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Développement et caractérisation de nouveaux composites hybrides UD lin/papier et UD lin/mat lin

Habibi Mohamed. (2016). Développement et caractérisation de nouveaux composites hybrides UD lin/papier et UD lin/mat lin. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

L'industrie en général cherche évidemment à réduire la dépendance aux combustibles et aux produits à base de pétrole. Dans le domaine des matériaux, l'accent est mis sur le développement des composites à fibres naturelles, comme une alternative réaliste aux plastiques renforcés par des fibres de verre. Les fibres naturelles peuvent apporter des propriétés mécaniques comparables à celles que donneraient les fibres de verre, avec cependant des densités plus faibles et un caractère biodégradable. Plusieurs techniques de fabrication sont disponibles pour mettre en oeuvre les composites avec une grande variété de renforts et de résines, et le moulage par transfert de résine (RTM) est l’un des procédés le plus utilisé. Un renfort à fibres naturelles est considéré comme un milieu poreux, et dans le cas du procédé RTM sa perméabilité définit le temps et l'étendue de l'infiltration et, par conséquent, le coût et la qualité de la pièce finale. Un autre paramètre très important dans la fabrication des composites est la fraction volumique des fibres. Ce paramètre a une influence non seulement sur la perméabilité mais aussi et surtout sur les propriétés mécaniques du composite fabriqué. Néanmoins, la nature et l’architecture du renfort ont un impact significatif sur ses propriétés mécaniques. Dans le présent travail, la perméabilité planaire d’un renfort unidirectionnel (UD) de type UD-lin/papier a été étudiée. La perméabilité de la couche papier a fait l’objet d’une optimisation par la modification de la structure du réseau fibreux, afin d’augmenter la perméabilité globale du renfort. Les résultats obtenus ont démontré que l’ajout des fibres courtes de lin dans le papier affecte positivement sa perméabilité de la même manière qu'il affecte la perméabilité globale du renfort. Une alternative à la couche de papier a été proposée et consiste à la remplacer par un mat à fibres courtes de lin obtenu par la même technique de laboratoire de fabrication du papier. En premier lieu, le mat a été considéré comme un renfort individuel. Cette partie du travail a mené à l’étude des paramètres de fabrication et des caractéristiques du mat (densité surfacique, longueur de fibre) et leurs effets sur la microstructure du renfort et sa perméabilité. L'analyse expérimentale de la porosité des mats à fibres courtes de lin a démontré une relation fonctionnelle entre la densité surfacique, la longueur de fibre et la distribution de la taille des pores. Les mesures de perméabilité effectuées ont permis de conclure que sa variation suit une loi exponentielle en fonction de Vf. En outre, une augmentation de la densité surfacique augmente le nombre de fibres par unité de surface et réduit l'espace libre entre les fibres, ce qui donne un réseau fibreux plus dense avec un faible taux de porosité et qui diminue par conséquent la perméabilité du mat. L’étude a été renforcée par la caractérisation des écoulements capillaires dans le renfort pour identifier les effets de ces paramètres caractéristiques sur son comportement en imprégnation. Les résultats obtenus ont démontré qu’une augmentation de la densité surfacique du renfort influence significativement la vitesse d’écoulement du fluide et par conséquent augmente sa saturation, ce qui réduit le taux de vide formé. Par la suite, les mats fabriqués ont été utilisés pour fabriquer des composites à différentes fractions volumiques de fibres. Ceux-ci ont été caractérisés et les propriétés mécaniques en traction et en flexion ont été déterminées et modélisées, accompagnée d’une analyse de l’endommagement par émission acoustique qui a permis d’identifier l’évolution des différents modes d’endommagement en fonction de la fraction volumique de fibres. Les résultats obtenus ont démontré que les propriétés mécaniques optimales sont obtenues à un Vf = 40%. L’utilisation de l’émission acoustique a révélé que la baisse des propriétés à Vf = 50% est attribuable à une mauvaise adhérence fibre-matrice, elle-même traduite par une dominance du mode d’endommagement «friction fibre-matrice et déchaussement », pour les deux types d’essais (traction et flexion). Dans la dernière partie du travail et afin de déterminer l’efficacité d'un mat pour remplacer la couche de papier comme agent liant, le comportement en imprégnation du renfort global (UD/Mat) a été étudié en mesurant sa perméabilité planaire à différentes fractions volumiques de fibres. Des composites ont été fabriqués avec ce nouveau renfort et ont fait l’objet d’une étude expérimentale du comportement mécanique et de l’endommagement en traction et en flexion. Les résultats obtenus ont démontré que la perméabilité de ce renfort est supérieure à celle obtenue avec la couche papier mais elle diminue lorsque la densité surfacique du mat utilisé augmente. D'autre part, l'addition des fibres courtes de lin a un effet significatif sur la réduction de la variabilité des propriétés mécaniques mesurées et sur l’augmentation des propriétés mécaniques dans le sens transversal. La présence des fibres courtes a aussi démontré un effet positif sur l’endommagement du matériau en limitant la propagation des fissures dans le sens longitudinal et en améliorant les facettes de rupture.

