Durabilité des thermoplastiques/fibres de bois courtes

L’étude de durabilité des matériaux composites est présente, dans la littérature, sous forme d’essais de fluage, de vieillissement hygrothermique (ou par ultraviolet) et/ou de fatigue. L’étude bibliographique réalisée sur le polyéthylène (ou polypropylène)/fibres de bois courtes (Table 2.5) a permis de trouver des travaux concernant la durabilité en terme de fluage. Park et al. [57], Sain et al. [50] et Bledzki et al. [54] ont étudié le comportement en fluage du polyéthylène (ou polypropylène) /fibres de bois courtes. Bledzki et al. [54] et Park et al. [57] ont montré que le module de fluage ainsi que la résistance au fluage (sous chargement de flexion) du polypropylène renforcé avec des fibres de bois courtes augmentent avec la hausse du taux de fibres. Bledzki et al. [54] ont aussi démontré que ces propriétés diminuent en présence de fortes températures. Concernant Sain et al. [50], ils se sont intéressés à la comparaison, en terme des propriétés en fluage, entre le PE/fibres de bois courtes et le PP / fibres de bois courtes. Ils ont démontré que le composite ayant une matrice en polypropylène possède une résistance au fluage plus importante que celle trouvée avec le second matériau (PE/fibres de bois courtes).

En plus de la durabilité en terme de fluage , l’étude bibliographique réalisée a regroupé des travaux portant sur l’influence de l’humidité (ou vieillissement hygrothermique) sur les propriétés mécaniques, en quasi-statique et en impact, du polyéthylène (ou polypropylène) renforcé avec des fibres de bois courtes. Bledzki et al. [54] ont étudié l’effet de l’humidité sur le comportement à l’impact du polypropylène/fibres de bois courtes. Ils ont remarqué que la résistance à l’impact diminue avec l’élévation du taux d’humidité dans le matériau. D’autres études se sont consacrés à l’effet de l’humidité sur le comportement mécanique en traction et sur la dureté du polypropylène/fibres de bois courtes. M.D.R.Beg et al. [9] ont constaté que la présence d’humidité engendre une diminution de la dureté Vickers (RV), de la résistance à la traction et du module d’Young. 2.6.3 Limites de la littérature La section 2.6.2 témoigne, qu’à ce jour, le comportement en fatigue du polyéthylène (ou polypropylène) renforcé avec des fibres de bois courtes n ‘a été que très peu étudié. Pour y remédier, une seconde étude, plus large que celle présentée dans la section 2.6.2, a été réalisée sur le comportement en fatigue des composites contenant une matrice en polyéthylène ou en polypropylène et des renforts en fibres naturelles courtes. Le but de cette étude est de recenser les recherches portant sur ce type composite ainsi que renseigner quant-au comportements en fatigue des composites à fibres naturelles courtes.

Ceci contribuera à fournir une idée sur l’ordre de grandeur des propriétés en fatigue, sous chargement de flexion, du PERD /40%wt de fibres courtes de bouleau. La recherche bibliographique, définie précédemment, a permis de remarquer que les quelques travaux effectués sur la tenue en fatigue des composites en PE (ou PP) renforcé avec des fibres naturelles courtes sont limités [59-61] . Fotouh et al. [59,60] ont étudié le comportement en fatigue du PERD renforcé avec des fibres de chanvre courtes ainsi que l’effet de l’humidité sur ce comportement. Ils ont démontré que l’augmentation du taux de fibres engendre une augmentation de la durée de vie «N R» du matériaux étudié, appelé aussi le nombre de cycles à la rupture. De plus, ils ont déterminé que la présence d’humidité à l’intérieur des échantillons engendre une diminution de N R. lnacio et al. [61] se sont intéressés à la tenue en fatigue d’un composite recyclé. Ce matériau est composé d’une matrice de polypropylène, de l’éthylène-propylène-diène monomère (EPDM) et de talc recyclés, renforcée avec des fibres courtes de bambou. Ils ont montré que la hausse du taux d’agent de couplage «anhydride maléique greffé de polypropylène (MAH-g-PP)>> engendre l’augmentation de la durée de vie du matériau étudié. Cette augmentation est plus prononcée avec des taux de fibres plus élevés. Tous les travaux, présentés dans cette section, ont été réalisés sous chargement de traction répétitif. Par conséquent, en plus de l’absence des études sur la durabilité, en terme de fatigue, du polyéthylène (ou polypropylène) renforcé avec des fibres de bois courtes, cette étude bibliographique a montré un nombre très limité de recherches portant sur la fatigue des composites en PE (ou PP) jfibres naturelles courtes. De plus, au cours de cette étude, l’absence de travaux s’interessant à l’application d’un chargement cyclique de flexion sur les composites en question a été remarqué.

