Thèse soutenue

Étude tridimensionnelle des phénomènes d'imprégnation de renforts fibreux biosourcés pour matériaux composites
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Auteur / Autrice : Chiara Balbinot
Direction : Pierre DumontLaurent Orgéas
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie mécanique
Date : Soutenance le 21/09/2021
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....)
Jury : Président / Présidente : Chung Hae Park
Examinateurs / Examinatrices : Pierre Dumont, Laurent Orgéas, Chung Hae Park, Sébastien Comas-Cardona, Suzie Protière, Florian Martoïa
Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Comas-Cardona, Suzie Protière

Résumé

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La plupart des procédés de mise en forme des matériaux composites nécessitent une phase d'imprégnation du renfort fibreux par une matrice polymère. L'optimisation de cette phase est cruciale pour éviter l’apparition de défauts tels que la porosité qui peuvent compromettre les propriétés d'utilisation finale des pièces. Celle-ci est encore plus difficile avec des renforts fibreux biosourcés. Il est donc crucial de déterminer la perméabilité des renforts fibreux en fonction de l'évolution de leur microstructure induite par les procédés de mise en forme et de contrôler la propagation du front d'écoulement de la matrice polymère en leur sein. Nous avons ainsi étudié expérimentalement et numériquement l'évolution de plusieurs descripteurs clés de la microstructure de matériaux à base de fibres de lin au cours de leur compaction, en utilisant des images 3D obtenues par microtomographie à rayons X. Ces descripteurs ont été utilisés dans un modèle anisotrope de perméabilité de type Kozeny-Carman modifié. Les prédictions de ce modèle sont en accord avec des résultats de simulations numériques d’écoulements réalisées sur les images 3D. Cependant, dans ce modèle, un paramètre de couplage entre écoulement et microstructure est inconnu et doit être identifié par méthode numérique. Un nouveau modèle tensoriel de perméabilité complètement analytique a ensuite été construit en utilisant pour cela la méthode d'homogénéisation multi-échelles à développement asymptotique. Son originalité est qu'il tient compte des variations de distributions d'orientation des fibres. Sa pertinence a été évaluée à l'aide de résultats de perméabilité obtenus numériquement sur différents réseaux de fibres virtuels ainsi que sur des milieux fibreux réels. Des images 3D ont également été utilisées pour étudier les phénomènes qui se produisent lors de la propagation d'un front d'écoulement de fluide au sein d’un réseau modèle constitué de fibres parallèles. Pour cela, des expériences d'imprégnation in situ ont été réalisées à l'aide de la technique ultra-rapide et à haute résolution de microtomographie à rayonnement synchrotron et d'un dispositif d’imprégnation spécialement développé. Les variations des courbures de l'interface fluide-air, des longueurs des lignes triples et des angles de contact locaux ont été quantifiées à l'aide de procédures d'analyse d'image avancées. Les forces capillaires locales et la pression capillaire ont ainsi été mesurées pendant la propagation du front d'écoulement. Ces résultats originaux permettront d'améliorer des modèles d'imprégnation théoriques et numériques dédiés aux milieux fibreux.