Développement de nouveaux composites hybrides renforcés par des fibres de carbone et de lin : mise en oeuvre et caractérisation mécanique

Development of new hybrid composites reinforced by carbon and flax fibers : manufacturing and Mechanical characterization

• Auteur / Autrice : Eric Tossou
• Direction : Alexandre Vivet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, génie mécanique, productique, transport et génie civil
• Date : Soutenance le 11/06/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Vidal-Sallé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Vivet, Sébastien Comas-Cardona, Frédéric Thiebaud, Benoit Vieille, Joël Bréard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Comas-Cardona, Frédéric Thiebaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbone

Propriétés mécaniques

Lin

Amortissement (mécanique)

Mots clés libres

Composite

Hybride

Compaction

Mise en oeuvre

Hybrid

Carbon

Flax

Compaction

Manufacturing process

Mechanical properties

Damping properties

Résumé

L’objectif de cette thèse est, d’une part, l’optimisation de la mise en œuvre des matériaux composites àtravers l’étude du comportement des renforts secs en compaction et, d’autre part, le développement et lacaractérisation de matériaux composites stratifiés hybrides renforcés par des fibres de carbone et de lin.Durant la mise en œuvre de ces composites, les renforts sont soumis à un phénomène appelé compactiontransverse. La compréhension de ce mécanisme est importante pour l’amélioration de la mise en œuvre.La connaissance de la capacité de compaction des renforts secs sert également à la prédiction du taux defibres ainsi que de l’épaisseur de la pièce composite finale. Des essais de compaction réalisés sur douzerenforts présentant de différentes solutions techniques ont montré que la capacité de compaction d’unrenfort sec est influencée par plusieurs facteurs. Les résultats obtenus de ce travail portant essentiellementsur les renforts à fibres naturelles (lin) ont montré que ces types de renforts se compactent moinsbien que les renforts à fibres synthétiques (carbone, verre). Ainsi, pour pouvoir améliorer la capacité decompaction de ces renforts naturels, il faut choisir ceux dont le grammage est important, ceux dont lesmèches sont en fibre et non en fil, ceux qui sont unidirectionnels (ou quasi UD) plutôt que des tissés oudes bi-biais. De plus, il faut privilégier les séquences à plusieurs plis aux séquences mono-plis.Face à un fort besoin d’allègement des structures, les matériaux composites sont de plus en plus recherchésdans le secteur industriel notamment dans le domaine des transports. Cependant, les matériaux compositescomme tout autre matériau, en plus d’être mécaniquement performant, doivent remplir d’autresfonctions comme l’amortissement de chocs et de vibrations pour une bonne tenue en service. Pour remplircette double exigence, une des solutions est d’utiliser la technique d’hybridation qui consiste à utiliserau sein d’un même composite des fibres naturelles et synthétiques à la fois afin d’exploiter leursatouts respectifs. Respectivement en raison de leur rigidité et de leur pouvoir amortissant, les fibres decarbone et de lin ont été choisies dans le cadre de cette thèse. La caractérisation des plaques stratifiéesfabriquées en infusion de résine montre que le composite carbone a de meilleures propriétés mécaniqueset microstructurales tandis que le composite lin propose des propriétés amortissantes très intéressantes.Les résultats montrent que l’hybridation du lin avec du carbone permet d’améliorer considérablement lesfaibles propriétés mécaniques du composite lin et les mauvaises propriétés amortissantes du compositecarbone. La séquence d’empilement des couches a une influence significative sur le comportement et lespropriétés des stratifiés hybrides. Nos résultats ont montré que pour avoir une meilleure microstructureles couches de carbone doivent être disposées à l’extérieur. Cette façon d’hybrider permet égalementd’obtenir de meilleures propriétés en flexion et en choc. En revanche, lorsque les couches de lin sontplacées à l’extérieur, le composite hybride a une meilleure capacité d’amortissement. Cette séquenced’empilement garantit aussi une meilleure résistance en indentation. Ainsi, la séquence d’empilementhybride à choisir dépendra du besoin que l’on cherche à satisfaire.Enfin, grâce à une analyse basée sur la théorie classique des stratifiés, il a été démontré dans cette thèsequ’on peut dimensionner des composites stratifiés hybrides malgré que les couches constitutives soientde différente nature avec des propriétés dissemblables.

The goal of this thesis is, on the one hand, the optimization of the manufacturing of composite materials through the study of the behavior of dry fibrous reinforcements in compaction and, on the other hand, the development and characterization of hybrid composite laminates reinforced with carbon and flax fibers. During the manufacturing process of these composites, the reinforcements are subjected to a phenomenon called transverse compaction. Understanding this mechanism is important for improving the manufacturing process. Knowledge of the compaction capacity of the dry reinforcements also serves to predict the fiber content as well as the thickness of the final composite part. Compaction tests carried out on twelve reinforcements presenting different technical solutions have shown that the compaction capacity of a dry reinforcement is influenced by several factors. The results obtained from this work, which focuses on natural fiber reinforcements (flax), have shown that these types of reinforcement are less compactable than synthetic fiber reinforcements (carbon, glass). Thus, to be able to improve the compaction capacity of these natural reinforcements, it is necessary to choose those whose area density is important, those whose tows are in fiber not in yarn, those which are unidirectional (or quasi UD) rather than woven or bi-bias. In addition, it is necessary to choose a multi-ply sequence rather than single-ply sequence. Faced with a strong need for lightening structures, composite materials are increasingly sought in the industrial sector, particularly in the transport sector. However, composite materials like any other material, in addition to being mechanically efficient, must perform other functions such as damping shock and vibration for good performance in service. To meet this double requirement, one of the solutions is to use the hybridization technique which consists in using within the same composite natural and synthetic fibers at the same time in order to exploit their respective advantages. Respectively because of their rigidity and their damping capacity, the carbon and flax fibers were chosen in the context of this thesis. The characterization of the laminate composite plates manufactured with resin infusion process shows that the carbon composite has better mechanical and microstructural properties while the flax composite offers very interesting damping properties. The results show that hybridization of flax with carbon considerably improves the low mechanical properties of the flax composite and the poor damping properties of the carbon composite. The stacking sequence of layers has a significant influence on the behavior and properties of the hybrid laminates. Our results showed that to have a better microstructure the carbon layers must be put outside. This way of hybridizing also makes it possible to obtain better properties in flexion and shock. By contrast, when the flax layers are placed outside, the hybrid composite has a better damping capacity. This stacking sequence also guarantees a better indentation strength. Thus, the hybrid stacking sequence to choose will depend on the need that is sought to meet. Finally, thanks to an analysis based on classical laminate theory, it has been demonstrated in this thesis that hybrid composite laminates can be dimensioned despite the fact that the constituent layers are of different types with dissimilar properties.