Etude du couplage entre le vieillissement hygrothermique et la tenue en fatigue de composites à renfort tissé utilisés en construction navale PDF Download
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L'OBJET DE CE TRAVAIL EST L'ETUDE DES INTERACTIONS ENTRE LE COMPORTEMENT EN FATIGUE ET LE VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE DE MATERIAUX COMPOSITES A RENFORT TISSE ET A MATRICE POLYESTER UTILISES EN CONSTRUCTION NAVALE. NOUS AVONS ANALYSE, LES PROCESSUS DE DEGRADATION SOUS SOLLICITATIONS MONOTONES ET CYCLIQUES DE FLEXION. AU COURS DE L'ESSAI DE FATIGUE, LE SUIVI DE RAIDEUR A ETE ASSOCIE A UNE ANALYSE QUANTITATIVE DE LA TAILLE, DE L'ORIENTATION ET DE LA DISTRIBUTION DES MICROFISSURES. CETTE DEMARCHE A PERMIS DE DEFINIR UN CRITERE DE DUREE DE VIE CARACTERISANT UNE TRANSITION DANS LES MODES D'ENDOMMAGEMENT DU COMPOSITE. CETTE ANALYSE PERMET EGALEMENT DE METTRE EN EVIDENCE LES EFFETS PREPONDERANTS DE LA STRATIFICATION SUR LA CREATION ET LA PROPAGATION DE L'ENDOMMAGEMENT. DE PLUS, NOUS AVONS ETUDIE LES INTERACTIONS ENTRE LE VIEILLISSEMENT ET L'ENDOMMAGEMENT PAR FATIGUE SELON DEUX AXES: * L'ETUDE DE LA TENUE EN FATIGUE DES COMPOSITES PREALABLEMENT VIEILLIS, AFIN DE METTRE EN EVIDENCE LES EFFETS DE LA CREATION HYGROTHERMIQUE DE DEFAUTS PAR DIFFUSION D'HUMIDITE, * L'ETUDE DU COUPLAGE ENTRE L'HUMIDITE ET LA PROPAGATION DE L'ENDOMMAGEMENT SUR LA BASE D'ESSAIS EN AMBIANCE CONTROLEE. DES MESURES DE SORPTION D'EAU EFFECTUEES EN PARALLELE NOUS ONT PERMIS DE PRECISER LES ECHELLES DE TEMPS ASSOCIEES A LA DIFFUSION D'EAU DANS LE COMPOSITE. LES EFFETS DE LA STRATIFICATION SUR LES PROCESSUS DE SORPTION D'EAU ONT ETE EVALUES SUR LA BASE D'UNE MODELISATION NUMERIQUE BASEE SUR LES LOIS DE FICK. LA CREATION HYGROTHERMIQUE DE DEFAUTS (MICROFISSURES, CLOQUAGE OSMOTIQUE) AU COURS DES ETAPES DE VIEILLISSEMENT SE TRADUIT PAR UNE DIMINUTION SIGNIFICATIVE DES DUREES DE VIE DU COMPOSITE. LES INTERACTIONS ENTRE L'HUMIDITE ET LA PROPAGATION DE L'ENDOMMAGEMENT PAR FATIGUE NE PEUVENT METTRE EN JEU QUE DES EFFETS TRES LOCALISES EN FOND DE FISSURE, APRES DIFFUSION CAPILLAIRE DE L'HUMIDITE DANS LES MICROFISSURES CREES LORS DES TOUS PREMIERS CYCLES DE SOLLICITATION. LA DESCRIPTION QUANTITATIVE DES DUREES DE VIE A ETE EFFECTUEE SUR LA BASE D'UNE ANALYSE INTEGRANT LES EFFETS DU VIEILLISSEMENT SUR LES COEFFICIENTS A ET B DES DROITES DE WOHLER DU COMPOSITE. CEUX-CI PERMETTENT NOTAMMENT D'ENVISAGER UNE PREDICTION DES DUREES DE VIE D'APRES LA DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES MONOTONES DU COMPOSITE
