Comportement à l'impact et post-impact d'un composite lin/polyamide 11 élaboré par thermocompression

Impact and Post-Impact Behavior of Flax/Polyamide 11 Composite Processed by Thermocompression

• Auteur / Autrice : Yann Lebaupin
• Direction : Fabienne Touchard, Thuy-Quynh Truong Hoang, Michaël Chauvin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Lachaud, Carlo Santulli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Ienny, Véronique Michaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Porosité

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Microscopie électronique à balayage

Contraintes (mécanique)

Lin

Polyamides

Composites polymères

Analyse mécanique dynamique

Mots clés libres

Composite lin/PA 11

Thermocompression

Flax/PA 11 composite

Thermocompression

Résumé

Cette étude porte sur le comportement à l’impact et post-impact d’un composite 100% biosourcé, à fibres de lin et à matrice Polyamide 11. Une première étape a consisté à optimiser les paramètres de mise en oeuvre par thermocompression de ce composite. Deux types de tissus unidirectionnels de lin (A et B) ont été testés, ainsi que deux conditionnements de la résine PA11 : sous forme de film ou de poudre. Tout d’abord, les niveaux de température et de pression ont été optimisés sur un « premier set » de composites, élaborés à partir de lin A et de poudre de Polyamide 11. Ensuite, un « deuxième set » de composites a été étudié pour optimiser le choix des constituants. L’ensemble des composites fabriqués a été testé en traction, par DMA et par des mesures de taux de porosité. Il a été montré que la configuration optimale était obtenue avec le lin B et le Polyamide 11 sous forme de film, élaborée avec une température de 210°C et des paliers de pression de 25, 40 et 65 bars. Une analyse des endommagements créés en traction dans ce composite a été réalisée en couplant des observations par MEB et des enregistrements par émission acoustique. Il a ainsi été possible d’identifier quatre classes d’endommagement dans les composites [0]4 et [90]4, et cinq classes dans les composites [±45]s. Chacune de ces classes a été associée à une forme d'onde acoustique et à un type d’endommagement observé. La deuxième partie de ce travail a consisté à étudier l’influence d’un impact de 3,6J sur le comportement en traction et en compression de quatre séquences d’empilement : unidirectionnel [0]8, alterné [0/90]2s, sandwich [02/902]s et multidirectionnel [45/0/-45/90]s. Les grandeurs caractéristiques du comportement à l’impact ont tout d’abord été déterminées pour les quatre drapages.Les endommagements créés par l’impact ont été analysés par différentes techniques : observations visuelles,mesures topographiques, C-scan par ultrasons, et micro-tomographie. Les résultats ont montré que les configurations qui s’endommagent le moins à l’impact sont les drapages alterné et multidirectionnel. Les échantillons impactés ont ensuite été sollicités pour déterminer leurs propriétés post-impact, et les comparer aux résultats obtenus sur éprouvettes saines. Des essais de traction et de compression ont été réalisés sur cinq éprouvettes de chaque configuration. Lors de ces essais, les endommagements ont été suivis par émission acoustique, et les champs de déformation ont été mesurés par corrélation d’images. Les résultats ont montré que,grâce à la présence des plis à ±45°, le composite multidirectionnel présente les meilleures propriétés résiduelles.Enfin, un modèle post-impact a été mis en place, permettant, dans une première approche, en appliquant un module dégradé dans la zone impactée, de retrouver globalement les champs de déformations expérimentaux mesurés sur les différents drapages.

This PhD work deals with the impact and post-impact behavior of a fully bio-based composite made of flax fibresand Polyamide 11. The first goal was to optimize the hot press moulding parameters for manufacturing this composite. Two types of unidirectional flax fabrics (A and B) and two forms of Polyamide 11 (powder or film) were tested. At first, the pressure and temperature process values were optimized using a first set of composites made of flax A and Polyamide 11 in the form of powder. Then, an optimization of material components was conducted using a second set of composites. All the manufactured composites were tested by means of tensile tests, DMA and porosity measurements. Finally, an optimum configuration was determined: the composite flax B/PA 11 film manufactured with a temperature value of 210 °C and with gradual levels of pressure until 65 bars. Moreover, damage mechanisms were evaluated by acoustic emission and SEM observations during tensile tests. Four mechanisms were identified for the [0]4 and [90]4 composites and five for [±45]s composites. The second goal of this study was to study the effect of an impact of 3.6 J on the compression and tensile behaviors of four stacking sequences of this composite: unidirectional [0]8, alternated [0/90]2s, sandwich [02/902]s and multidirectional [45/0/- 45/90]s. The damage created by the impact in these four lay-ups was characterized thanks to different techniques: visual observations, topographic and C-scan measurements, and micro-tomography. It has been shown that the configurations with the smallest damage were the alternated and multidirectional composites. Then, impacted composites were tested by tensile and compressive loadings, and results were compared with the properties of non- impacted composites. Acoustic emission and digital image correlation were used to identify the damage and strain mechanisms of each type of composites. The results showed that, thanks to the presence of the ±45° plies, the multidirectional composite has the best post-impact behavior. Finally, a finite element model has been developed for simulating the post-impact behavior. As a first approach, a lower value of modulus has been implemented in the impacted area. It has allowed us to compare numerical and experimental strain fields for the different stacking sequences.