Analyse du comportement mécanique, de la déformabilité et des structures fibreuses non-tissées

Analysis of mechanical behavior, deformability and fibrous nonwoven structures

• Auteur / Autrice : Aida Harbaoui
• Direction : Damien Soulat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX - Laboratoire de Génie et Matériaux Textiles

Mots clés

Mots clés libres

Propriétés mécaniques

Fibres naturelles

Fibres de carbone recyclées

Anisotropie

Caractérisation

Mechanical properties

Natural fibers

Recycled carbon fibers

Characterization

Résumé

Les structures fibreuses non tissées sont reconnues pour son faible coût de production, et pour certaines applications, y compris dans le transport pour leurs propriétés mécaniques et acoustiques. Leurs technologies de fabrication sont adaptées à l'utilisation de fibres naturelles ou de fibres de carbone recyclées (rCF), qui se caractérisent par des longueurs finies, et permettent d'obtenir des structures non tissées à des solutions économiques et durables. Cependant, la déformabilité de ces structures fibreuse lors des sollicitations en traction et/ou lors du l'étape de préformage, première phase des procédés RTM reste mal comprise. Les structures non-tissés sont constituées de fibres de longueur discrète qui sont réparties de manière aléatoire dans le plan de la structure. Selon les techniques de consolidation (mécanique ou thermique) ces fibres forment un réseau réticulé ou entrelacé. La littérature montre en traction un comportement anisotrope, caractérisé par des grandes déformations. Les structures non-tissés dans ces travaux de thèse porte sur des structures cardées et consolidées mécaniquement par la procédure d'aiguilletage, élaboré à partir de fibres de lin ou de carbone recyclées. Dans ce type de structures, sous sollicitation, les fibres se ré-alignent, glissent et pivotent aux points d'interaction entre elles avant la destruction du non-tissé (par déchirure). La compréhension de la réponse mécanique de cette structure stochastique en fonction des propriétés morphologique, physique et mécanique des fibres constituantes permettra l'optimisation de la conception et la fabrication de non-tissé. Ces travaux de thèse se concentreront sur cette problématique à travers des campagnes de caractérisation expérimentale aux différentes échelles de la structure : microscopique (échelle des fibres) et macroscopique (échelle du non-tissé). La caractérisation à l'échelle des fibres concerne la mesure de la morphologie des fibres : longueur, ondulation, diamètre ainsi que la mesure des propriétés mécaniques des fibres grâce au test de traction des fibres unitaires. La mesure pourra être étendue afin d'identifier les propriétés de frottement entre les fibres. Les outils d'analyse statistiques comme le modèle de Weibul seront appliqués pour analyser les caractéristiques des fibres individuelles pour une large gamme de propriétés morphologique et mécanique. La caractérisation à l'échelle de l'étoffe non-tissé concerne la mesure des propriétés physiques incluant l'identification de la distribution de l'orientation des fibres qui impacte l'anisotropie de la réponse mécanique de la structure. La mesure des propriétés mécaniques en traction et flexion sera investiguée afin de faire le lien avec la déformabilité lors des étapes de mise en forme. Ce comportement lors de la mise en forme des non-tissés sera étudié en fonction des paramètres du procédé (pression serre-flan, géométrie poinçon). L'analyse expérimentale des défauts de type déchirure, et de leur propagation, lors des essais de traction et de mise en forme constituera une phase de ces travaux de thèses, et sera étudiée à l'aide de méthodes d'analyse d'images utilisées à différentes échelles. Enfin en fonction de l'avancement des travaux, l'utilisation des structures non-tissés en tant que matériau de cœur des structure sandwich composite pourra être investiguée en perspective de ce travail de thèse. La réponse en flexion de ces structures sandwich, avec des tissus en peux apportera des réponses sur les potentialités d'utilisation des fibres techniques, sous forme de non-tissés, dans les applications de transport.

Non-woven fibrous structures are recognized for their low production cost and, for certain applications, including in the transportation sector, for their mechanical and acoustic properties. Their manufacturing technologies are well-suited for the use of natural fibers or recycled carbon fibers (rCF), which are characterized by finite lengths, allowing for economical and sustainable non-woven structures. However, the deformability of these fibrous structures under tensile loading and/or during the preforming stage, the first phase of Resin Transfer Molding (RTM) processes, remains poorly understood. Non-woven structures consist of discrete-length fibers randomly distributed within the structure's plane. Depending on the consolidation techniques (mechanical or thermal), these fibers form a reticulated or interlaced network. The literature shows an anisotropic behavior in tensile loading, characterized by significant deformations. This thesis focuses on non-woven structures made from carded fibers and mechanically consolidated through the needling process, using either flax or recycled carbon fibers. In such structures, under loading, fibers realign, slide, and pivot at interaction points before the non-woven's destruction (through tearing). Understanding the mechanical response of this stochastic structure in relation to the morphological, physical, and mechanical properties of the constituent fibers will enable the optimization of non-woven design and manufacturing. This thesis work will concentrate on this issue through experimental characterization campaigns at various structure scales: microscopic (fiber scale) and macroscopic (non-woven scale). Fiber-scale characterization involves measuring fiber morphology, including length, waviness, and diameter, as well as the mechanical properties of individual fibers through single-fiber tensile tests. The measurement may be extended to identify frictional properties between fibers. Statistical analysis tools such as the Weibull model will be applied to analyze individual fiber characteristics over a wide range of morphological and mechanical properties. Non-woven-scale characterization concerns measuring physical properties, including identifying the distribution of fiber orientation, which impacts the anisotropy of the mechanical response of the structure. Measurement of mechanical properties in tension and flexion will be investigated to establish a connection with deformability during forming stages. This behavior during non-woven forming will be studied based on process parameters (clamp pressure, punch geometry). Experimental analysis of tear-type defects and their propagation during tensile and forming tests will be a phase of this thesis work and will be studied using image analysis methods at various scales. Finally, depending on progress, the use of non-woven structures as the core material of composite sandwich structures may be explored in the context of this thesis work. The flexural response of these sandwich structures, with skin fabrics, will provide insights into the potential use of technical fibers, in the form of non-wovens, in transportation applications.