La recherche de solutions alternatives à l'utilisation de composites issus totalement ou partiellement de ressources renouvelables représente un enjeu environnemental majeur et un levier de développement économique pour les générations futures. La présente étude considère le choix d'un composite biosourcé élaboré à partir de fibres de lin associées à une résine thermoplastique. L'objectif des travaux de recherche consiste à analyser le comportement mécanique global, à identifier les principaux phénomènes physiques constatés, puis à analyser leurs mécanismes associés. Une analyse expérimentale du comportement mécanique en statique et en fatigue des composites stratifies unidirectionnels et croisés est présentée. Les techniques de l'émission acoustique et d'observations micro-méso-macroscopiques sont les principaux moyens utilisés pour la caractérisation des phénomènes de l'endommagement. Ensuite, une étude expérimentale du comportement vibratoire des poutres composites est réalisée. Dans un premier temps, les propriétés dynamiques des composites stratifiés, sains et endommagés ont été déterminées. À savoir le module de flexion et le facteur de perte sont évalués à partir des réponses en fréquences obtenues en mode linéaire. Dans un second temps, le comportement vibratoire non linéaire des composites sains et endommagés est exploré. Finalement, un modèle analytique qui tient compte des composantes propres à l'élasticité, à la plasticité, à l'endommagement et des paramètres de couplage est identifié et utilisé pour simuler le comportement mécanique global du matériau composite.

L'évolution du contexte industriel pousse l'industrie du transport, et plus particulièrement le secteur automobile, à réaliser des gains de de masse. Ceci passe, pour partie, par le développement de nouvelles solutions en matériaux composites. Le présent travail de thèse est consacré à la caractérisation mécanique et à la modélisation micromécanique d'un nouveau matériau composite SMC renforcé de mèches de fibres de carbone. L'objectif est de constituer une première base de connaissances sur le comportement de ce SMC en fatigue. Les investigations expérimentales passent notamment par l'analyse de la microstructure, la caractérisation du comportement mécanique sous sollicitation quasi-statique et de fatigue ainsi que par l'analyse des modes de dégradations. L'approche multi-échelle développée prend en compte la microstructure du matériau aux deux échelles mises en évidence à travers deux homogénéisations successives par une méthode Mori-Tanaka. Cette stratégie de modélisation permet de relier le comportement des fibres et le comportement élasto-plastique de la matrice à travers une loi de comportement dédiée à celui du matériau composite, et enfin d'intégrer la distribution d'orientation des mèches induites par le procédé de thermocompression.Le modèle multi-échelle a été identifié par une méthode inverse à partir des bases de données expérimentales constituées lors des travaux. La loi constitutive globale, à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif, a été implémentée dans la bibliothèque scientifique SMART+ en langage C++ et a été conçue pour être compatible dans le cadre d'analyse de structures par éléments finis. En régime non-linéaire intégrant l'endommagement.

Les résines polyester sont des polymères denses habituellement utilisés comme matrice dans de nombreuses applications industrielles. Elles ont pour avantage leurs excellentes propriétés mécaniques et chimiques, leur bonne résistance au vieillissement et d’un point de vue économique, un faible prix de revient. En outre, on peut les renforcer par des fibres et obtenir ainsi un matériau composite dont les propriétés mécaniques dépendent étroitement de la nature, la taille, la dispersion des fibres. Le plus souvent, on utilise des fibres synthétiques telles que les fibres de verre ou de carbone. Cependant depuis quelques années, on tend à leur substituer des fibres végétales. Nous avons étudié dans ce mémoire le comportement perméamétrique et mécanique d'un matériau composite constitué d’une matrice polyester insaturé renforcé par des fibres de lin. Celles-ci ont été retenues pour leur faible coût, leur densité réduite et surtout leurs bonnes propriétés mécaniques. Par contre leur forte sensibilité à l’eau peut conduire un vieillissement hydrolytique prématuré. L’application de fibres naturelles comme renfort dans les matériaux composites implique une faible sensibilité à l’humidité ainsi qu’une forte adhésion entre les fibres et la matrice synthétique. Différents traitements peuvent être réalisés afin d’optimiser l’interface. Dans notre étude, deux traitements ont été réalisés sur les non-tissés de fibres dans le but d’une part, d’augmenter leur résistance à l’eau, par le biais d’un traitement autoclave à la vapeur d’eau et d’autre part d’améliorer leur adhésion avec la matrice à l’aide d’un traitement par plasma froid. L’efficacité des traitements a été mise en évidence par des mesures de perméation à l’eau et des tests de traction. Les résultats de perméation montrent que l’introduction du renfort conduit à une augmentation du coefficient de perméabilité ainsi que la diffusivité comparativement à la résine seule. Le traitement plasma conduit à une baisse de la perméabilité du composite qui s’explique par une baisse de la diffusivité. La résistance à l’eau des fibres a augmenté après traitement autoclave. Les tests mécaniques ont montré une augmentation du module d’élasticité, E, après introduction des fibres. De même les composites renforcés par des fibres traitées plasma ont un module d’élasticité supérieur aux à ceux renforcés par des fibres de lin natives. Des images de microscopie électroniques à balayage confirment l’amélioration de l’adhésion après traitement plasma.

