Compréhension de la fragilité des composites PVC/bois par l'étude des relations microstructure/propriétés mécaniques et des mécanismes d'endommagement

Comprehension of PVC/wood flour composites brittleness analysis of the relations between microstructure, mechanical properties ans failure mechanisms

• Auteur / Autrice : Alexia Balamoutoff
• Direction : Claire Barrès, Catherine Gauthier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 13/03/2012
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Rémy Dendievel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Barrès, Catherine Gauthier, Rémy Dendievel, Laurent Ferry, Christophe Baley, Roland Seguela, Philippe Hajji
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Ferry, Christophe Baley

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Bois

Chlorure de polyvinyle

Composites polymères

Mots clés libres

Composite à matrice polymère

PVC - Polychlorure de vinyl

Farine de bois

Résistance mécanique

Fragilité

Endommagement ductile

Dispersion charge

Orientation

Percolation

Tomographie par rayon X

Emission acoustique

Polymer matrix composite

PVC - Polyvinyl chloride

Wood flour

Mechanical strength

Brittleness

Ductile damage

Orientation

Percolation

X-ray tomography

Acoustic emission

Résumé

Ce travail de thèse a pour objectif de comprendre la fragilité des composites à matrice polymère (PVC) contenant des particules de bois. Dans un premier temps, il s’agit d’examiner le rôle de chacun des constituants : matrice et charge, sur les propriétés mécaniques du composite. Cette étude a montré que l’influence des paramètres relatifs à la microstructure de la matrice PVC est minoritaire face à celle des paramètres de la farine de bois. Pour mettre en évidence le rôle des particules de bois, une méthode d’analyse de leur dispersion et leur orientation par une technique 3D non destructive, a été employée : la tomographie aux rayons X. Un traitement spécifique des données a permis de quantifier la taille, l’orientation et la connectivité des particules. Ainsi, on a montré que l’existence d’agglomérats et/ou d’un réseau percolant fragilise fortement le composite ce qui explique la chute de la résistance au choc lorsque le taux de farine de bois augmente. Pour optimiser le compromis fragilité/ductilité, différentes solutions ont été envisagées. Dans un deuxième temps, nos travaux s'intéressent à l'évolution de l'endommagement de matériaux composites possédant différents taux de farine de bois. Cette évolution est mesurée à l'aide de deux techniques : l'émission acoustique et la tomographie aux rayons X in-situ. La décohésion à l’interface entre la matrice PVC et les particules de bois est le mécanisme initiant l’endommagement. La transition ductile/fragile des composites s’explique par la coalescence de ces cavités. L’ajout de modifiant choc ne réduit pas suffisamment ce mécanisme. Les agents de couplage sont donc la voie à explorer afin d’améliorer l’interface matrice/particules et remédier au défaut d’adhésion qui pénalise ces composites.

The aim of the present study is to understand the origin of the brittleness of PVC/wood flour composites (WPC). The influence of the matrix and of the filler is investigated: fiber parameters are key factors that significantly affect the mechanical properties of WPC. Fiber dispersion, orientation and particles connectivity can be accurately assessed by using the non-destructive X-ray tomography technique. The qualitative and quantitative analysis of tomography experimental results allows a 3D visualisation of the composite. The brittleness of the composites is caused by agglomerates and/or the presence of a percolated network: it explains why impact resistance decreases when the wood flour content increase. To optimise the rigidity/ductility compromise, several solutions are considered. The other part of this work consists of combining acoustic emission and X-ray tomography to study the evolution of damaging in composite materials with different wood flour content. An original coupling of these two techniques is implemented. The main failure mechanism involved in such composites is the decohesion between the matrix and the wood particles. The ductile/brittle transition occurs when the cavities coalescence becomes the dominant process over the PVC matrix failure. Adding impact modifiers is not sufficient to improve the ductility of the composite. Coupling agents are the route to be explored so as to improve the interfacial adhesion between the matrix and the particles.