Mécanismes d’endommagement observés dans les composites stratifiés

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Propriétés hygrométriques

Les fibres de lin absorbent facilement l’eau et sont connues pour être très hydrophiles. Elles sont composées d’ailleurs d’une proportion non négligeable d’eau (8 à 10 %). Les composants de la fibre tels que les hémicelluloses, la lignine et les pectines ont un fort impact sur le comportement hygrométrique des fibres. Les hémicelluloses sont connues pour être très hydrophiles. Ainsi, la composition de la fibre, notamment la quantité d’hémicellulose, influence beaucoup la quantité d’eau absorbée, en plus de la structure microporeuse des fibres qui conditionne également l’absorption d’eau.
Le taux d’humidité des fibres végétales est un paramètre crucial. En effet la présence d’eau dans les fibres est susceptible de perturber les procédés de mise en œuvre avec la matrice en provoquant des variations volumiques et d’affecter la qualité de l’interface fibre/matrice ce qui accélère le vieillissement et la dégradation des composites.
 Propriétés thermiques
A l’opposé des fibres de verre qui ont la capacité de résister facilement aux températures d’élaboration des composites thermoplastiques, les fibres végétales y sont beaucoup plus sensibles. Des analyses thermogravimétriques (ATG) effectuées sur des fibres de lin à une vitesse de chauffage estimée à 10°C/min montrent que ces fibres commencent à se dégrader et à perdre leur masse à partir de 250 à 300°C [24]. La décomposition de la cellulose commence initialement dans les zones amorphes et interviendrait à partir de 300 à 350°C (comme pour la lignine), alors que la dégradation des hémicelluloses se déroulerait à des températures estimées à 250°C. Cependant, ces températures de dégradation sont mal cernées et varient beaucoup selon les conditions expérimentales ainsi que les auteurs. On note que la décomposition du lin n’est pas liée à sa variété mais liée principalement à la vitesse de la rampe en température et à l’atmosphère sous laquelle est réalisée l’analyse thermogravimétrique [24]. Le paramètre temps est primordial car l’apparition de la décomposition chimique est liée à un effet temps-température. Une chute de la contrainte à rupture en traction de fibres unitaires de lin a déjà été notée dans le cas d’une exposition des fibres à 160°C pendant plus de 30 minutes. Pour des températures supérieures à 220°C, la détérioration en contrainte commence en revanche dès 5 minutes d’exposition [24]. Comportement mécanique des composites renforcés par des fibres de lin Les renforts en fibres de lin utilisés généralement dans les matériaux composites se présentent suivant trois formes : en fibres courtes avec une longueur de l’ordre de quelques millimètres, en fibres longues unidirectionnelles, ou bien sous la forme de tissus. De nombreuses études se sont intéressées à l’élaboration de composites renforcés par des fibres de lin imprégnées dans des matrices thermodurcissables [29][30], thermoplastiques [31][32] et aussi biodégradables [31][33][34].

Comportement en traction

Plusieurs études ont porté sur la réponse en traction d’un composite renforcé par des fibres de lin. Ainsi, Assarar [35] a mis en évidence, pour le comportement d’un composite unidirectionnel chargé suivant la direction des fibres et dont la matrice est en époxy, que la courbe de traction présente un comportement non-linéaire (Figure 7). En fait, on peut distinguer deux parties linéaires sur la courbe de contrainte-déformation, une première partie qui est purement élastique et puis une deuxième qui représente 70 % de la courbe. Le raccordement de ces deux parties a lieu au niveau d’un point caractéristique nommé « genou » situé en général autour de 0,3% de déformation. C’est un comportement assez éloigné de celui des composites époxy renforcé par des fibres de verre qui est linéaire jusqu’à la rupture. On peut admettre que cette bilinéarité est caractéristique des composites renforcés par des fibres longues de lin et que ceci est sûrement lié aux observations faites sur la fibre seule.

Comportement en flexion

Plusieurs études se sont également focalisées sur le comportement en flexion des composites renforcés par des fibres de lin [36][37][38]. Di Bella et al. [38] décomposent le comportement de tissus de lin imprégnés d’une matrice époxy en trois parties. Une première qui est linéaire élastique, puis une phase non-linéaire, due selon les auteurs, au réarrangement des microfibrilles et puis une dernière partie sous la forme d’un plateau au cours duquel la contrainte est quasiment stable jusqu’à la rupture (Figure 8). Les modules et contraintes maximaux en flexion sont respectivement entre 2 à 7 GPa et 35 à 80 MPa [82], et dépendent assez fortement des procédés de fabrication, des taux de fibres, de leur forme et réarrangement.

Cisaillement et liaison fibre/matrice

La rupture par cisaillement et la décohésion fibre/matrice résultent du même mode d’endommagement. Dans une étude portant sur la relation entre les propriétés mécaniques et les paramètres de fabrication et d’essai, Gning et al. [39] ont analysé le comportement en cisaillement plan des composites lin/époxy par des essais de traction sur des stratifiés avec un empilement [±45]. La non-linéarité du comportement est observée quelle que soit la température à laquelle les essais sont réalisés (Figure 8). Il apparaît par ailleurs, que lorsque les températures d’essais sont inférieures à celle de la transition vitreuse de la résine, les propriétés de cisaillement sont meilleures.

