Thèse soutenue

Étude du comportement mécanique des composites stratifiés fibres de verre/Elium acrylique contenant des nanoparticules

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Auteur / Autrice : Alexis Kouassi
Direction : Rodrigue Matadi BoumbimbaMoustapha Karam Sangaré
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des matériaux
Date : Soutenance le 15/02/2024
Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Institut National Polytechnique Félix Houphouët-Boigny (Yamoussoukro, Côte d'Ivoire)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
Jury : Président / Présidente : Marion Martiny-Weitig
Examinateurs / Examinatrices : Rodrigue Matadi Boumbimba, Moustapha Karam Sangaré, Koffi Léon Konan, Nadia Bahlouli, Yao Koutsawa, Akoua Philomène Kouassi-Yao, Ekoun Paul Magloire Koffi
Rapporteurs / Rapporteuses : Koffi Léon Konan, Nadia Bahlouli

Résumé

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Les matériaux composites stratifiés fibres de verre/matrice polymère bénéficient d'un bon comportement mécanique provenant de l'adhésion fibres-matrice. Ces matériaux qui ne détiennent que des propriétés mécaniques sont sujets à des endommagement précoces lorsqu'ils sont sollicités. L'ajout des nanoparticules (nanocharges) aux cotés des fibres de verre contribue à améliorer non seulement les propriétés mécaniques des matériaux composites stratifiés mais permet également de leurs procurer d'autres propriétés (électriques, thermiques, etc.) selon la nanoparticule utilisée. Ce travail de thèse porte sur l'étude du comportement mécanique des composites stratifiés hybrides fibres de verre/Elium Acrylique contenant des nanoparticules de montmorillonite modifiée (MMT), des copolymères à blocs « Nanostrengths® M53 » ou encore des nanotubes de carbone multi-parois « Graphistrength® CW2-LA1 (MWCNTs) ». A travers deux approches, l'une expérimentale et l'autre de modélisation multi-échelle, nous avons étudié l'effet de l'ajout des nanoparticules sur les propriétés élastiques, électrique et sur la tenue à l'impact basse vitesse. L'homogénéisation multi-échelle par éléments finis (FEH) au moyen du code commercial Digimat-FE et la simulation numérique par le logiciel Abaqus, nous ont respectivement permis de déterminer les propriétés effectives des composites stratifiés et de prédire leurs tenues à l'impact basse vitesse. D'après les résultats expérimentaux, le module d'Young baisse avec l'augmentation de la fraction massique des Nanostrength® M53. A une fraction massique de 10 %, une baisse du module d'Young du nanocomposite Nanostrength/Elium acrylique de l'ordre de 9,5 % a été observée. Cette baisse du module d'Young se situe à environ 17 % pour le composite stratifié fibres de verre/Elium acrylique modifié Nanostrength, du fait de la tortuosité des torons qui représente les défauts des tissus de verre de type taffetas. On note cependant pour ces mêmes composites une très bonne tenue à l'impact basse vitesse, caractérisée par une diminution de l'énergie absorbée et une augmentation de l'effort maximal. Dans le cas de l'ajout de montmorillonite, une hausse d'environ 7 % du module d'Young a été observé pour une fraction massique de 5 %. Pour ces derniers, la forme des nanoparticules semble ne pas avoir un effet sur les propriétés élastiques effectives contrairement à l'état de dispersion et au facteur de forme des nanoparticules de MMT. Les propriétés mécaniques et électriques augmentent en présence des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTs). Le module d'Young a augmenté d'environ 15,50 % pour une fraction massique de 2,5 % en MWCNTs et on note également une augmentation significative de la résistance à l'impact et du seuil de pénétration qui est situé à 76,65 J pour 1 % en MWCNTs. La conductivité électrique du composite a augmenté jusqu'à 680,07 % pour 3,5 % en MWCNTs. Ces améliorations exceptionnelles proviennent des nanotubes de carbone qui disposent à la fois d'un facteur de forme et un module d'Young très élevés. Pour tous les composites hybrides étudiés, la prédiction des propriétés élastiques effectives et la tenue à l'impact basse vitesse sont en accord avec les données expérimentales.