Contribution à la compréhension des mécanismes de vieillissement hydrothermique de matériaux composites unidirectionnels polyester insaturé/fibre de lin PDF Download

Author: Matthias Rouch
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Languages : fr
Pages : 228

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De nombreux exemples de matériaux composites obtenus par l'association de fibres végétales et de polymères ont permis des allègements conséquents de structures dans divers domaines d'application. Cependant, la question demeure quant de la durabilité de ces pièces en service, essentiellement par manque de connaissances sur le vieillissement des fibres végétales, sur leurs interactions avec la matrice polymère et sur le comportement hydrothermique des composites biosourcés au cours du temps. Dans cette étude, nous avons étudié les cinétiques et mécanismes de sorption du matériau composite afin d'appréhender son comportement hydrique lors des vieillissements hydrothermiques par immersion dans l'eau à 23°C et 70°C. Cette étude a mis en évidence l'influence des fibres végétales sur les grandeurs caractéristiques de l'absorption en eau du matériau composite : forte prise en eau, gonflement anisotrope. Elle a également permis l'identification des mécanismes de dégradation des fibres de lin ; le rôle très nocif des résidus d'écorce rappelle l'importance du rouissage et du défibrage sur les performances de ces fibres. L'étude du comportement des constituants et du composite confrontés à des vieillissements hydrothermiques a ensuite été entreprise afin d'identifier et quantifier l'influence de chacun des matériaux constitutifs, ainsi que leur synergie. Il en ressort que la détérioration des fibres de lin est la principale cause de l'abattement des propriétés mécaniques du matériau composite. Si une immersion à 23°C pendant 70 jours n'a que peu d'effet sur les propriétés mécaniques, l'élévation de la température à 70°C induit des endommagements importants dès 14 jours d'immersion. La destruction des parois cellulaires et la dégradation des interfaces fibre/matrice sous l'effet de la présence d'eau détériorent le transfert de charge matrice/fibre. La corrélation entre les vieillissements accélérés et naturel a fait ressortir une similitude entre le maintien pendant 70 jours dans l'eau à 23°C et l'exposition aux conditions naturelles pendant 24 mois ; l'immersion à 70°C s'avère trop sévère. Une solution d'amélioration serait d'accentuer le rouissage des fibres afin de supprimer davantage les composés pectiques de la lamelle mitoyenne et de la paroi primaire. L'élimination de ces composés facilement hydrolysables par l'eau permettrait de prétendre à une meilleure qualité de l'interface fibres/matrice tout au long du vieillissement.

Author: Peng Wang
Publisher: Elsevier
ISBN: 0443215790
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 667

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Advanced Structural Textile Composites Forming: Characterization, Modeling, and Simulation comprehensively describes the influence of fiber/fabric architectures and properties on composites forming, along with their deformability and structural optimization, covering the latest advances in the composites forming field. Part one reviews textile reinforcement architectures and discusses the forming behaviors of important 2D and 3D fabrics. Part two discusses numerical models to conduct simulation analysis of different structural composites forming at mesoscopic and macroscopic scales, in particular, 3D preforms with through-the-thickness yarns. Part three looks at the latest developments in the relationship between forming and other steps in composite manufacturing, such as resin injection, and automated fiber placement (AFP) and the effects on certain mechanical properties, such as structural damage and impact resistance. The book will be an essential reference for academic researchers, industrial engineers and materials scientists working with the manufacture and design of fiber-reinforced composite materials. Describes the influence of the fiber/fabric architectures and properties on composites forming, along with their deformability and structural optimization Provides numerical modeling and simulation of different fiber-reinforced composites forming at mesoscopic and macroscopic scales, in particular, reinforcements with discontinue fibers, and 3D preforms with through-the-thickness yarns Discusses cutting edge topics such as resin injection, and automated fiber placement (AFP) and the effects of forming results on mechanical properties such as structural damage and impact resistances

Author: Fabrice Gouanvé
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Languages : fr
Pages : 197