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.

L'utilisation croissante des matériaux composites à matrice polymère dans les structures industrielles est impulsée par le besoin de contraintes environnementales tout en conservant d'excellentes propriétés mécaniques. L'évolution des procédés de fabrication et l'émergence de la pultrusion réactive permet la production de matériaux composites à matrice thermoplastique possédant des taux de fibres très importants. Ceci leur confère les propriétés longitudinales souhaitées mais ces procédés induisent une variabilité microstructurale importante. De plus, les pièces industrielles sont bien souvent sollicitées de façon complexe induisant des contraintes multiaxiales. Ces contraintes sont alors ``ressenties'' par la microstructure du matériau composite et par la matrice confinée par les fibres notamment. La variabilité microstructurale tend alors à amplifier les contraintes. C'est dans ce contexte qu'une approche multi-échelle macro-micro (globale/locale) expérimentale et numérique a été développée. Les mécanismes de déformation, d'endommagement et de rupture ont été expérimentalement analysés à l'échelle globale du matériau composite ainsi qu'à l'échelle locale de sa microstructure. Pour ce faire, de techniques expérimentales liées à la tomographie aux rayons X ont été mises en place et permettent d'observer in-situ l'évolution de la microstructure sollicitée. Il a été observé que l'endommagement se développe au sein de la matrice thermoplastique. Un modèle de comportement de la matrice endommageable a donc été mis au point à l'aide des approches issues de la mécanique des milieux poreux et permet de rendre compte des micro-mécanismes de déformation et d'endommagement de la matrice confinée par les fibres. Une approche de type ``top-down'' a été développée. Celle-ci permet de localiser les zones critiques d'une structure industrielle composite. Le chargement appliqué localement sur la pièce sert alors de conditions aux limites sur une microstructure réelle modélisée. Ainsi, il est possible de simuler la cinétique d'endommagement, permettant de comprendre l'amorçage et la propagation de fissures dans une structure industrielle. Cette approche appliquée au cas d'une canalisation composite sous pression a permis de déterminer des pressions d'amorçage de fissures en fonction de l'enroulement du composite sur la canalisation.

Cette thèse présente les effets de chargements thermocinétiques sur le comportement mécanique d'un matériau composite stratifié à résine acrylique thermoplastique, renforcé de fibres continues de verre. Des essais d'indentation/d'impact à faible vitesse à différentes vitesses de sollicitation et à différentes températures permettent d'étudier la réponse mécanique de la structure composite. Ces sollicitations sont représentatives des sollicitations que le composite stratifié pourra rencontrer durant son service (choc durant le transport, chute d'outil lors d'une maintenance, gravillonnage...). Les réponses structurelles du composite stratifié étudié (force maximale atteinte, raideur, énergie absorbée, énergie dissipée) sont estimées. Les mécanismes d'endommagements induits par ces sollicitations sont étudiés de l'échelle microscopique jusqu'à l'échelle macroscopique à l'aide d'un microscope optique à balayage (MEB) et d'un microscope optique. Les effets de chargements thermocinétiques sur les mécanismes d'endommagements observés sont discutés.Les sollicitations indentation et d'impact sont connues pour induire un mécanisme d'endommagement en particulier : la fissuration inter-laminaire appelée le délaminage. Considéré comme l'un des endommagements les plus critiques, le délaminage est piloté par un paramètre matériau appelé le taux de restitution d'énergie G. L'estimation de G reste encore aujourd'hui un sujet de débat. Ce taux de restitution d'énergie est généralement étudié à l'aide d'essais Double Cantiliver Beam (DCB). Une campagne d'essais DCB à différentes vitesses de sollicitation et différentes températures permettent d'étudier les effets du chargement thermocinétique sur le comportement à rupture du composite stratifié étudié. La pertinence des essais DCB à hautes vitesses de sollicitation est ensuite questionnée dans cette thèse. Des résultats de la littérature mettent en avant une dépendance du paramètre « matériau)» étudié à la géométrie de l'éprouvette testée. Un phénomène de multi-délaminage dans le composite stratifié est mis en avant et complexifie l'estimation de la surface de rupture créée. Cela complexifie d'avantage l'estimation du taux de restitution d'énergie critique.