Analyse en service de la durabilité à long terme des biocomposites en environnement marin

par Guilherme Apolinario Testoni

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Jean-Marc Haudin et de Patrick Ienny.

Le président du jury était Stéphane Fontaine.

Le jury était composé de Jean-Marc Haudin, Patrick Ienny, Stéphane Fontaine, Peter Davies, Jean-François Chailan, Karine Charlet, Stéphane Corn, Romain Léger.

Les rapporteurs étaient Peter Davies, Jean-François Chailan.


  • Résumé

    Ce travail a pour objectif d'analyser l'utilisation des fibres de lin en substitution aux fibres de verre dans les composites destinés au secteur du nautisme. Cette substitution nécessite une meilleure compréhension du cycle de vie des composites depuis la sélection des matériaux, incluant le procédé de mise en œuvre et jusqu'à leur vieillissement hydrique, principalement sous conditions réelles en service (exposition à l'eau, à la température et aux sollicitations mécaniques). Une étude préliminaire a été consacrée à la sélection des matériaux (tissus de fibre de lin et résine polyester) et à la comparaison entre deux procédés de fabrication des composites (infusion sous vide et thermocompression) sur la base de leurs propriétés morphologiques et mécaniques. Le comportement au vieillissement de composites renforcés de fibres de lin (CRFL) et de composites renforcés de fibres de verre (CRFV) est ensuite étudié. Un ensemble de moyens originaux ont été développés afin de suivre les évolutions de la morphologie (prise en eau, gonflement) et des propriétés mécaniques (statiques et dynamiques). Tout d'abord, le vieillissement hydrothermique des composites à base de fibre de lin et de verre est caractérisé jusqu'à leur saturation en eau. Cette étape est suivie de l'étude de la dessiccation afin de contrôler la réversibilité des propriétés physiques et mécaniques. Parallèlement, une étude particulière de ce travail a été consacrée au traitement des fibres afin de réduire leur hydrophilicité dans le composite. Le couplage hydro-thermo-mécanique est alors analysé en imposant une sollicitation de fluage au biocomposite en immersion. L'application de cette méthodologie révèle l'influence significative des sollicitations couplées. Contrairement à toute attente, la superposition d'une charge au vieillissement hydrothermique ralentit la baisse des propriétés élastiques en comparaison de la somme des effets dus aux vieillissements non-couplés. Enfin un modèle de calcul par éléments finis a été mis au point afin de prédire la diffusion hydrique au sein d'un matériau. Le modèle 2D développé intègre la morphologie réelle du composite et particulièrement l'organisation des fibres de lin dans le composite à plusieurs échelles. Cette modélisation représente la première étape dans la prédiction du comportement évolutif des biocomposites pour des conditions de vieillissement en service.

  • Titre traduit

    In situ long-term durability analysis of biocomposites in the marine environment


  • Résumé

    This work aims to address a complete analysis of the use of flax fibres to substitute glass fibres in composite materials designed for nautical applications. This substitution requires a better understanding of the composites life cycle: from materials selection and processing to its hydric ageing, especially under real conditions (exposition to water, temperature and mechanical loadings).A preliminary study is devoted to the selection of materials (flax fibre fabrics and polyester resin) and to the comparison between two methods for manufacturing composites (vacuum infusion and compression moulding) through their mechanical and the morphological properties.The ageing behaviour of flax fibre reinforced composites (FFRC) and glass fibre reinforced composites (GFRC) is then studied. A set of original methods have been implemented to monitor the evolving morphology (water uptake, swelling) and mechanical properties (statics and dynamics). First of all, hydrothermal ageing of glass and flax fibre composites is characterized until water saturation. This step is followed by the study of a drying phase in order to verify the reversibility of physical and mechanical properties. In parallel, a particular issue of this work was devoted to reducing the hydrophilicity of flax fibres into composites.The hydrothermo-mechanical coupling behaviour of biocomposites is then studied by imposing a creep solicitation to biocomposites immersed in water. The application of this methodology highlighted the significant influence of the coupled solicitations. Contrary to all expectations, superimposing a load during a hydrothermal ageing slows the loss of the elastic properties in comparison with the sum of the uncoupled ageing effects.Finally, a finite element model was stablished in order to predict the hydric diffusion within the composite material. The 2D model integrates the real morphology of composites, and particularly the organisation of the flax fibres in the matrix at different scales. This modelling represents the first step in predicting the evolving behaviour of biocomposites exposed to ageing conditions.


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