perméabilité
3.2.3.1 Contexte théorique
3.2.3.2 Mesure de la perméabilité du renfort
3.3 Résultats et discussions
3.3.1 Effet de l’ajout des fibres courtes de lin sur la structure du papier
3.3.2 Effet de l’ ajout des fibres courtes de lin sur l’épaisseur du papier
3.3.3 Perméabilité de la couche papier
3.3.4 Effet de l’ ajout des fibres courtes de lin sur la perméabilité globale du renfort
3.3.5 Modélisation de la perméabilité du renfort
3.3.6 Effet de l’orientation de la couche papier sur la perméabilité planaire des renforts
3.4 Conclusions
CHAPITRE IV : Étude, fabrication et caractérisation expérimentale de mats à fibres courtes de lin
4.1 Introduction
4.2 Matériaux et méthodes
4.2.1 Fabrication des mats à fibres courtes de lin
4.2.3 Analyse de la porosité par microscopie
4.2.4 Détermination expérimentale de la perméabilité
4.2.5 Caractérisation expérimentale des écoulements capillaires dans les renforts
4.2.6 Caractérisation expérimentale des propriétés mécaniques
4.2.7 Caractérisation expérimentale de l’endommagement
4.3 Résultats et discussions
4.3.1 Étude de la porosité
4.3.1.1 Étude de la porosité par la méthode d’expulsion de liquide
4.3.1.2 Étude de la porosité par microscopie
4.3.2 Étude de la perméabilité
4.3.3 Étude des écoulements capillaires dans les renforts
4.3.4 Propriétés physiques et mécaniques
4.3.4.1 Propriétés physiques des composites fabriqués
4.3.4.2 Propriétés mécaniques des composites fabriqués
4.3.4.3 Modélisation micromécanique du comportement en traction
4.3.5 Analyse de l’endommagement des composites par émission acoustique
4.3.5.1 Analyse générale de l’endommagement des composites étudiés
4.3.5 .1.a) En Traction
4.3 .5.1.b) En Flexion
4.3.5.2 Identification des modes d’endommagements
4.3.5.3 Identification des modes d’endommagement par l’analyse des facettes de rupture
4.3.5.4 Contribution des différents modes d’endommagement
4.4 Conclusions
Chapitre V : Fabrication et caractérisation expérimentale des renforts et composites UD lin/mat lin
5.1 Introduction
5.2 Matériaux et méthodes
5.3 Résultats et discussions
5.3.1 Étude de la perméabilité
5.3.2 Propriétés physiques et mécaniques
5.3.2.1 Propriétés physiques des composites fabriqués
5.3.2.2 Propriétés mécaniques des composites
5.3 .2.2.a) En traction
5.3.2.2.b) En flexion
5.3 .3 Analyse de l’endommagement par émission acoustique
5.3.3.1 Analyse générale de l’endommagement des composites en traction
5.3.3.2 Analyse générale de l’endommagement des composites en flexion
5.3.3.3 Identification des modes d’endommagement en traction
5.3.3.4 Identification des modes d’endommagement en flexion
5.3.3.5 Identification visuelle des divers modes d’endommagement des composites étudiés en traction
5.3.3.5.a) Analyse des surfaces de rupture
5.3.3.5.b) Analyse des surfaces de rupture par image MEB
5.3.3.6 Contribution des différents modes d’endommagement
5.4 Conclusions
Chapitre VI : Conclusions
6.1 Résumé des résultats importants
6.1.1 Renfort un lin/papier
6.1.2 Renfort mat en fibres courtes de lin
6.1.3 Renfort UD lin/mat lin
6.2 Comparaison des propriétés obtenues
6.2.1 Composites mat/époxy
6.2.2 Composites UD/époxy et UD/mat lin/époxy
6.2 Travaux futurs
Références
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