Caractérisation expérimentale et numérique du comportement mécanique des agro-composites

363 Pages·2014·17.58 MB·French

by  Florent Ilczyszyn

Thèse
de doctorat

de l’UTT
Florent ILCZYSZYN
Caractérisation expérimentale
et numérique du comportement
mécanique des agro-composites
renforcés par des fibres de chanvre
Spécialité :
Systèmes Mécaniques et Matériaux
2013TROY0016 Année 2013
THESE

pour l’obtention du grade de

D de l’U
OCTEUR NIVERSITE

T T
DE ECHNOLOGIE DE ROYES

Spécialité : SYSTEMES MECANIQUES ET MATERIAUX

présentée et soutenue par

Florent ILCZYSZYN

le 19 juillet 2013

Caractérisation expérimentale et numérique
du comportement mécanique des agro-composites renforcés
par des fibres de chanvre

JURY

M. C. BALEY PROFESSEUR DES UNIVERSITES Président
Mme A. BERGERET PROFESSEUR DES UNIVERSITES Rapporteur
Mme K. CHARLET MAITRE DE CONFERENCES Examinateur
M. A. CHEROUAT PROFESSEUR DES UNIVERSITES Directeur de thèse
M. L. GUILLAUMAT PROFESSEUR DES UNIVERSITES Rapporteur
M. G. MONTAY MAITRE DE CONFERENCES - HDR Directeur de thèse

Remerciements

Remerciements

Cette thèse s’est déroulée au sein du Laboratoire des Systèmes Mécaniques et
d’Ingénierie Simultanée (LASMIS) de l’Université de Technologie de Troyes (UTT).
J’adresse mes remerciements à M. Manuel François directeur du laboratoire et aux
membres qui le composent pour m’avoir accueilli au sein de leur équipe et permis
d’effectuer ce travail de recherche.

Je tiens à remercier tout particulièrement mes directeurs de thèse, M. Abel Cherouat
et M. Guillaume Montay qui m’ont encadré et apporté leur savoir et leur aide tout au
long de cette thèse. Je tiens à leur témoigner ma reconnaissance pour m’avoir permis
de réaliser ce travail de recherche. Je remercie aussi M. Xiao Lu Gong d’avoir
orienté nos recherches et M. Shuai Jin qui a effectué ces travaux de recherche sur la
même thématique et avec qui j’ai beaucoup échangé et partagé.

Cette thèse s’intègre dans un projet global MAîtrise des PROpriétés des FIbres de
chanvre industriel dans le cadre de valorisations en agro-composites base polymère
(MAPROFI), regroupant des acteurs de l’Université de Lille et de l’INRA de Reims
ainsi que les entreprises FRD (Fibres Recherches Développement) et AFT plasturgie.
Je tiens à leur témoigner ma gratitude pour leurs échanges et débats. Je remercie la
société FRD pour nous avoir fourni les matériaux et les échantillons étudiés.
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Table des matières

Table des matières
REMERCIEMENTS............................................................................................................................1
TABLE DES MATIERES...................................................................................................................3
ABSTRACT..........................................................................................................................................5
RESUME...............................................................................................................................................6
INTRODUCTION................................................................................................................................8
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART....................................................................................................14
Partie I . Les agro-composites................................................................................................16
Partie II . Les fibres végétales et les fibres de chanvre.......................................................26
Partie III . Caractérisation et comportement mécaniques des fibres de chanvre.................43
Partie IV . Les agro-composites à base polymère renforcés par des fibres naturelles comme
matériaux techniques..................................................................................................................67
CHAPITRE II : COMPORTEMENT MECANIQUE DES FIBRES DE CHANVRE.........................................78
Partie I . Matériaux et méthodes.............................................................................................80
Partie II . Méthode de caractérisation géométrique des fibres de chanvre.........................91
Partie III . Comportement mécanique des fibres de chanvre................................................98
Partie IV . Influence des conditions de culture (apport d’eau supplémentaire et densité de
semis plus importante)..............................................................................................................124
Partie V . Influence de la géométrie et des défauts naturels de la fibre sur ces propriétés
mécaniques 145
CHAPITRE III : COMPORTEMENT MECANIQUE DES COMPOSITES PP / CHANVRE...........................162
Partie I . Caractérisation du comportement mécanique des composites..............................164
Partie II . Influence des conditions de culture et de l’année de récolte sur les propriétés
mécaniques des composites......................................................................................................192
Partie III . Influence du processus de fabrication et des paramètres d’essai.....................211
Partie IV . Etude du comportement local à l’aide de la corrélation d’image....................225
CHAPITRE IV : MODELISATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES FIBRES DE CHANVRE.......257
Partie I . Acquisition des données géométriques de la fibre et reconstruction 3D de la
géométrie 260
Partie II . Modélisation du comportement mécanique des fibres unitaires.......................272
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES.........................................................................................302
RÉFÉRENCES :...............................................................................................................................308
TABLE DES FIGURES...................................................................................................................316
TABLE DES TABLEAUX..............................................................................................................326
ANNEXES:.......................................................................................................................................330
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Abstract

