Comprendre les propriétés mécaniques du lin pour les composites de demain : étude micro-numérique de l'impact des défauts sur les fibres élémentaires et mise en oeuvre d'un renfort fibres longues pour l'impression 3D

Understanding the mechanical properties of flax for tomorrow's composites : micro-numerical study of the impact of defects on elementary fibres and design of a long-fibre reinforcement for 3D printing

• Auteur / Autrice : Delphine Quereilhac
• Direction : Pierre Ouagne, Emmanuel De Luycker
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 28/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Sofiane Guessasma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Ouagne, Emmanuel De Luycker, Sofiane Guessasma, Chung Hae Park, Olivier Dalverny, Svetlana Terekhina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Placet, Karine Charlet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lin

Green New Deal

Mots clés libres

Fibres naturelles

Microtomographie

Analyse élement finis

Composites biosourcés

Impression 3D

Natural fibres

Microtomography

Finite element analysis

Biobased composites

3D printing

Résumé

Le contexte environnemental actuel en Europe et en particulier la politique du « green deal » encourage à utiliser le maximum de ressources durables. Ainsi ces dernières années, les renforts composites constitués à partir de fibres végétales ont gagné en visibilité et en emprise sur le marché. En 2020, l’Institut Nova estimait la production européenne de composite biosourcés à 480 000 tonnes, parmi lesquels les composites renforcés par des fibres végétales (hors bois), représentaient près de 9% de ce tonnage. Différents types de fibres végétales sont utilisées comme des alternatives intéressantes aux fibres synthétiques. Parmi elles, le lin se révèle être un choix prédominant, car ses remarquables propriétés mécaniques et en particulier son module élastique, se rapprochent fortement de celles de la fibre de verre majoritairement employée aujourd’hui. Une analyse de cycle de vie a souligné les avantages environnementaux en comparaison avec les fibres de verre, sans compter que c’est un matériau majoritairement produit localement en Europe. Cependant, leur utilisation a une échelle plus large, pour des produits semi-structurels par exemple, est entravée par plusieurs facteurs dont la difficulté de prédire une qualité et donc des performances mécaniques stables, ainsi qu’une mise en œuvre composite encore partiellement exploitée. C’est dans ce contexte que le projet ANR FLOEME s’inscrit, pour Exploring the defects generated by flax fibre processing from field to composite industry 4.0 : an integrative approach to optimise long fibre 3D printing. Le projet a commencé en 2021 et implique 6 partenaires (les laboratoires de recherche LGP Tarbes, Université de Bretagne Sud Lorient, INRAE BIA Nantes, LEM3 Metz, CIMAP Alençon, ainsi que le partenaire industriel Van Robaeys Frères). Tout d’abord, la thèse s’est concentrée sur la caractérisation à échelle microscopique des défauts de type kink-bands. La littérature a démontré qu’ils apportaient une désorganisation de l’ultrastructure de la fibre, et en particulier de la couche appelée S2 (G) qui représente 80% de la section de la fibre et lui confère une grande partie de ses propriétés mécaniques. Grace à des scans de tomographie rayons X réalisés au Synchrotron SOLEIL sur la ligne de lumière Anatomix, de nouvelles images des pores générés au niveau des défauts ont été acquises. L’analyse du placement et de la morphologie des pores a permis de faire le lien entre leur présence et la couche S2 (G), montrant qu’ils étaient situés à l’interface de deux couches de microfibrille de cellulose. Ces mêmes images reconstruites en 3D ont ensuite été maillées pour effectuer une analyse Élément Finis. En incorporant un modèle linéaire élastique isotrope, un déplacement de tension a été imposé dans la longueur de la fibre afin de mettre en évidence l’impact des pores sur la réponse mécanique de la fibre. Il est apparu que les défauts concentrent fortement les contraintes localement, et sont donc un lieu privilégié pour l’amorce d’une fissure, et potentiellement la propagation d’une rupture à l’échelle composite.

Following the prevailing tendency towards the utilisation of more sustainable resources, composite reinforcements derived from plant fibres witnessed a notable increase in visibility and market share in recent years. In 2020, the Nova Institute estimated the European production of biobased composites at 480,000 tonnes, of which plant fibres (excluding wood) accounted for approximately 9%. A variety of plant fibres are emerging as promising alternatives to synthetic fibres. Among them, flax is a predominant choice, as its notable mechanical properties, and particularly its elastic modulus, are highly comparable to those of glass fibre, the fibre most commonly utilised in the present era. The environmental benefits of plant fibres in comparison to glass fibres have already been highlighted by life-cycle analysis. Furthermore, flax is mainly produced locally in Europe. Nevertheless, the broader utilisation of these materials for semi-structural products is constrained by several factors, including the challenge of accurately anticipating consistent quality and mechanical performance, and the reality that composite processing remains only partially exploited. This context forms the basis of the FLOEME ANR project, which stands for Exploring the defects generated by flax fibre processing from field to composite industry 4.0: an integrative approach to optimise long fibre 3D printing. The project started in 2021 and comprises six partners, namely the research laboratories LGP Tarbes, UBS Lorient, INRAE BIA Nantes, LEM3 Metz, CIMAP Alençon, and the industrial partner Van Robaeys Frères. The initial focus of the thesis was on the microscopic characterisation of kink-band defects. The existing literature has demonstrated that these defects result in the disorganisation of the fibre's ultrastructure, particularly of the layer designated as S2 (G), which constitutes 80% of the fibre's cross-section and is mainly responsible for its mechanical properties. To this end, X-ray tomography scans were conducted at the SOLEIL Synchrotron on the Anatomix beamline, thereby facilitating the acquisition of new images of the pores generated by the defects. The analysis of the placement and morphology of the pores enabled us to establish a link between their presence and the S2 (G) layer. This demonstrated that the pores were situated at the interface between two layers of cellulose microfibrils. The 3D reconstructed images were subsequently meshed for finite element analysis. An isotropic linear elastic model was employed to impose a tensile force along the length of the fibre, thereby elucidating the influence of the pores on the mechanical response of the fibre. It was determined that defects concentrate stresses locally, thereby creating an optimal environment for the initiation and potential propagation of cracks and failure on a composite scale. The thesis also investigated the potential of using long flax fibres in 3D printing, with the aim of contributing to the development of new applications for flax. The issues commonly encountered in the additive printing of long plant fibres can be attributed to the lack of resin impregnation at the core of the yarn and the weak fibre-matrix interface, which is primarily caused by the presence of twisted fibres. In light of these considerations, the optimised yarn was manufactured from a combination of commingling and wrapping technologies, resulting in a structure comprising an intimate mixture of flax and resin, held together by a resin filament to avoid the typical twisting employed during spinning. This yarn was subsequently printed in collaboration with the LAMPA laboratory at ENSAM in Angers, with the objective of producing composite specimens and demonstrating the advantages of an optimised fibre structure.