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L'OBJET DE CE TRAVAIL EST L'ETUDE DES INTERACTIONS ENTRE LE COMPORTEMENT EN FATIGUE ET LE VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE DE MATERIAUX COMPOSITES A RENFORT TISSE ET A MATRICE POLYESTER UTILISES EN CONSTRUCTION NAVALE. NOUS AVONS ANALYSE, LES PROCESSUS DE DEGRADATION SOUS SOLLICITATIONS MONOTONES ET CYCLIQUES DE FLEXION. AU COURS DE L'ESSAI DE FATIGUE, LE SUIVI DE RAIDEUR A ETE ASSOCIE A UNE ANALYSE QUANTITATIVE DE LA TAILLE, DE L'ORIENTATION ET DE LA DISTRIBUTION DES MICROFISSURES. CETTE DEMARCHE A PERMIS DE DEFINIR UN CRITERE DE DUREE DE VIE CARACTERISANT UNE TRANSITION DANS LES MODES D'ENDOMMAGEMENT DU COMPOSITE. CETTE ANALYSE PERMET EGALEMENT DE METTRE EN EVIDENCE LES EFFETS PREPONDERANTS DE LA STRATIFICATION SUR LA CREATION ET LA PROPAGATION DE L'ENDOMMAGEMENT. DE PLUS, NOUS AVONS ETUDIE LES INTERACTIONS ENTRE LE VIEILLISSEMENT ET L'ENDOMMAGEMENT PAR FATIGUE SELON DEUX AXES: * L'ETUDE DE LA TENUE EN FATIGUE DES COMPOSITES PREALABLEMENT VIEILLIS, AFIN DE METTRE EN EVIDENCE LES EFFETS DE LA CREATION HYGROTHERMIQUE DE DEFAUTS PAR DIFFUSION D'HUMIDITE, * L'ETUDE DU COUPLAGE ENTRE L'HUMIDITE ET LA PROPAGATION DE L'ENDOMMAGEMENT SUR LA BASE D'ESSAIS EN AMBIANCE CONTROLEE. DES MESURES DE SORPTION D'EAU EFFECTUEES EN PARALLELE NOUS ONT PERMIS DE PRECISER LES ECHELLES DE TEMPS ASSOCIEES A LA DIFFUSION D'EAU DANS LE COMPOSITE. LES EFFETS DE LA STRATIFICATION SUR LES PROCESSUS DE SORPTION D'EAU ONT ETE EVALUES SUR LA BASE D'UNE MODELISATION NUMERIQUE BASEE SUR LES LOIS DE FICK. LA CREATION HYGROTHERMIQUE DE DEFAUTS (MICROFISSURES, CLOQUAGE OSMOTIQUE) AU COURS DES ETAPES DE VIEILLISSEMENT SE TRADUIT PAR UNE DIMINUTION SIGNIFICATIVE DES DUREES DE VIE DU COMPOSITE. LES INTERACTIONS ENTRE L'HUMIDITE ET LA PROPAGATION DE L'ENDOMMAGEMENT PAR FATIGUE NE PEUVENT METTRE EN JEU QUE DES EFFETS TRES LOCALISES EN FOND DE FISSURE, APRES DIFFUSION CAPILLAIRE DE L'HUMIDITE DANS LES MICROFISSURES CREES LORS DES TOUS PREMIERS CYCLES DE SOLLICITATION. LA DESCRIPTION QUANTITATIVE DES DUREES DE VIE A ETE EFFECTUEE SUR LA BASE D'UNE ANALYSE INTEGRANT LES EFFETS DU VIEILLISSEMENT SUR LES COEFFICIENTS A ET B DES DROITES DE WOHLER DU COMPOSITE. CEUX-CI PERMETTENT NOTAMMENT D'ENVISAGER UNE PREDICTION DES DUREES DE VIE D'APRES LA DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES MONOTONES DU COMPOSITE
