Caractérisation multi-échelle de l'amortissement des matériaux composites à fibres végétales

Multi-scale damping characterization of plant fiber composite materials

• Auteur / Autrice : Taiqu Liu
• Direction : Morvan Ouisse, Vincent Placet, Pauline Butaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 20/01/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Fontaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Morvan Ouisse, Vincent Placet, Pauline Butaud, Stéphane Fontaine, Jean-François Deü, Alain Bourmaud, Yves Gaillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Deü, Alain Bourmaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Composites à fibres

Amortissement (mécanique)

Mots clés libres

Propriétés d’amortissement

Identification de l’amortissement

Composites à base de fibres végétales

Méthode multi-Échelles

Damping properties

Damping identification

Plant fiber composites

Multiscale method

Résumé

Les vibrations et le bruit sont des problèmes inévitables dans les produits d’ingénierie et la vie quotidienne. Il est donc indispensable de connaître les performances d’amortissement des matériaux d’ingénierie et les facteursqui affectent les dites propriétés. Les composites à base de fibres végétales (PFC) sont devenus une nouvelle option lorsqu’il s’agit de trouver un compromis entre l’amortissement et la rigidité. Les recherches actuelles sur l’amortissement sont principalement menées à l’échelle macro scopique et les sources et les mécanismes d’amortissement des composites de fibres végétales sont complexes et encore mal compris.Ainsi, l’objectif de cette de proposer une caractérisation fine et une meilleure compréhension de l’amortissement dans les composites biosourcés à l’aide d’une approche expérimentale multiéchelle. Cette thèse commence par une revue de la littérature sur le comportement d’amortissement des PFC. Ensuite, les influences de nombreux paramètres, y compris les types de matrice et de fibres, l’architecture du renfort, la température, la fréquence et la teneur en humidité sur les propriétés d’amortissement des PFC, sont étudiées sur la base d’une analyse mécanique dynamique (DMA) et d’une analyse modale. Les propriétés d’amortissement des constituants sont également déterminées in situ grâce des des essais en nanoindentation dynamique. Un protocole de chargement à amplitude constant est proposé en alternative à la méthode dynamique traditionnelle de raideur de contact (CSM). Les résultats sont comparés à ceux obtenus par l’analyse mécanique dynamique et méthodes de test modal. Les résultats montrent la contribution de chaque composant (fibre, matrice et interface) sur la dissipation d’énergie. En fin, les propriétés d’amortissement déterminées à ces différentes échelles à l’aide de ces trois techniques expérimentales sont tracées sur une concernant la large gamme de fréquences et de températures.

Vibration and noise are unavoidable problems in engineering products and daily life. Thus, the knowledge of the damping performances of engineering materials and the factors that affect these properties are highly required. Plant fiber composites (PFCs) have become a new option when considering the compromise between damping and stiffness. Current researches on damping are mainly work at the macroscale and the damping sources and mechanisms in plant fiber composites are complex and not fully revealed. Thus, the main objective of this thesis is to provide a better characterization and understanding of damping in PFCs using various experimental techniques at different scales and on a wide range of frequency. This thesis starts with the review of literature on the damping behavior of PFCs. Then, the influences of many parameters including matrix types, fiber architecture, woven pattern, temperature, frequency and moisture content on the damping properties of PFCs are investigated based on dynamic mechanical analysis (DMA) and modal analysis. Furthermore, a constant amplitude method as well as constant stiffness method are used to map the in situ damping properties at the microscale based on grid dynamic Nanoindentation (DNI). These results are then compared to those obtained from dynamic mechanical analysis and modal test methods. The results from DNI show the contribution of each component (fiber, matrix and interface) on energy dissipation. Finally, the damping properties measured using these three experimental techniques at the three different scales are plotted on a wide frequency and temperature range.