Approches expérimentales et numériques combinées pour comprendre la relation structure-propriété mécanique des fibres et faisceaux de lin

Combined experimental and numerical approaches to understand the structure-mechanical property relationship of flax fibres and bundles

• Auteur / Autrice : Emmanuelle Richely
• Direction : Johnny Beaugrand, Sofiane Guessasma, Franck Callebert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 01/12/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biopolymères, Interactions, Assemblages BIA (Unité de recherche INRA - Université de Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Casari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Charlet, Armelle Chabot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jörg Müssig, Lisbeth Thygesen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Fibres naturelles

Composites

Mots clés libres

Composites biosourcés

Lumen (unité)

Résumé

Parmi les fibres végétales, le lin apparaît comme une alternative particulièrement prometteuse aux fibres synthétiques pour l’industrie des composites. Cependant, un élargissement de son utilisation à l’échelle industrielle est encore entravé par une plus grande variabilité en terme de qualité, inhérente à son origine naturelle. L’objectif de ce travail de thèse est ainsi de mieux comprendre la relation structure-propriété mécanique des fibres et faisceaux de lin, grâce à des approches expérimentales et numériques combinées. En particulier, l'influence de différentes conditions de culture, variétés et paramètres de transformation est abordée par comparaison de lots contrastés en partenariat avec un producteur de lin. L'étude est ensuite axée sur la morphologie complexe des fibres et de leurs porosités internes grâce à la tomographie aux rayons X, révélant une porosité comprise entre 0 et plus de 7% selon la fibre étudiée. L’influence de la porosité sur le module de Young est analysée par éléments finis (EF) dans le domaine élastique. Les concentrations de contraintes locales induites par ces morphologies complexes sont également révélées. Les défauts inhérents aux fibres sont ensuite caractérisés par imagerie et essais mécaniques in situ. La diffraction aux rayons X (Synchrotron Soleil) atteste d’une réorientation des microfibrilles de cellulose de 3 à 24% lors d'essais de traction, selon la densité de défauts et des paramètres expérimentaux. La rigidification qui en résulte est soulignée par un modèle EF, n'expliquant qu'en partie le comportement non-linéaire observé expérimentalement. Des orientations hétérogènes de microfibrilles sont également observées le long des fibres. Enfin, les mécanismes de rupture sont étudiés par des essais de traction in situ avec caméra rapide et tomographie aux rayons X (Synchrotron ESRF). Les résultats apportent des éléments originaux pour mieux comprendre les propriétés des fibres végétales à l'échelle composite. D'autres perspectives de modélisation s’ouvrent afin de prendre en considération les mécanismes d'endommagement complexes et l'influence de la lamelle moyenne à l'échelle du faisceau

Among plant fibres, flax emerges as a promising alternative to synthetic fibres for the composite industry. However, its expansion at a large industrial scale is hindered by greater variabilities typically encountered with natural materials. Therefore, the aim of our study is to better understand the structure-mechanical property relationship of flax fibres and bundles, thanks to combined experimental and numerical approaches. In particular, the influence of different growing conditions, varieties and processing parameters is adressed by comparing contrasted flax in partnership with a flax producer. The study is latter focused on the fibre intricate morphology and internal porosities through X-ray tomography, revealing porosity content between 0 and more than 7% depending on the sample. The influence of the porosity on the Young’s modulus is analyzed by a finite element (FE) model in the elastic domain. Local stress concentrations induced by the intricate morphologies are also revealed. The defects are then characterized by means of imaging techniques and in situ mechanical testing. In particular, Synchrotron X-ray diffraction reveals reorientations of cellulose microfibrils upon tensile testing ranging from 3 to 24%, with behaviours depending of the defect content as well as experimental features. The resulting stiffening is underlined by a FE model, only partly explaining the non-linear behaviour observed experimentally. Heterogeneous microfibril orientations are also observed along the fibres. Finally, the complex failure mechanisms are investigated through in situ tensile testing with high speed camera recording and X-ray tomography (ESRF Synchrotron). The results are of interest to better understand and tailor the properties of plant fibres at the composite scale. Further prospects regarding modelling will take into consideration the complex damage mechanisms and the influence of the middle lamella at the bundle scale