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LES INTERACTIONS ENTRE LE VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE ET LA FATIGUE EN FLEXION DE COMPOSITES UNIDIRECTIONNELS VERRE E/EPOXY (DGEBA-DDA) SONT ABORDEES SOUS DEUX APPROCHES COMPLEMENTAIRES: UNE ANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE DES MECANISMES DE SORPTION D'EAU, AFIN DE PRECISER UN PROTOCOLE DE VIEILLISSEMENT ACCELERE REPRESENTATIF DES CONDITIONS DE VIEILLISSEMENT NATURELLES, UNE ANALYSE DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT EN FATIGUE DYNAMIQUE, EFFECTUEE SOIT SUR LES MATERIAUX VIERGES SOLLICITES DANS DIVERSES CONDITIONS D'HYGROMETRIE ET DE TEMPERATURE, SOIT SUR LES MATERIAUX PREALABLEMENT SATURES EN HUMIDITE, PUIS FATIGUES A TEMPERATURE AMBIANTE. DANS LE PREMIER CAS, IL S'AGIT D'ETUDIER LES INTERACTIONS LOCALES ENTRE LA DIFFUSION D'HUMIDITE EN FRONT DE FISSURE ET LES PROCESSUS DE PROPAGATION DE L'ENDOMMAGEMENT. DANS LE DEUXIEME CAS, IL S'AGIT D'APPRECIER LES EFFETS LIES A LA CREATION HYGROTHERMIQUE D'UN ENDOMMAGEMENT PAR DIFFUSION D'EAU AU SEIN DU MATERIAU. LES RESULTATS SONT INTERPRETES EN CONSIDERANT D'UNE PART LES PERTES DE TENUE THERMOMECANIQUE DE LA MATRICE PLASTIFIEE PAR L'EAU, ET D'AUTRE PART, LA DIMINUTION DES CARACTERISTIQUES A RUPTURE DES FIBRES DE VERRE DUE A LEUR FORET HYDROPHILIE. AU MOYEN D'UNE OBSERVATION MICROSCOPIQUE IN-SITU DES FACES EN TRACTION DES EPROUVETTES, NOUS NOUS SOMMES ATTACHES A IDENTIFIER LA CONTRIBUTION DES PERTES DE PROPRIETES DU RENFORT A LA DIMINUTION GLOBALE DES DUREES DE VIE EN FATIGUE APRES VIEILLISSEMENT. CES ASPECTS SONT IMPORTANTS A CONSIDERER, CAR LES CARTOGRAPHIES DES FIBRES ROMPUES, REALISEES APRES SOLLICITATION DYNAMIQUE, MONTRENT CLAIREMENT QUE L'APPARITION D'UNE FISSURATION MACROSCOPIQUE RESULTE D'UNE ACCUMULATION DE CES PREMIERS DEFAUTS. LES DIMINUTIONS DES DUREES DE VIE EN FATIGUE, RELEVEES A TEMPERATURE AMBIANTE, SONT LES PLUS NOTABLES DANS LE CAS DU VIEILLISSEMENT EN IMMERSION PAR RAPPORT AU VIEILLISSEMENT EN HUMIDITE RELATIVE (NATUREL OU ACCELERE). LA SEVERITE DU VIEILLISSEMENT EN IMMERSION PEUT ETRE RELIEE A LA LIXIVIATION D'UNE FRACTION RESIDUELLE DU DURCISSEUR DDA HYDROSOLUBL, DONT L'HYDROLYSE CONDUIT EFFECTIVEMENT A LA CREATION D'UN ENVIRONNEMENT BASIQUE (PH = 9-10) FORTEMENT PREJUDICIABLE A LA TENUE MECANIQUE DES FIBRES DE VERRE. CETTE ETUDE PERMET DONC D'IDENTIFIER LA CONTRIBUTION SPECIFIQUE DES FIBRES DE VERRE AUX PERTES DE PROPRIETES GLOBALES OBSERVEES EN FATIGUE APRES VIEILLISSEMENT
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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: El Hadi Saidane Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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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.
