Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Au cours des dernières décennies, les recherches scientifiques se sont focalisées sur l’étude des composites à fibres naturelles. Les travaux portés sur ce type de matériaux ont connu une croissance fulgurante vu les avantages présentés par ces composites vis-à-vis ceux à fibres synthétiques. Parmi ces avantages, il est possible de souligner leurs bas prix et leurs caractères moins nocifs envers l’environnement. Toutefois, les travaux scientifiques portant sur la durabilité (fatigue, fluage, vieillissement. . . ) des composites à fibres naturelles restent relativement limités. Par conséquent, cette limite peut freiner l’exploitation de ces composites dans le domaine industriel en sachant que certaines pièces mécaniques sont soumises à des chargements cycliques et/ou un vieillissement hygrothermique (humidité + séchage) durant leurs fonctionnements. Dans ce contexte, ce projet de doctorat vise à étudier la durabilité en termes de fatigue et de vieillissement hygrothermique d’un nouveau composite à fibres naturelles constitué d’une matrice de polyéthylène à haute densité et des renforts sous forme de fibres courtes de bouleau. Ce projet commence, tout d’abord, par étudier le comportement en fatigue, sous chargement de flexion, du nouveau composite ainsi que l’effet du vieillissement hygrothermique sur ce comportement. Ensuite, ce travail se penchera sur la modélisation de la cinétique de diffusion d’humidité au sein du composite étudié. Ceci va permettre de définir la prise de masse en humidité dans le matériau tout en prenant en compte la diffusion non-fickienne. Enfin, un modèle d’endommagement sera proposé pour traduire la baisse de la contrainte maximale de flexion durant un essai de fatigue. Ainsi, le projet de doctorat présentera une étude complète sur la durabilité en termes de fatigue et de vieillissement hygrothermique du polyéthylène haute densité renforcé avec des fibres de bouleau courtes. Grâce à cette étude, ce composite pourra être utilisé dans la fabrication des pièces mécaniques destinées à un fonctionnement en présence des chargements cycliques de flexion et de l’humidité. Parmi ces pièces mécaniques, il est possible de citer les engrenages. Les résultats du projet de doctorat sont issus de deux parties : expérimentale et numérique. La partie expérimentale a montré que le niveau de déformation correspondant au HCFS (high Cycle Fatigue Strength) du Polyéthylène renforcé avec 40%wt de fibres courtes de bouleau est égal à 0,91%. De plus, cette partie a démontré que le vieillissement hygrothermique engendre une baisse du HCFS du matériau étudié. La cause directe de cette baisse a été investiguée et il a été prouvé que l’apparition de nouveaux mécanismes d’endommagement, après vieillissement hygrothermique, représente cette cause directe. La partie numérique du projet de doctorat a permis d’adopter un modèle de diffusion non-fickienne permettant de définir la prise de masse en humidité au sein du composite étudié. Ce modèle a donné des courbes qui suivent fidèlement celles issues des campagnes expérimentales d’immersion dans l’eau distillée. De plus, la partie numérique a servi de proposer un modèle d’endommagement qui permet de traduire l’évolution de la contrainte de flexion maximale (contrainte résiduelle) en fonction du nombre de cycles. Afin de réduire le temps de calcul et garantir une bonne qualité des résultats, la méthode de Cycle Jump a été utilisée. La comparaison entre les résultats numériques et ceux provenant des essais expérimentaux de fatigue a permis de valider le modèle d’endommagement adopté tout en identifiant certaines limites.

During the last decades, the scientific researches have been focused on the study of the natural-fiber-reinforced composites. The works made on this type of materials have increased because of their several advantages compared to the synthetic-fiber-reinforced composites. Among these advantages, it is possible to highlight their low costs and their friendly environment characters. However, the scientific works concerning the durability (fatigue, creep, aging. . . ) of natural-fiber-reinforced composites are relatively limited. Therefore, this limit can slow down the exploitation of these composites in the industrial field knowing that certain mechanical parts can be under cyclic loading and/or hygrothermal aging (moisture + drying) during their performances. In this context, the PhD project aims to study the durability, in term of fatigue and hygrothermal aging, of a new natural-fiber-reinforced composite made from a high density polyethylene, as a matrix, and short birch fibers, as reinforcements. This project begins, at the first, by studying the fatigue behavior, under bending loading, of the new composite and the effect of hygrothermal aging on this behavior. Then, this work will focus on the modelling of the moisture diffusion kinetic inside the studied composite. This model will allow defining the water uptake of the material taking into account the non-fickian diffusion. Finally, a damage model will be proposed to describe the maximum bending stress decrease during a fatigue test. Thus, the PhD project will present a full study on the durability, in term of fatigue and hygrothermal aging, of the short-birch-fiber-reinforced high-density polyethylene. Thanks to this study, this composite can be used in the manufacturing of mechanical parts for performances with cyclic bending loading and moisture. Among these parts, it is possible to mention the gears. Results found in the PhD project come from experimental and numerical parts. The first part has shown that the strain level corresponding to the high Cycle Fatigue Strength (HCFS) of the high-density polyethylene/40% of short birch fibers is equal to 0.91%. Moreover, this part has presented that the hygrothermal aging causes the decrease of the HCFS of the studied material. The direct cause of this drop has been investigated and it was proved that the creation of new damage mechanisms, after hygrothermal aging, represents this direct cause. The numerical part of the project has allowed adopting a non-fickian diffusion model to define the water uptake inside the studied composite. Curves found with this model have a well fitting with those from the experimental campaigns of immersion in distilled water. Furthermore, the numerical part has presented a damage model defining the evolution of the maximum bending stress (residual strength) according to the number of cycles. To reduce the calculation time and to guarantee the good quality of the results, the Cycle Jump method has been used. The comparison made between the numerical results and those from the experimental fatigue tests has allowed to validate the damage model and to identify certain limits.