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Les résines polyester sont des polymères denses habituellement utilisés comme matrice dans de nombreuses applications industrielles. Elles ont pour avantage leurs excellentes propriétés mécaniques et chimiques, leur bonne résistance au vieillissement et d’un point de vue économique, un faible prix de revient. En outre, on peut les renforcer par des fibres et obtenir ainsi un matériau composite dont les propriétés mécaniques dépendent étroitement de la nature, la taille, la dispersion des fibres. Le plus souvent, on utilise des fibres synthétiques telles que les fibres de verre ou de carbone. Cependant depuis quelques années, on tend à leur substituer des fibres végétales. Nous avons étudié dans ce mémoire le comportement perméamétrique et mécanique d'un matériau composite constitué d’une matrice polyester insaturé renforcé par des fibres de lin. Celles-ci ont été retenues pour leur faible coût, leur densité réduite et surtout leurs bonnes propriétés mécaniques. Par contre leur forte sensibilité à l’eau peut conduire un vieillissement hydrolytique prématuré. L’application de fibres naturelles comme renfort dans les matériaux composites implique une faible sensibilité à l’humidité ainsi qu’une forte adhésion entre les fibres et la matrice synthétique. Différents traitements peuvent être réalisés afin d’optimiser l’interface. Dans notre étude, deux traitements ont été réalisés sur les non-tissés de fibres dans le but d’une part, d’augmenter leur résistance à l’eau, par le biais d’un traitement autoclave à la vapeur d’eau et d’autre part d’améliorer leur adhésion avec la matrice à l’aide d’un traitement par plasma froid. L’efficacité des traitements a été mise en évidence par des mesures de perméation à l’eau et des tests de traction. Les résultats de perméation montrent que l’introduction du renfort conduit à une augmentation du coefficient de perméabilité ainsi que la diffusivité comparativement à la résine seule. Le traitement plasma conduit à une baisse de la perméabilité du composite qui s’explique par une baisse de la diffusivité. La résistance à l’eau des fibres a augmenté après traitement autoclave. Les tests mécaniques ont montré une augmentation du module d’élasticité, E, après introduction des fibres. De même les composites renforcés par des fibres traitées plasma ont un module d’élasticité supérieur aux à ceux renforcés par des fibres de lin natives. Des images de microscopie électroniques à balayage confirment l’amélioration de l’adhésion après traitement plasma.

Author: Lara Alam
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Languages : fr
Pages : 0

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Aujourd'hui plus que jamais, de nombreux secteurs de l'ingénierie se tournent vers les matériaux composites à base de fibres naturelles en raison de la nécessité de trouver des solutions plus respectueuses de l'environnement. L'un des principaux défis à relever pour développer l'utilisation des biocomposites dans les applications extérieures est le manque de connaissances sur leur durabilité à long terme. L'objectif de ce travail est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu lors du vieillissement photooxydatif des composites unidirectionnels constitués d'une matrice de polypropylène vierge ou recyclé, renforcée par des fibres longues de lin. De plus, ce travail vise à étudier l'utilisation potentielle d'une matrice recyclée en comparant l'évolution de son comportement au vieillissement photooxydatif par rapport à une matrice vierge. Dans ce cadre, des vieillissements accélérés et un vieillissement naturel dans des conditions environnementales réelles ont été menés sur ces matériaux. L'impact de ces vieillissements photooxydatifs sur les propriétés mécaniques et physico-chimiques des composites est présenté selon une approche multi-échelle, de l'échelle moléculaire à l'échelle macroscopique en passant par les échelles macromoléculaire et microstructurale. Dans un premier temps, l'impact de la variation de l'intensité de rayonnement UV sur la photooxydation des composites a été étudié. Ensuite, l'effet de l'ajout des cycles de pulvérisation d'eau sur leur vieillissement photooxydatif accéléré a également été évalué. Pour le vieillissement naturel, un support spécifique a été fabriqué et mis en place pour réaliser un découplage des facteurs climatiques afin de mieux comprendre la contribution de chaque facteur dans le mécanisme de vieillissement photooxydatif des composites. D'après ces vieillissements, il a été montré que le polypropylène recyclé, s'il est bien choisi, peut être utilisé comme matrice dans les composites à base de fibres naturelles pour des applications extérieures. Enfin, il a été constaté que ces matériaux présentent une perte de performance mécanique avec le temps qui pourrait être améliorée par une meilleure stabilisation des matrices polymères.