Table des matières

Introduction générale.
Chapitre 1. Bibliographie et état d’art
1. Matériaux
1.1. Constituants
1.2. Orientation et disposition
2. Composites à renforts de fibres naturelles.
2.1. Fibres végétales : provenance et classification
2.2. Fibres de lin : parcours et caractéristiques.
2.2.1. Origine et procédé d’obtention.
2.2.2. Structure et composition
2.2.3. Comportement et propriétés des fibres de lin
2.3. Comportement mécanique des composites renforcés par des fibres de lin
2.3.1. Comportement en traction
2.3.2. Comportement en flexion
2.3.3. Cisaillement et liaison fibre/matrice
2.4. Traitements chimiques et amélioration des propriétés des fibres de lin
3. Effet de l’hybridation
4. Mécanismes d’endommagement observés dans les composites stratifiés.
4.1. Fissuration matricielle
4.2. Décohésion fibre-matrice.
4.3. Rupture des fibres
4.4. Délaminage
5. Théorie de la sorption d’humidité par les fibres végétales et leurs composites
5.1. Mécanisme physique de sorption de l’eau par les fibres végétales.
5.2. Cinétique et mécanisme d’absorption d’eau par les composites.
5.2.1. Modèle de diffusion de Fick.
5.2.2. Effets des paramètres environnementaux et structuraux du composite
6. Emission acoustique
6.1. Définition
6.2. Les caractéristiques de l’émission acoustique.
6.3. Paramètres caractéristiques des signaux d’émission acoustique.
6.4. Transducteurs utilisés pour l’émission acoustique
6.5. Identification de la signature acoustique des différents modes d’endommagement
6.5.1. Analyse monoparamétrique.
6.5.2. Analyse multiparamétrique.
Chapitre2. Matériaux et techniques expérimentales
1. Matériaux et procédé de fabrication
1.1. La matrice
1.2. Les tissus de renfort.
1.3. Procédés d’élaboration
2. Mesure des fractions des différents constituants.
3. Essai de sorption
4. Essai de traction
4.1. Préparation des échantillons
4.2. Banc d’essai
5. Essai de flambement
6. Microscopie électronique
7. Emission acoustique
Chapitre 3. Comportement des composites stratifiés à renfort du lin sous traction
1. Analyse de la microstructure
2. Comportement mécanique des composites stratifiés.
2.1. Développement théorique des propriétés mécaniques
2.2. Résultats expérimentaux des essais de traction.
2.2.1. Résultats des essais de traction sur des éprouvettes 100% matrice
2.2.2. Résultats des essais de traction sur les fils élémentaires
2.2.3. Résultats sur les éprouvettes stratifiées à 0°
2.2.4. Résultats sur les éprouvettes stratifiés à 90°.
2.2.5. Analyse de la différence entre valeurs théorique et expérimentale.
2.2.6. Résultats sur les éprouvettes stratifiés à 45°.
3. Diagnostic des éprouvettes en rupture
3.1. Analyse macroscopique de la rupture
3.2. Analyses microscopiques de la rupture
4. Analyse de l’endommagement par émission acoustique.
4.1. Méthodologie de classification et d’analyse
4.2. Résultats de la classification
4.2.1. Analyse des composites orientés à 0°.
4.2.2. Analyse des composites orientés à 90°
4.2.3. Analyse des composites orientés à 45°
4.2.4. Comparaison et analyse des 3 configurations
4.3. Synthèse et proposition d’attribution aux mécanismes d’endommagement
5. Conclusion
Chapitre 4. Comportement des composites stratifiés à renfort du lin sous flambement
1. Etude analytique du phénomène de flambement.
1.1. Présentation du problème
1.2. Analyse d’Euler.
2. Analyse des résultats expérimentaux
2.1. Cas des éprouvettes à 0°
2.2. Cas des éprouvettes à 90°.
2.3. Cas des éprouvettes à 45°.
3. Calcul théorique de la charge critique et comparaison avec les résultats expérimentaux.
4. Diagnostic des éprouvettes endommagées sous flambement.
4.1. Analyse macroscopique de la rupture.
4.2. Analyse microscopique de la rupture
5. Résultats de la classification pour les essais de flambement
5.1. Analyse des éprouvettes à 0° sollicitées sous flambement.
5.2. Analyse des éprouvettes à 90° sollicitées sous flambement
5.3. Analyse des éprouvettes à 45° sollicitées sous flambement
5.4. Comparaison et analyse des 3 configurations
6. Synthèse et proposition d’attribution aux mécanismes d’endommagement
7. Conclusion.
Chapitre 5. Comportement hydrique et mécanique des composites hybrides
1. Analyse des microstructures
2. Absorption d’eau
2.1. Conditions de vieillissement retenues
2.2. Identification du comportement Fickien de la reprise d’eau
2.3. Détermination des coefficients de transport d’eau dans le matériau.
2.4. Analyse des résultats de sorption.
3. Caractérisation mécanique des composites hybrides sous traction
3.1. Résultats expérimentaux des essais de tractions.
3.2. Analyse des résultats obtenus.
4. Conclusion.
Conclusion générale