Mécanismes d’endommagement des composites à fibres courtes et techniques de détection

Les mécanismes d’endommagement des matériaux composites à fibres courtes se manifestent sous forme de rupture ou extraction des fibres , de décohésion fibres / matrices et/ou de fissuration de matrice parallèlement ou perpendiculairement aux fibres [21 ,22,67,70 ,71] (Figure 2.8). L’ordre d’apparition de ces mécanismes dépend de la nature du composite et du type de chargement appliqué. La littérature présente diverses techniques utilisées pour détecter ces mécanismes [72 , 73] . Ces techniques peuvent être classées selon deux méthodes : les méthodes de caractérisation directe permettant de détecter l’endommagement en l’observant directement et les méthodes de caractérisation indirecte [72]. Parmi les méthodes directes de détection d’endommagement, il est possible de citer la microscopie optique, la radiographie aux rayons X et la thermographie infrarouge qui permet d’observer les endommagements en temps réel durant les essais mécaniques [74]. La technique de radiographie utilise un opacifiant aux rayons X, placé sur les extrémités de l’échantillon étudié. Ces rayons se propagent par la suite dans le matériau et pénètrent dans les endommagements par capillarité. Pour la thermographie infrarouge, une source de chaleur transmet un flux thermique au matériau concerné.

En croisant un endommagement, considéré comme un milieu hétérogène, les ondes sont perturbées, et par conséquent, un gradient de température est généré. Suite à cela, la conductivité thermique et l’émissivité du milieu endommagé seront différentes par rapport au reste du matériau (matériau sain). Les méthodes indirectes, quant-àelles, peuvent être représentées par d’autres techniques comme l’émission acoustique et le contrôle ultrasonore [72]. L’émission acoustique détecte les mécanismes d’endommagement à l’aide des capteurs piézoélectriques qui transforment les ondes mécaniques du matériau en signaux électriques. Ces signaux, aussi appelés salves, sont ensuite amplifiés et analysés pour déterminer le type du mécanisme d’endommagement. L’utilisation de plusieurs capteurs permet de connaître l’emplacement de la source d’émission (em- placement de l’endommagement) en fonction de la vitesse de propagation des ondes et du temps d’arrivée des signaux au niveau des capteurs. Le contrôle ultrasonore consiste en une transmission et une réflexion d’ondes ultrasonores au sein du matériau étudié. Ces ondes, par l’intermédiaire d’un palpeur, changent d’impédance en rencontrant une zone endommagée. Par la suite, elles sont réfléchies et captées par le palpeur. FIGURE 2.8 – Mécanismes d’endommagement des composites à fibres courtes [75] :

(A) rupture de la fibre,

(B) extraction ou arrachement de fibre,

(C) décohésion fibre/ matrice,

(D) déformation plastique et fissuration de la matrice

Implémentation des modèles d’endommagement par fatigue dans des codes de calcul éléments finis Les codes de calcul éléments finis contiennent généralement des modèles de comportement prédéfinis dans leurs librairies. Afin de pouvoir implémenter un certain modèle, qui n’existe pas dans cette librairie, il faut avoir accès à un code de calcul qui est ouvert. Cela veut dire que le code de calcul accepte des modèles de comportement proposés par l’utilisateur. Nouri et al. [81J et Ba Nghiep et al. [88J ont utilisé le code de calcul ‘Abaqus’ afin de modéliser, par la méthode des éléments finis, une structure en composite soumise à un chargement cyclique. Durant cette modélisation, la variable d’endommagement est calculée à chaque cycle. Afin de pouvoir implémenter le modèle d ‘endommagement proposé, Nouri et al. [81] et Ba ghiep et al. [88] ont développé un sous-programme d’utilisateur UMAT (User MATerial). La Figure 2.10 met en évidence le principe de fonctionnement de la modélisation éléments finis adoptée par N ouri et al. [81]. Sur Abaqus, ils commencent par réaliser le modèle géométrique, appliquer les conditions aux limites et le chargement cyclique ainsi que rentrer les propriétés initiales du matériau. Ensuite, ils lancent le calcul pour le premier cycle du chargement. Une fois ce cycle fini, la variable d’endommagement est déterminée au niveau des points de Gauss à partir du champ de déformation. Cela s’effectue en utilisant les relations (2.9) et (2.10) dans UMAT.

À partir de la variable d ‘endommagement, les propriétés mécaniques du matériau endommagé sont évaluées (Relation 2.6) et implémentées dans Abaqus afin de pouvoir lancer le cycle suivant. Le même principe est adopté tout au long de la modélisation jusqu’à atteindre le critère d’arrêt qui peut être: Un nombre de cycles maximal bien déterminé ou une valeur maximale de la variable d’endommagement (égale à 1). À la fin de la modélisation, Nouri et al. [81] récupèrent, à chaque nombre de cycle simulé, la réduction de la rigidité et la contrainte aux points de Gauss. D’autres travaux de modélisation de l’endommagement par fatigue ont été réalisés par Avanzini et al. [86,87]. Les démarches faites pour implémenter le modèle d’endommagement proposé ressemblent à celles de Nouri et al. [81]. La seule différence réside au niveau du sous-programme UMAT qui a été remplacé par un autre personnalisé (USDFLD). Dans la littérature, il existe des études qui réduisent le nombre de cycles simulés (gain en termes de temps de calcul) dans la modélisation des structures soumises à des chargements cycliques. Cette réduction du nombre de cycles est réalisée tout en garantissant une bonne qualité des résultats. Les études en question sont généralement basées sur une approche ou une méthode bien particulière [91,92], connue sous le nom de ‘Cycle Jump’ ou approche de saut de cycles.