Author: Marco Gigliotti
Publisher: ISTE Group
ISBN: 1784052833
Category : Composite materials
Languages : fr
Pages : 123

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L’utilisation des composites à matrice organique pour des applications structurales à haute température est de plus en plus souvent envisagée, notamment dans certaines zones de turbomachines aéronautiques. A cette fin, il devient nécessaire d’analyser les effets du vieillissement thermo-oxydant sur le comportement mécanique d’un polymère et des composites associés. Cet ouvrage met en relief des méthodologies expérimentales originales qui permettent, par analyse inverse, de développer et d’identifier une loi de comportement du polymère dépendant du vieillissement ainsi que les déformations d’origine chimique. Ces informations sont utilisées pour le calcul des contraintes internes induites par un vieillissement thermo-oxydant dans des composites unidirectionnels à fibres continues de carbone. Comportement mécanique des composites à matrice organique se différencie des autres ouvrages par son approche. Il examine des lois de comportement thermomécaniques locales dépendant de l’oxydation grâce à l’emploi d’essais couplés et non couplés à l’échelle microscopique. Il présente des modèles originaux afin d'intégrer toute la richesse de la phénoménologie observée expérimentalement, grâce à l'emploi de variables internes correctement choisies.

Author: Philippe Zinck
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Languages : fr
Pages : 37

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Cette thèse a pour objectifs d'élucider le rôle joué par les interphases dans les mécanismes de dégradation hydrothermique des matériaux composites polyépoxyde / fibres de verre et de dégager des outils de caractérisation des interphases pour parvenir à terme à caractériser l'influence de la nature des différents composants sur le comportement interfacial au vieillissement hydrothermique. La caractérisation mécanique de composites unidirectionnels a permis de proposer un mécanisme de post-condensation des interphases au cours du vieillissement attribué au caractère hybride inorganique - organique de ces zones. Nous nous sommes ensuite intéressés à la mise au point d'une méthodologie d'étude des phénomènes interfaciaux par analyse micromécanique (déchaussement - microgoutte et fragmentation). Cette approche plus fine permet de mettre en évidence l'influence de la nature des composants (chimie de la matrice polyépoxyde, traitement de surface et diamètre des fibres) sur la résistance de l'interphase au vieillissement hydrothermique. Cette utilisation des microcomposites est envisageable dès lors que les tendances dégagées sont représentatives de l'échelle macroscopique. Les relations micro-macro abordées en terme de mécanismes de dégradation, contraintes internes résiduelles et des propriétés physico-chimiques spécifiques des microgouttes de polymère permettent de valider la démarche proposée. Les résultats obtenus suggèrent que le développement de matériaux composites pour utilisation en environnement hydrothermique pourrait s'orienter vers la conception d'interphases basée sur la chimie des matériaux organiques - inorganiques en optimisant les différents composants de l'ensimage.