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LA DURABILITE DE COMPOSITES UNIDIRECTIONNELS VERRE/EPOXY SOUMIS A UN VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE EST ETUDIEE PAR DEUX APPROCHES COMPLEMENTAIRES: UNE APPROCHE BASEE SUR L'ANALYSE VISCOELASTIQUE LINEAIRE (FAIBLES DEFORMATIONS) AYANT POUR BUT DE PRECISER LA NATURE DES INTERACTIONS EAU/POLYMERE; UNE APPROCHE BASEE SUR LA FATIGUE STATIQUE (FLEXION TROIS PANNES) VISANT A METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DU VIEILLISSEMENT SUR LA CREATION DES PREMIERS DEFAUTS ET LA PROPAGATION DE L'ENDOMMAGEMENT. L'ANALYSE ET LA MODELISATION DES CINETIQUES DE SORPTION D'EAU METTENT EN EVIDENCE DES PHENOMENES DE DIFFUSION MOLECULAIRE DANS LA MATRICE, ASSOCIES AU REMPLISSAGE DE MICROCAVITES INDUITES HYGROTHERMIQUEMENT. LA MODELISATION THEOLOGIQUE PERMET L'IDENTIFICATION DES PROCESSUS REVERSIBLES DE PLASTIFICATION ET DES MECANISMES IRREVERSIBLES DE DEGRADATION HYDROLITIQUE. L'ANALYSE DETAILLEE DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT CONDUIT A L'ETABLISSEMENT DE DIAGRAMMES D'ENDURANCE CONSIDERANT L'EXISTENCE DE PLUSIEURS DOMAINES DONT L'EVOLUTION AU COURS DU VIEILLISSEMENT PREND EN COMPTE LES PERTES DE PROPRIETES DES ELEMENTS CONSTITUTIFS DU COMPOSITE (PLASTIFICATION DE LA MATRICE, ALTERATION DU RENFORT, DECOHESION DES ZONES INTERFACIALES)
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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.
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Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'IRDL et une entreprise majeure du bois composite européen. Les objectifs de ce projet sont d'estimer la durabilité des bois composites (WPC) destinés à être utilisés en environnement extérieur et d'étudier des voies d'améliorations possibles. Les mécanismes de vieillissement du bois composite sont souvent liés à l'action de l'eau, ainsi des essais d'absorption d'eau relativement longs sont utilisés pour s'assurer en première approximation de la bonne durabilité des mélanges. Un protocole d'absorption d'eau développé permet d'obtenir dans un délai relativement court les propriétés d'absorption d'eau (saturation en eau, cinétique de diffusion) des formulations fabriquées par extrusion. Le comportement pseudo-Fickien des composites est modélisé à partir de modèles mathématiques utilisant un coefficient défini comme la contrainte de gonflement. De nombreuses pistes sont étudiés pour essayer de déterminer les caractéristiques des constituants et la manière dont elles influencent l'absorption d'eau. Un protocole de vieillissement accéléré (UV, pluie, gel-dégel) est appliqué pour identifier les mécanismes de dégradation de composites absorbants différentes quantités d'eau. Enfin, des nouvelles farines végétales (colza, miscanthus, tournesol...) sont étudiées pour remplacer la farine de bois. Les propriétés des farines et des nouveaux composites sont comparées afin de déterminer l'apport de ces farines par rapport au bois.
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LEUR FACILITE D'ELABORATION ET LES EXIGENCES LIEES A LA PROTECTION DE L'ENVIRONNEMENT ENTRAINENT UNE UTILISATION ACCRUE DES THERMOPLASTIQUES, QUE CE SOIT SOUS FORME MASSIQUE OU RENFORCES DE FIBRES. ON LES RENCONTRE DESORMAIS DANS DE NOMBREUX SECTEURS INDUSTRIELS, TELS QUE LA CONNECTIQUE, L'ELECTROTECHNIQUE, LA COSMETIQUE ET L'AUTOMOBILE. LES DEBOUCHES INDUSTRIELS DE TELS MATERIAUX SONT CEPENDANT ETROITEMENT LIES A UNE MEILLEURE CONNAISSANCE DE LEUR DURABILITE. EN EFFET, LES CARACTERISTIQUES DES COMPOSITES CONDUISENT SOUVENT A LEUR UTILISATION DANS DES ENVIRONNEMENTS METTANT EN JEU DES FACTEURS TELS QUE LA TEMPERATURE, L'HUMIDITE OU LES RAYONNEMENTS LUMINEUX. LA DUREE DE VIE DES COMPOSITES DEPEND DONC DE LEUR TENUE AU VIEILLISSEMENT. LORSQU'UN INDUSTRIEL ENVISAGE D'UTILISER UN MATERIAU POLYMERE, RENFORCE OU NON, IL DOIT REPONDRE A UN CAHIER DES CHARGES DANS LEQUEL FIGURENT DES EXIGENCES CONCERNANT LES PROPRIETES MECANIQUES. MAIS QUAND CE MATERIAU EST EXPOSE A UN ENVIRONNEMENT HUMIDE, SES PROPRIETES MECANIQUES PEUVENT EVOLUER, IL DOIT DONC EN TENIR COMPTE. POUR PREVOIR CETTE EVOLUTION DANS LE CAS DES MATERIAUX ETUDIES (PA66, PET ET PEI), UNE RELATION ENTRE LA BAISSE DES PROPRIETES MECANIQUES, DUE A L'ABSORPTION D'EAU, ET L'HUMIDITE RELATIVE IMPOSEE A ETE TROUVEE. UN AUTRE PROBLEME ESSENTIEL QUI SE POSE A L'INDUSTRIEL EST DE POUVOIR CONNAITRE LA DUREE DE VIE DU MATERIAU QU'IL ENVISAGE D'UTILISER. POUR DETERMINER LA DURABILITE DES THERMOPLASTIQUES ETUDIES, LEUR VIEILLISSEMENT A ETE ACCELERE ET DES MODELES LIANT L'EVOLUTION DE LA MASSE MOLAIRE AUX PROPRIETES MECANIQUES ONT ETE ETABLIS. CES MODELES PERMETTENT DE PREDIRE LA DUREE DE VIE DES MATERIAUX ETUDIES.