Abstract

Biocomposites have some physical, mechanical, environmental and economical benefits.
These materials are a composition of natural fibres or an assembly of synthetic or
biopolymer matrix reinforced by natural fibres. In the near future, the utilization of this
renewable material will become an important issue. In the global industrial market, this
kind of material facilitates the development of natural local resources. To achieve this
economical, industrial and scientific goal, a deep understanding of natural fibres
reinforced polymer must be developed. Knowledge of natural fibres at macroscopic
(composite), mesoscopic (fibre bundle) and microscopic (unitary fibre) is essential.
In this thesis, fibres extracted from hemp plant and biocomposites polypropylene
reinforced by short hemp fibres were investigated. Some specific experimental studies
coupled to numerical modelling have enabled to determine and understand their
mechanical behaviour. Microscopic experimental method has enabled to characterize the
unitary fibre behaviour independently of fibre bundles. Moreover fibre modelling has
allowed to take into account its geometrical uniqueness.
Caused by their vegetated origins, hemp unitary fibres and bundles present a complex
morphology and structure which have an impact on the mechanical properties and
behaviour of natural fibres. Studies carried out took in light the effect of the growing
conditions and hemp variety on the fibre mechanical properties. It showed also the
influence of the fibre geometry on the characterization of properties. Additional studies
revealed the mechanical behaviour of natural defects.
About the biocomposite, others optical and macroscopic experimental characterization
methods was used in order to determine the behaviour of a polypropylene reinforced by
hemp fibres. The imaging correlation method coupled to standard characterization testes
allowed to analyse the local behaviour showing the heterogeneity of this natural material.
Moreover, complementary work showed the impact of the fibre distribution on the
composite behaviour at the crack and rupture time.
These thesis works are integrated in a global research and innovation project. MAPROFI
project incorporate some industrials and university researchers which have different
scientific expertises. The goal of this project is to pool the skills to highlight the
utilisation of composites based on natural hemp fibres.
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Résumé

Les agro-composites présentent de nombreux avantages physico-chimiques,
mécaniques, environnementales et économiques. Ces matériaux sont un assemblage
de fibres naturelles noyées dans une matrice polymère synthétique ou bionaturelle
renforcée. L’utilisation des ces agro-matériaux est devenue un enjeu majeur et le sera
encore plus dans un avenir proche et à long terme. Pour pouvoir atteindre cet objectif
économique, industriel et scientifique, une compréhension affinée et une maitrise
pointue des fibres naturelles seules et des agro-composites doivent être développées à
différentes échelles. Une connaissance à l’échelle macroscopique (composite),
mésoscopique (faisceau de fibre) et microscopique (fibre unitaire) est alors
indispensable.

Dans les travaux de cette thèse, les fibres extraites de la plante de chanvre et les agro-
composites polypropylène – fibres courtes de chanvre ont été étudiés. Des analyses
expérimentales spécifiques alliées à une modélisation numérique ont permis de
déterminer et comprendre leur comportement mécanique. Des méthodes de
caractérisation à l’échelle microscopique ont permis de caractériser le comportement
des fibres unitaires des faisceaux. Une modélisation de la fibre a permis de prendre
en compte ses particularités géométriques et d’en étudier ses effets.

De part leur nature, les fibres unitaires et les faisceaux de chanvre ont une structure,
une forme et une composition complexe influençant leur comportement et leurs
propriétés mécaniques. Les études menées dans le cadre de cette thèse ont montré
l’influence des conditions de culture et de la variété de chanvre sur les propriétés des
fibres. Elles ont aussi mis en évidence l’impact de la géométrie réelle des fibres sur
leurs propriétés mécaniques. D’autres études complémentaires ont mis en lumière
l’influence des défauts naturels et la taille des fibres.