Author: El Hadi Saidane
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L'objectif de ce travail est d'étudier l'effet de différents types de vieillissement sur le comportement mécanique en traction de matériaux composites à fibres de lin et de verre et hybrides lin-verre. L'effet de plusieurs types de vieillissement a été d'abord analysé dans le cas de matériaux composites stratifiés à fibres de lin. Cette étude a permis de suivre l'absorption d'eau dans ces matériaux, et de déterminer leurs paramètres de diffusion en utilisant les modèles de Fick 1D et 3D. Ces paramètres ont été estimés en utilisant une procédure itérative développée à l'aide du logiciel Matlab. Ensuite, une caractérisation des propriétés élastiques et ultimes, à partir des essais de traction des matériaux composites non vieillis et vieillis a été réalisée. Dans le but de réduire l'absorption d'eau et d'améliorer les propriétés mécaniques des composites à fibres de lin, l'hybridation des renforts sergé lin-verre a été choisie. Après l'analyse du comportement mécanique des différents matériaux, l'identification des mécanismes d'endommagement est ensuite menée en utilisant une méthodologie associant la technique d'émission acoustique (EA) et des observations microscopiques. Les signaux d'EA ont été analysés, en considérant une analyse multivariable avec le Logiciel Noesis. La dernière partie aborde une 1ère étape de la modélisation des propriétés élastiques des composites hybrides lin-verre. A partir d'une décomposition de la cellule de base, l'application de la théorie des stratifiés a permis de déterminer les propriétés élastiques du composite en fonction de ses constituants (fibres et matrice) en tenant compte de la géométrie de l'armure.

Author: Ludovic Freund
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Languages : fr
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Les composites sont devenus des matériaux courants dans l'industrie dès lors que la performance est recherchée. Les matrices polymères renforcées de fibres de verre ou de carbone sont utilisées dans l'aéronautique, l'automobile et le sport pour leurs propriétés spécifiques très élevées. Depuis peu, les fibres naturelles sont envisagées comme renforts pour les matériaux polymères pour concilier performance et écologie. Cependant, l'utilisation de pièces structurales utilisant des fibres végétales se heurte à un inconvénient majeur : leur vieillissement rapide causé par une forte sensibilité à l'humidité. Dans ce mémoire, nous avons cherché à estimer la durée de vie de ces composites à travers une caractérisation de l'endommagement en atmosphère humide du matériau, et une modélisation de son absorption d'humidité. Parmi les différentes fibres végétales disponibles, le lin a été choisi pour renforcer une matrice acrylique de la gamme « Elium ». Cette acrylique de nouvelle génération est un thermoplastique dont la polymérisation peut s'effectuer à froid par ajout d'un catalyseur au même titre que la plupart des thermodurcissables, et permet donc une bonne imprégnation des fibres, et évite tout endommagement thermique des fibres de lin. L'impact du vieillissement hygrothermique du composite sur ses propriétés mécaniques a été étudié en sollicitant le matériau à des cycles d'humidité. Ce protocole a permis de différencier deux effets du vieillissement : la plastification du composite causée par la présence de molécules entre les chaînes polymériques, et l'endommagement de la structure par fragilisation de l'interface fibre/matrice et l'oxydation de la cellulose. Le premier effet est réversible par séchage alors que le second est permanent, et est le plus dommageable pour la structure. Une loi de comportement hydromécanique a pu être déduite de ces essais, et sera utilisée en parallèle d'un modèle de diffusion par éléments finis afin de déterminer l'évolution à long terme des propriétés du composite soumis à un environnement réel. Le modèle prédit une baisse de plus de 50% du module élastique, et 60% de la contrainte à rupture après un temps d'utilisation de seulement un an. Néanmoins, le modèle utilisé se base sur de nombreuses hypothèses, notamment concernant la sensibilité de l'endommagement hydrique à la température. Une étude complémentaire est donc nécessaire afin de définir une réelle durée de vie de ces matériaux.

Author: Marie-Barbara Heman
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Languages : fr
Pages : 266