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La présente étude traite la durabilité en milieu humide et l'endommagement par fatigue des matériaux composites à matrice organique (CMO). La diffusion d'eau dans un matériau SMC (matrice polyester renforcée par des fibres de verre et des particules de craies) est tout d'abord analysée expérimentalement. Puis elle est modélisée numériquement sous différentes conditions de vieillissement hygrothermique en immersion. Les mécanismes physiques à l'origine de l'endommagement hygrothermique sont alors identifiés. Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction du temps et de la teneur en eau absorbée sont mises en évidence avec les phénomènes d'endommagement identifiés. L'effet de l'endommagement hygrothermique sur la durée de vie en fatigue est alors étudié expérimentalement. Un modèle prédictif qui prend en compte les effets d'endommagements d'origine hydrique et mécanique est alors proposé. Un calcul couplé diffusion/mécanique permet de déterminer le comportement global du matériau. On montre qu'il est possible de simuler et de suivre en continu l'évolution de la durée de vie en fatigue du matériau vieilli quel que soit le temps et la température.
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L'objectif de cette thèse est d'initier une réflexion sur le vieillissement des matériaux composites utilisés en renforcement des structures du Génie Civil. En effet la méconnaissance de la durabilité des matériaux composites est un frein à leur utilisation. Au cours de ce travail de thèse, nous avons dans un premier temps étudié l’influence des conditions de mise en œuvre sur les propriétés initiales du composite. Dans cette première partie, les composites carbone-Epoxy et carbone-vinylester ont été élaborés par moulage au contact tout en variant le couple Température-Humidité de mise en œuvre et du support béton ainsi que la formulation des systèmes réactifs. Dans la deuxième partie, nous avons sélectionné des cycles de vieillissement reflétant les conditions réelles dans lesquelles travaille le matériau composite en réparation et/ou renforcement des structures. Les composites ont subi un vieillissement accéléré (contrainte thermique, hygrométrique, chimique, thermochimique, hygrothermique, des cycles de gel-dégel,...) pendant 18 mois. En parallèle, nous avons lancé des essais de vieillissement naturel. Un élément prépondérant du vieillissement est le support contact en l’occurrence le substrat béton qui présente un pH basique, ce qui nous a mené à étudier le vieillissement du couple béton-composite. Plusieurs essais de caractérisation de type mécanique ou thermo-rhéologique ont été mis en œuvre afin de suivre l’évolution des propriétés des composites vieillis. La finalité de ce travail de thèse consiste à tester des méthodes de vieillissement représentatives des conditions réelles en génie civil et à développer des essais de caractérisation précis afin de pouvoir déterminer des indicateurs de durabilité fiables. Les résultats enregistrés sur une base de temps de vieillissement programmée entre 0 et 18 mois démontrent que selon le milieu de vieillissement, la nature de la matrice (époxy ou vinylester) et les conditions de mise en œuvre, les propriétés des composite et évoluent différemment au cours du temps
Author: Riadh Elleuch
Author: Riadh Elleuch
Author: Emmanuelle Vauthier
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Author: El Hadi Saidane
Author: ANTOINE.. CHATEAUMINOIS
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Author: Florent Faure
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Author: Sofiène Marouani