Étude du comportement mécanique et de l'endommagement de composites thermoplastiques renforcés de fibres courtes de chanvre : approche expérimentale et modélisation

Mechanical behaviour and damage study of short hemp fibre reinforced thermoplastics : experimental approach and modelling

• Auteur / Autrice : Florian Gehring
• Direction : Pierre Chevrier, Vanessa Bouchart, Florence Dinzart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 22/03/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LABPS - Laboratoire de mécanique Biomécanique Polymère Structures - EA4632
• Jury : Président / Présidente : Noëlle Billon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Dinzart, Sandrine Hoppe, Henri-François Perrin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Claude Grandidier, Djimédo Kondo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres naturelles

Composites à fibres

Composites thermoplastiques

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Mots clés libres

Comportement mécanique

Composite

Polymère

Fibres naturelles

Résumé

Afin de limiter l'utilisation des ressources fossiles, les composites à fibres naturelles semblent être une alternative prometteuse aux composites à fibres synthétiques. Ainsi cette thèse se propose d'étudier un composite thermoplastique renforcé par des fibres courtes d'origine végétale (polypropylène/chanvre). En effet, la température de mise en forme du PP permet l'incorporation de renforts naturels. De plus la culture du chanvre est relativement aisée en Lorraine. Ces composites ont été élaborés via compoundage - moulage par injection. Ce travail s'appuie sur une démarche de caractérisation du comportement thermomécanique de ces composites dans le domaine quasi-statique en prêtant particulièrement attention à l'influence de la vitesse de déformation, de la fraction volumique de chanvre et de la température. L'endommagement a été mis en évidence par des essais de type charge-décharge-maintien et par un suivi in-situ par thermographie infrarouge. Cette étude a montré une rupture « quasi-fragile » par fissuration de la matrice quelque soit le taux de renfort. Une étude statistique complète de la microstructure en terme de distribution d'orientation et de répartition spatiale des fibres a été conduite par tomographie aux rayons X et a permis de développer un algorithme de génération automatique d'un modèle éléments-finis intégrant les distributions d'orientation et de répartition ainsi que les facteurs géométriques des fibres (L,Ø). Cet algorithme permet de rendre compte, dans la modélisation, de l'interaction complexe entre les fibres supposées élastiques isotropes. Enfin, la modélisation par éléments-finis du comportement du composite PPC est entreprise. Le comportement élastique avec endommagement progressif de la matrice est obtenu suivant un formalisme micromécanique dans lequel celle-ci est considérée comme un solide élastique isotrope affaibli par des microfissures de forme penny-shapped. Ce comportement est implémenté sur abaqus via une routine Fortran. Cette démarche offre de bonnes capacités de prédiction et ouvre des perspectives d'optimisation de ce matériau

Natural fibres are expected to have the ability to replace synthetics fibres as reinforcement for thermoplastics. A short plant fibres reinforced thermoplastics (polypropylene/hemp) is therefore studied in this PhD thesis. The processing temperature of PP allows the use of natural fibres. Moreover the hemp growing is easy in Lorraine. The testing specimens were made by compounding and injection moulding. Experimental characterization of the quasi-static thermomechanical behaviour of hemp composite was carried out with particular emphasis on the effect on strain rate, fibre loading and temperature. The damage is pointed out by load-unload-holding tests and in-situ infrared thermography recorder and revealed a « quasi-brittle » failure by matrix cracking regardless the hemp fibre loading. A complete statistical study in terms of spatial and orientation distribution of fibre was conducted by X-ray tomography and enables the development of an algorithm which generate a finite element model including the spatial reinforcement distribution and orientation distribution as well as geometrical features of fibres (L,Ø) Through this algorithm, the complicated interactions between isotropic elastic fibres are taken into account in the finite element modelling. Finally, finite element modelling of composite behaviour is intended. The elastic - progressive damage behaviour of the matrix is obtained in accordance to the micromechanism frame, in which PP is considered as a solid isotropic body weakened by penny-shaped cracks. This behaviour was implemented through a Fortran routine in abaqus software. This approach shows good prediction capabilities and gives opportunities to optimize this composite material