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Les matériaux composites à matrices thermodurcissables et renforcés de fibres de verre ont des caractéristiques thermomécaniques élevées à l'état initial. Le développement de ces structures composites est étroitement liée à une meilleure connaissance de leur comportement en service face au vieillissement hygrothermique en particulier. La sensibilité des interfaces à l'humidité est retenue comme étant une cause majeure de la chute des propriétés mécaniques. La demarche de ce travail de thèse consiste à mener des investigations sur des matériaux composites unidirectionnels, permettant ainsi une sollicitation préférentielle de l'interface fibre/matrice. Une étude fine de l'interphase est menée afin de réunir des informations précises sur l'étendue de cette zone, sa structure et sa sensibilité vis-à-vis du vieillissement. L'étude des comportements de ces composites repose sur l'utilisation de techniques expérimentales de caractérisation à différentes échelles. Trois systèmes différents par leur mobilité moléculaire et leur comportement face au vieillissement sont étudiés. A l'état initial, l'étendue de la zone interfaciale a été estimée par la micro-analyse thermique localisée qui montre une augmentation de la mobilité moléculaire depuis la matrice jusqu'aux monofilaments. Quelle que soit la nature de la matrice, l'interphase a été trouvé sous-réticulée et /ou plastifiée. L'étude du vieillissement hygrothermique passe par la détermination des cinétiques d'absorption d'eau. Le modèle de Langmuir à deux phases est en accord avec les évolutions physiques observées. Dans les premiers temps de vieillissement, les molécules d'eau se lient par simple liaison hydrogène aux sites hydrophiles entraînant la plastification. Puis elles s'organisent en créant un réseau secondaire par des ponts intermoléculaires. La microanalyse thermique révèle en effet un réseau plus dense dans l'interphase en lien avec la chute des propriétés mécaniques du composite fragilisé à l'interface. La mobilité moléculaire et la nature de la matrice influencent donc le comportement hygrothermique.

Author: BING.. HU
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Languages : fr
Pages : 96

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LA PRESENTE ETUDE S'INSCRIT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DE LA DURABILITE DE SYSTEMES COMPOSITES A MATRICE POLYMERIQUE SOUS L'EFFET D'ENVIRONNEMENT HYGROTHERMIQUE. SON OBJECTIF EST D'APPORTER UNE CONTRIBUTION A LA COMPREHENSION ET A LA PREVISION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES COMPOSITES EN FONCTION DU VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL CONCERNE L'ETUDE DE L'ABSORPTION D'EAU PAR LES MATERIAUX COMPOSITES. ELLE DEBUTE PAR UNE MISE EN EVIDENCE DU PROCESSUS D'ABSORPTION D'EAU PAR DES MESURES REALISEES SUR UNE LONGUE DUREE. UNE DISCUSSION SUR LES MECANISMES DE L'ABSORPTION EST MENEE AFIN DE MIEUX COMPRENDRE LA VARIATION PHYSICO-CHIMIQUE ET LA DEGRADATION MECANIQUE DES MATERIAUX. UNE ANALYSE STATISTIQUE EST EFFECTUEE SUR LES MESURES EXPERIMENTALES. ELLE CONDUIT A UNE PROPOSITION D'UN MODELE DE FICK MODIFIE EN INTEGRANT CERTAINS PARAMETRES STATISTIQUES PERMETTANT DE DECRIRE LES PROCESSUS D'ABSORPTION. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE A LA MODELISATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES COMPOSITES VIEILLIS SOUS ENVIRONNEMENT HYGROTHERMIQUE. UNE APPROCHE EXPERIMENTALE EST D'ABORD UTILISEE, A PARTIR D'ESSAIS MECANIQUES, POUR OBTENIR LES CARACTERISTIQUES ELASTIQUES, LES CONTRAINTES ULTIMES ET LA TENACITE DE DIFFERENTS COMPOSITES NON VIEILLIS ET VIEILLIS, DONEES NECESSAIRES POUR DECRIRE LA DEGRADATION DES MATERIAUX. ENSUITE, APRES AVOIR IDENTIFIE LE PARAMETRE HYGROTHERMIQUE DOMINANT DANS LA VARIATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE - CONTENU DE L'EAU ABSORBEE M, NOUS AVONS ETABLI LES RELATIONS EMPIRIQUES ENTRE CE DERNIER ET LES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES STRATIFIES ETUDIES. EN CONCLUSION, UNE APPROCHE ANALYTIQUE PERMET DE PREVOIR LA DEGRADATION D'UN STRATIFIE MULTIDIRECTIONNEL A PARTIR DES CARACTERISTIQUES DES PLIS ELEMENTAIRES, CETTE PREVISION AYANT ETE VERIFIEE PAR DES RESULTATS EXPERIMENTAUX.