Développement, caractérisation et optimisation de composites durables avec une structure sandwich avancée

Development, characterization and optimization of sustainable green composites with advanced sandwich structure

• Auteur / Autrice : Chen Chen
• Direction : Xavier Legrand, Peng Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix) - Génie et Matériaux Textiles / GEMTEX
• Jury : Président / Présidente : Nahiène Hamila
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Buet Gautier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre-Jacques Liotier, Samir Allaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Non-tissés

Propriétés mécaniques

Composites

Matériaux sandwichs

Mots clés libres

Sandwich composite

Non-Tissé

Piquage

Propriétés mécaniques

Sandwich composite

Nonwoven

Tufting

Mechanical properties

Résumé

Les sandwiches composites se composent normale ment de deux peau x au x propriétés mécaniques élevées et d’une couche d’âme légère qui subit principalement le cisaillement. En raison de leur avantage sur la réduction de poids et l’augmentation de rigidité, ils sont utilisés dans de nombreuses industries, telles que la construction, l'automobile, le sport et l'aérospatiale. A la demande d'être léger, la mousse polymère est l'un des matériau x d'âme les plus courants. Développé à base de la structure stratifiée traditionnelle, le sandwich présente le même problème de délaminage causé par les faibles propriétés mécaniques de l'interface entre l'âme et la peau. La méthode courante consiste à insérer le renfort à travers l'épaisseur du sandwich, ce qui a été validé avec succès pour améliore r la résistance au cisaille ment et à la flexion. Un certain nombre de procédés ont été proposés et développés tels que le z-pinning, le tissage 3D, la couture et le piquage. Comparé au x autres techniques, le piquage présente une efficacité p lus élevée et un coût moindre. Un autre mécanisme de défaillance commun est la rupture de l'âme en mousse en raison de ses propriétés mécaniques plus faibles que les peaux composites. Cependant, les gains de la mousse pour réduire le poids du composite sont considérables. Ainsi, le non -tissé est adopté comme substitut en raison de ses meilleures performances mécaniques que la mousse polymère et une densité inférieure à celle des peaux de tissu. Cette adoption est d'abord validée en utilisant des matières premières en fibre de carbone. L'influence de la couche non -tissé et du fil de piquage est étudiée sous des charges de cisaille ment, de compression et de flexion. Le non -tissé et le fil de piquage sont capables d'améliorer efficace ment les propriétés mécaniques du sandwich composite. Ces dernières années, les exigences environnementales de plus en plus strictes ont incité les chercheurs à développer des sandwiches composites écologiques. Après avoir vérifié la faisabilité de l'ajout d'une couche de non -tissé, la nouvelle structure est réalisée en utilisant des renforts en fibre de lin car elle présente des propriétés mécaniques norma le ment plus élevées parmi les fibres naturelles. Et la bio résine époxy est sélectionnée pour fabrique r le sandwich composite écolos

Sandwich composites normally consist of two skins with high mechanical properties and a lightweight core that undergoes mainly the shear loading. They are employed in many industries, such as construction, automotive, sportsand aerospace, due to their advantage in weight saving and stiffness. At the request of being lightweight, poly merfoam is one of the most common core materials. Developed on the base of traditional laminate, the sandwichcomposite presents the same delamination problem caused by the weak mechanical properties of the interfacebetween the core and the skin. The co mmon method is ins erting the reinforcement through the thickness of thesandwich, wh ich has been successfully validated to improve the shear and bending strength and stiffness. A numberof processes have been proposed and developed such as z-pinning, 3D weav ing, stitching and tufting. Co mpared withthe other techniques, tufting presents a higher efficiency and less cost. Another common failure mechanis m is therupture of the crack of foam core because of its lower mechanical propert ies than composite skins. However, thegains of foam to reduce the weight of co mposite are considerable. Thus, the nonwoven is adopted as a substitute dueto its better mechanical perfo rmance than poly mer foam and lower density than weaving skins. This adoption is firstvalidated by using carbon fiber raw materials. The influence of nonwoven layer and tufting thread are investigatedunder shear, compression and bending loadings. Both nonwoven and tufting threads are capable of effectivelyenhancing the mechanical properties of the sandwich composite . In recent years, increasingly stringentenvironmental requirements have prompted researchers to develop green sandwich co mposites. After verifying thefeasibility of adding nonwoven layers, the novel sandwich structure is realized by using flax fiber rein forcementsbecause the flax fiber exh ibits normally higher mechanical properties among the natural fibers. And bio based epoxyresin is selected to replace epoxy resin and fabricate the green sandwich composite