Élaboration et caractérisation mécanique d'une structure composite sandwiche à base de constituants naturels

Manufacturing and mechanical characterization of a bio-based composite sandwich structure

• Auteur / Autrice : Arthur Monti
• Direction : Abderrahim El Mahi, Laurent Guillaumat, Zouhaier Jendli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans - Laboratoire d'acoustique de l'université du Maine / LAUM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Matériaux -- Fatigue

Matériaux -- Essais dynamiques

Fibres végétales (matériaux de construction)

Matériaux sandwichs

Propriétés mécaniques

Composites

Mots clés libres

Composites

Fibres de lin

Flexion

Fatigue

Emission acoustique

Impact

Analyse de la rupture

Vibration

Flax Fibre

Flexural properties

Acoustic Emission

Failure Analysis

Résumé

Les éco-composites s'imposent progressivement comme une alternative à certains matériaux classiques. L'utilisation de fibres végétales en guise de renfort permet en effet d'améliorer les performances environnementales de ces matériaux ainsi que leurs propriétés spécifiques élevées. Dans ce contexte, cette étude propose d'élaborer un éco-composite sandwich dont les peaux sont constituées d'une résine thermoplastique innovante associée à des fibres de lin et à une âme en balsa. Tout d'abord, les comportements statiques de la résine et de l'âme sont analysés. Par la suite, le composite renforcé de fibres de lin constituant les peaux du sandwich est étudié. Les caractéristiques élastiques principales du pli UD en contraintes planes sont déterminées. De plus, une analyse des mécanismes d'endommagement est effectuée au moyen de la technique d'émission acoustique. Le comportement des poutres sandwiches sollicitées en flexion est ensuite étudié. Une attention particulière est portée à la compréhension des modes de rupture et à l'influence des variations locales des propriétés mécaniques de l'âme. Par ailleurs, certaines propriétés dynamiques de cette structure sont explorées, notamment son comportement en fatigue et sa réponse à l'impact afin de discuter de sa durabilité. Enfin, une étude expérimentale du comportement vibratoire des poutres composites et sandwiches est réalisée. Le rôle des différents constituants dans l'amortissement global des vibrations est discuté au moyen d'une modélisation par élément finis. L'ensemble des propriétés déterminées sont comparées à celles des matériaux non bio-sourcés, afin de situer ses performances.

Bio-based composites appear to be very promising alternatives to traditional composites. The use of natural fibres as reinforcement reduces the environmental impact of these materials and their specific properties are significantly increased. In this context, this work focuses on the manufacturing and the mechanical characterization of a bio-based sandwich structure. The skins are made of an innovative thermoplastic resin associated with flax fibres. The core is made of balsa wood. First, quasi-static analyses are performed on the different components. Then, the tensile properties of the composite skins are studied. Moreover, the main damage mechanisms are identified and described by means of the acoustic emission technique. Next, the flexural behavior of the whole sandwich structure is studied. Particular attention is paid to the detection and prediction of the main fracture modes. Moreover, the statistical spreads of the material properties of the balsa core are taken into account. In addition, cyclic fatigue and impact tests are performed to investigate the behavior of this structure under dynamic loads, and to discuss whether or not this material could be suitable for potential semi-structural applications. Finally, experimental analyses of the vibration behavior of composite and sandwich beams are performed. The contributions of the different components to the global damping properties of the sandwich structure are analyzed by means of a finite elements model. This work also compares the properties of this bio-based sandwich to those of traditional materials, in order to benchmark its mechanical performances with a view to further industrial usage.