Today, the industry aims to reduce its dependency on fuels and petroleum products. The emphasis is placed on the development of natural fiber composites as a realistic alternative to plastic reinforced with glass fibers. Natural fibers are biodegradable and can provide comparable mechanical properties to those given by glass fibers, with lower densities. Several manufacturing techniques are available to produce a wide variety of reinforcements and resins. RTM (resin transfer molding) is one of the most common one. In this process, the natural fiber reinforcement is considered as a porous medium, where the permeability defines the infiltration time and extent and, consequently, the cost and the quality of the final part. An important parameter in the manufacture of composites is the fiber volume fraction. This parameter affects not only the permeability of the reinforcement, but also the mechanical properties of the resulting composite. The type and the architecture of the reinforcement also have a significant impact on its mechanical properties. In this study, the permeability of a UD flax/paper reinforcement was investigated. The permeability of the paper layer has been optimized by modifying the fibrous network structure in order to optimize the global permeability of the reinforcement. The obtained results demonstrated that the addition of the short flax fibers in the paper layer affects positively its permeability in the same way that it affects the global permeability of the reinforcement. A short flax fiber mat has been proposed as an alternative to replace the paper layer. First, the mat was considered as an individual reinforcement. This part of the work led to the study of the effect of manufacturing and material parameters (surface density, fiber length) on the characteristic parameters of its microstructure and its permeability. The experimental analysis of the porosity demonstrated a functional relation between the surface density, the fiber length and the pores size distribution. The measured permeability is observed to follow an exponential trend, according to Vf. Moreover, an increase of the surface density increases the number of fibers by unit area and reduces the free space between fibers, which gives a denser fibrous network with a low rate of porosity and decreases consequently the permeability of the mat. The study was enhanced by a characterization of the capillary flows in the reinforcement in order to identify the effects of these parameters on its impregnation behavior. The obtained results demonstrated that an increase of the surface density of the reinforcement influences significantly the fluid flow velocity and consequently increases its saturation, which reduces the void content in the sample. Thereafter, the manufactured mats were used to fabricate composite plates with various fiber volume fractions. These composites were characterized and the mechanical properties in tensile and flexural loading were determined and modelled. The characterization of the mechanical behavior in tensile and flexural loading was accompanied with an analysis of the damage behavior monitored by acoustic emission, which allowed to identify the evolution of the different damage modes during loading as well as according to the fiber volume fraction. The obtained results demonstrated that the optimal mechanical properties are obtained at Vf = 40%. The use of acoustic emission revealed that the reduction of the mechanical properties at Vf = 50% is attributable to a limited adhesion between the fibers and the matrix, which translates to a dominance of the fiber-matrix friction and fiber pull out damage mode. To determine the efficiency of the mat layer as a replacement of the paper layer, the impregnation behavior of the global reinforcement (UD/Mat) was studied by measuring its permeability in various fiber volume fractions. New composites were fabricated with this new reinforcement and the mechanical and damage behaviors were studied. The obtained results demonstrated that the permeability of this reinforcement is superior to that obtained with the paper layer, but always decreases with increasing the surface density of the used mat. On the other hand, the addition of the short flax fibers was observed to have a significant effect on the reduction of the variability of the measured mechanical properties and on the increase of the mechanical properties in the transverse direction of the composite. The presence of short fibers has finally demonstrated a positive effect on the damage of the material by limiting the propagation of cracks in the longitudinal direction, parallel to the unidirectional fiber, and by improving the fractured surface.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Janvier 2016
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:177
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Laperrière, Luc
Lebrun, Gilbert
Mots-clés:fibres naturelles, matériaux composites, perméabilité, propriétés mécaniques, renfort hybride, UD lin/mat lin
Déposé le:26 janv. 2017 08:41
Dernière modification:07 févr. 2017 01:48
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