Mechanical Analysis and Fibre/Matrix Interface Optimization for Next Generation of Basalt-Plant Fibre Hybrid Composites

par Maria Carolina Seghini

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Fabienne Touchard et de Fabrizio Sarasini.

Le jury était composé de Gianluca Cicala, Yves Rémond, Laurence Chocinski.

Les rapporteurs étaient Hom Nath Dhakal, Carlos Gonzalez.

  • Titre traduit

    Analyse mécanique et optimisation de l'interface fibre/matrice pour la prochaine génération de composites hybrides à fibres de basalte et de lin


  • Résumé

    La prise de conscience mondiale des enjeux environnementaux a conduit à l’émergence de composites«verts», dans lesquels les fibres naturelles sont amenées à remplacer les fibres synthétiques. Ces nouveaux matériaux offrent des alternatives écologiques aux composites synthétiques traditionnels mais sont difficilement utilisables pour des applications semi-structurales ou structurales. Une solution possible à ce problème est le développement des composites hybrides, en combinant ensemble fibres naturelles et synthétiques. Dans ce cadre, l'objectif de cette étude était de développer des composites hybrides à base de fibres de basalte et de lin. Les composites hybrides ont été élaborés par moulage par infusion sous vide avec une matrice époxy. À des fins de comparaison,des composites 100% à fibres de lin et100%à fibres de basalte ont également été produits. Une caractérisation mécanique quasi-statique et dynamique amontré que l'hybridation permet d’obtenir un composite avec des propriétés mécaniques intermédiaires comparées à celles des composites à fibres de lin ou de basalte. Cependant, l’analyse approfondie des dommages a montré la nécessité d'optimiser la qualité d'adhésion de l'interface fibre/matrice afin d'accroître les performances mécaniques des composites hybrides obtenus. Pour cette raison, différents traitements de modification de surface ont été développés et étudiés pour les fibres de lin et de basalte. Un traitement physique par plasma (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) a été appliqué aux fibres de lin et de basalte. Les fibres de lin ont également été soumises à deux traitements chimiques utilisant des espèces enzymatiques et du CO2supercritique. Les effets des traitements sur la stabilité thermique, la morphologie et les propriétés mécaniques des fibres de lin et de basalte ont été étudiés. L’adhérence fibre/matrice a été analysée en réalisant des tests de fragmentation sur des composites monofilamentaires. La qualité de l'adhésion entre les fibres et les matrices époxy et vinylester a été évaluée en termes de longueur critique de fragment, de longueur de décohésion interfaciale et de résistance au cisaillement interfacial. La micto-tomographie haute résolution a été utilisée pour analyser les mécanismes d'endommagement lors des tests de fragmentation. Pour les deux types de fibres, les meilleurs résultat sont été obtenus grâce au traitement par plasma. Ce traitement a consisté à déposer un revêtement homogène de tétravinylsilane à la surface des fibres de basalte et de lin, ce qui a permis une augmentation significative de l’adhérence fibre/matrice, ouvrant ainsi la voie à la prochaine génération de composites hybrides plus respectueux de l’environnement et utilisables pour des applications semi-structurales.


  • Résumé

    Global awareness of environmental issues has resulted in the emergence of “green” composites, in which natural fibres are used to replace synthetic ones. However, in semi-or structural applications, it can be inconvenient to use composites based on natural fibres. A possible solution to this problem is the development of hybrid composite materials, combining together plies of natural and synthetic fibres. In this framework, the aim of this research project was to develop basalt-flax fibre hybrid composites with a view to obtaining more environmentally friendly composites for semi-structural applications. Hybrid composites were produced through vacuum infusion molding with epoxy matrix.For comparison purposes, 100% flax fibre composites and 100% basalt fibre composites were also manufactured. A quasi-static and dynamic mechanical characterization showed that the hybridization allows the production of a composite with intermediate mechanical performances compared to those possessed by flax and basalt composites. However, the damage analysis has revealed the need to optimize the fibre/matrix interface adhesion quality, in order to increase the mechanical properties of the resulting hybrid composites. For this reason, different surface modification treatments have been specifically designed and investigated for flax and basalt fibres. Flax and basalt fibres were treated by the physical process of Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition. Flax fibres were also subjected to two chemical treatments using enzymatic species and supercritical CO2. The effects of the surface modification treatments on the thermal stability, morphology and mechanical properties of flax and basalt fibres have been investigated. The degree and extent of fibre/matrix adhesion were analyzed by micromechanical fragmentation tests on monofilament composites. The adhesion quality between fibres and both epoxy and vinylester matrices has been assessed in terms of critical fragment length, debonding length and interfacial shear strength. High-resolution μ-CT has been used to support the analysis of the damage mechanisms during fragmentation tests. For both flax and basalt fibres, the best results were obtained after the plasma polymer deposition process. This process was able to produce a homogeneous tetravinylsilane coating on the surface of basalt and flax fibres, which resulted in a significant increase in the fibre/matrix adhesion, thus paving the way for the next generation of more environmentally friendly hybrid composites for semi-structural applications.


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