Couplage procédé / propriétés mécaniques des matériaux sandwiches Métal / Composite hybride à base de tissus en jute

Coupling process / mechanical characterization of sandwich materials Metal / Hybrid composite based on jute fabrics

• Auteur / Autrice : Muzzamal Hussain
• Direction : Abdellatif Imad, Abdelghani Saouab
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil
• Date : Soutenance le 19/02/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de Mécanique de Lille - Joseph Boussinesq - Unité de Mécanique de Lille - ULR 7512 / UML
• Jury : Président / Présidente : Bruno Castanié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yasir Nawab, Toufik Kanit
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bruno Castanié, Karine Charlet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stratifiés

Résines époxydes

Polypropylène

Jute

Composites -- Délaminage

Propriétés mécaniques

Composites tissés

Mots clés libres

Laminé fibro-métallique

Poly(butyral vinylique)

Aluminium anodisé

Mechanics

3D woven

Fiber metal laminate

Sandwich

Natural fibre

Résumé

Dans cette étude, les propriétés mécaniques des FML renforcés de jute tissé 3D et hybrides de jute tissé 3D renforcé ont été étudiées. Le renfort tissé 3D à quatre couches a été fabriqué avec du fil de jute en utilisant quatre types de motifs imbriqués, par ex. Orthogonal Through Thickness OTT et Orthogonal Layer to Layer OLL imbriqué. La technique d'infusion sous vide a été utilisée pour la fabrication de FML avec renfort en jute tissé 3D. Après l'optimisation du renforcement tissé 3D, les FML renforcés hybrides ont été développés dans lesquels le tissu tissé OTT 3D a été pris en sandwich entre une peau tissée 2D. Quatre types de fibres différents ont été utilisés pour fabriquer une peau tissée 2D, par ex. jute, aramide, carbone et verre tandis que trois types différents de matrice ont été utilisés, par ex. époxy, PVB et PP. La presse à chaud par compression a été utilisée pour développer des FML hybrides renforcés. L'aluminium utilisé pour fabriquer tous les FML a été anodisé avant d'être utilisé pour la fabrication. Les propriétés adhésives ont été étudiées pour vérifier la qualité du traitement de surface, la liaison métal-composites et l'effet des fibres et de la matrice. Les propriétés monotones et dynamiques ont également été étudiées. Les propriétés adhésives ont été caractérisées à l'aide de tests de pelage en T et de pelage au rouleau flottant. Les propriétés monotones ont été analysées à l'aide d'essais de traction et de flexion. Les performances d'impact à faible vitesse ont été déterminées en utilisant un test d'impact à faible vitesse. Les résultats ont montré que la surface en aluminium anodisé avait une énergie libre de surface élevée, de sorte que le meilleur mouillage de l'aluminium peut être obtenu par anodisation par rapport à d'autres types de préparations de surface. Les résultats de l'analyse du collage ont montré que les propriétés de délaminage étaient principalement influencées par la nature du matériau adhésif plutôt que par le type de structures de renforcement. La nature de la matrice influence également le type de défaillance car avec l'époxy, la défaillance dominante était cohésive tandis qu'avec la matrice thermoplastique, elle s'est transformée en défaillance adhésive et intra-laminaire. La plasticité et la ductilité de la matrice ont plus influencé les propriétés finales que le type de rupture, malgré la rupture cohésive de l'époxy, la matrice thermoplastique avait plus de force de délamination. Les propriétés de traction et de flexion des FML renforcées de jute tissé OTT 3D étaient supérieures à celles des FML renforcées tissées OLL 3D en raison de la fraction de volume de métal plus élevée, ce qui était possible grâce à une construction plus serrée du tissu OTT. Les propriétés de traction et de flexion des composites hybrides renforcés et des FML ont été influencées par le type de matrice et le matériau de la peau 2D. Les propriétés globales plus élevées ont été obtenues avec une matrice époxy suivie d'une matrice PVB. Les FML à base de PVB ont montré que leurs propriétés étaient comparables à celles de l'époxy. Le test de flexion a montré que les FML hybrides à base de PP échouaient prématurément en raison d'une délamination entre la peau synthétique et l'âme tissée 3D. L'époxy et le PVB ont montré une meilleure imprégnation du renfort contrairement au PP dans lequel seul un verrouillage mécanique a été observé. Les propriétés d'impact dynamique des composites hybrides et des FML ont montré que les caractéristiques de dissipation d'énergie étaient influencées par la matrice et l'hybridation du renforcement.

In current study the mechanical properties of 3D woven jute reinforced and hybrid 3D woven jute reinforced FMLs were investigated. The four-layered 3D woven reinforcement was made with jute yarn using four types of interlocking patterns e.g. Orthogonal Through Thickness OTT and Orthogonal Layer to Layer OLL interlocking. The vacuum infusion technique was used for the fabrication of FMLs made with 3D woven jute reinforcement. After the optimization of 3D woven reinforcement the hybrid reinforced FMLs were developed in which OTT 3D woven fabric was sandwiched between 2D woven skin. Four different kinds of fibres were used to make 2D woven skin e.g. jute, aramid, carbon, and glass while three different kinds of matrix were employed, e.g. epoxy, PVB and PP. The compression hot press was used to develop hybrid reinforced FMLs. Aluminium used to make all FMLs was anodized before using for fabrication. The adhesive properties were investigated to check the quality of surface treatment, metal-composites bonding and effect of fibres and matrix. Both monotonic and dynamic properties were also investigated. The adhesive properties were characterized using t-peel and floating roller peel tests. The monotonic properties were analyzed using tensile and flexural tests. The low velocity impact performance was determined using drop weight low velocity impact test. The results showed that the anodized aluminium surface had high surface free energy so the better wetting of aluminium can be achieved by anodizing as compared to other type of surface preparations. The adhesive bonding analysis results showed that the delamination properties were mainly influenced by the nature of adhesive material rather than the type of structures of reinforcement. The nature of the matrix also influences the type of failure as with the epoxy the dominant failure was cohesive while with thermoplastic matrix it changed to adhesive and intra-laminar failure. The plasticity and ductility of matrix influenced the final properties more than the type of failure, in spite of cohesive failure of epoxy the thermoplastic matrix had more delamination force. The tensile and flexural properties of OTT 3D woven jute reinforced FMLs were higher than the OLL 3D woven reinforced FMLs due to the higher metal volume fraction, this was possible due to tighter construction of OTT fabric. The tensile and flexural properties of hybrid reinforced composites and FMLs were influenced by the type of matrix and material of 2D skin. The overall higher properties were achieved with an epoxy matrix followed by PVB matrix. The PVB-based FMLs showed that their properties were comparable with the epoxy. The flexural test showed that hybrid FMLs based on PP were failed prematurely due to delamination between synthetic skin and 3D woven core. Both epoxy and PVB showed better impregnation of the reinforcement unlike PP in which only mechanical interlocking was seen. The dynamic impact properties of hybrid composites and FMLs showed that the energy dissipation characteristics were influenced by matrix and hybridization of reinforcement.