L'objectif de ce travail est de comprendre les relations liant l'architecture de composites comêlés à leurs propriétés mécaniques macroscopiques. Dans cette optique, des fibres de verre unidirectionnelles ont été comêlées avec des filaments de polypropylène, puis les semi-produits ont été consolidés à chaud sous pression afin d'́élaborer les composites étudiés. Tout d'abord, l'analyse microstructurale des composites n'a révélé aucune modification de la structure cristalline de la matrice polymère lors des différentes étapes de leur élaboration. Le taux de cristallinité du polymère est insensible au procédé et est peu influencé par la présence des fibres de verre. Cependant, ces fibres jouent le rôle d'agent de germination du polymère, sans toutefois favoriser la formation de phase transcristalline à proximité de leur surface. La seconde patie a consisté à définir et à quantifier l'état de dispersion des fibres de verre dans la matrice à différentes échelles d'analyse. Une analyse morphologique en 2D a montré que plus de 86 % des fibres étaient assemblées sous forme d'ágrégats dispersés dans la matrice. De plus, le taux d'agrégats augmente linéairement avec le taux de fibres. Une approche théorique, soulignant les morphologies auto-similaires des composites, a été ensuite confrontée avec succès aux résultats expérimentaux pour tous les taux de renforts.La dernière partie a permis de prédire le comportement mécanique dynamique des composites aux basses températures en prenant en compte la morphologie réelle de ces matériaux et en utilisant des techniques d'homogénéisation. Les différences révélées aux hautes températures ont été attribuées à des changements microstructuraux de la matrice. L'analyse du comportement mécanique aux grandes déformations a montré que l'endommagement des composites était principalement gouverné par la distance entre les agrégats, alors que leur rupture dépendait essentiellement de la déformation de la matrice polymère.

Cette thèse a été financée par l'équipementier automobile Cooper Standard afin de développer des éléments de pièces automobiles en polypropylène (PP) renforcés par des fibres végétales. Son objectif majeur est d'identifier les paramètres clés permettant l'obtention de composites performants pour ensuite les développer industriellement. Une grande diversité de parois végétales a été testée mécaniquement, étape primordiale pour l'analyse du comportement des composites. Les fibres sélectionnées ont ensuite été mélangées au PP et l'étude du compoundage a mis en évidence son impact sur les propriétés des futurs composites et la difficulté de mélanger des fibres végétales dans une matrice fondue. Les compounds PP/fibres végétales ont ensuite été transformés par extrusion et les travaux menés ont permis de développer des composites renforcés par des fibres de bois respectant le cahier des charges de Cooper Standard. Une comparaison entre l'injection et l'extrusion a souligné l'effet de la mise en œuvre sur les propriétés mécaniques et la microstructure des composites. Des composites modèles unidirectionnels renforcés par des fibres longues ont permis de comprendre les mécanismes de renforcement d'une matrice polypropylène par des fibres végétales de jute et de lin, et ont mis en évidence l'importance des propriétés mécaniques des constituants. Au contraire des composites injectés et renforcés par des fibres courtes de lin et de jute ont, eux, montré la prépondérance de la microstructure, par rapport aux performances des fibres, sur les propriétés mécaniques des pièces.

L'OBJET DE CETTE ETUDE EST DE MIEUX COMPRENDRE LES RELATIONS LIANT LES PARAMETRES MICROSTRUCTURAUX DE COMPOSITES A MATRICE POLYBUTYLENE TEREPHTALATE (PBT) RENFORCEE DE BILLES OU DE FIBRES DE VERRE, ET LEURS PROPRIETES MECANIQUES (MODULE D'ELASTICITE, CONTRAINTE A LA RUPTURE, RESISTANCE AU CHOC, PROPRIETES VISCO-ELASTIQUES). POUR LES COMPOSITES PBT-BILLES DE VERRE, NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE LE ROLE DE LA GRANULOMETRIE MOYENNE, DU TAUX D'INCORPORATION DES BILLES ET DE LEUR TRAITEMENT DE SURFACE SUR L'EVOLUTION DES PROPRIETES EN TRACTION ET AU CHOC. LA CRISTALLINITE DE LA MATRICE S'EST AVEREE ETRE EGALEMENT UN PARAMETRE IMPORTANT POUR LES PROPRIETES VISCOELASTIQUES. UNE APPROCHE PREDICTIVE DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE DE COMPOSITES RENFORCES DE BILLES NON TRAITEES PAR DES MODELES AUTOCOHERENTS, A ETE PROPOSEE EN S'AFFRANCHISSANT DE L'EFFET DE LA CRISTALLINITE. LA PRISE EN COMPTE DU CARACTERE VISCOELASTIQUE DU COEFFICIENT DE POISSON DE LA MATRICE A MONTRE DE REELLES AMELIORATIONS DE LA PREDICTION. CEPENDANT, L'EFFET DE RENFORCEMENT DE LA MATRICE PAR LES BILLES DE VERRE N'EST QUE PARTIELLEMENT MIS EN EVIDENCE PUISQU'UN ECART PERSISTE ENTRE LA HAUTEUR DU PIC DE RELAXATION SIMULE ET LA VALEUR OBTENUE EXPERIMENTALEMENT. POUR LES COMPOSITES PBT-FIBRES DE VERRE, NOUS AVONS PU RELIER LES LONGUEURS FINALES DES FIBRES (MOYENNE, DISPERSITE DE LA DISTRIBUTION) DANS LES COMPOSITES ET LA QUALITE D'ADHESION MATRICE-RENFORT AUX CARACTERISTIQUES MECANIQUES. UNE FORTE COMPATIBILITE VERRE-ENSIMAGE-MATRICE FAVORISE UNE DISPERSITE IMPORTANTE DE LA DISTRIBUTION EN LONGUEUR DE FIBRES, ACCOMPAGNEE D'UNE FORTE FRAGILISATION DES COMPOSITES. A LONGUEUR MOYENNE ET ETALEMENT DE LA DISTRIBUTION PROCHES, NOUS AVONS PU QUANTIFIER LES EFFETS DU TRAITEMENT DE SURFACE POUR DES ENSIMAGES COMPLETS EN TORSION DYNAMIQUE.

CE MEMOIRE RAPPORTE UNE ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE LA RHEOLOGIE D'UN MATERIAU COMPOSITE A MATRICE THERMOPLASTIQUE RENFORCEE DE FIBRES DISCONTINUES LORS DE SA PHASE DE MISE EN FORME PAR ESTAMPAGE. A L'OPPOSE DES MATERIAUX TECHNIQUES TRADITIONNELS, LE COMPOSITE DOIT AU NIVEAU DE SA SPECIFICITE S'ADAPTER AUX EXIGENCES DE CONCEPTION ALORS QUE CELLE-CI DECOULE HABITUELLEMENT DES PROPRIETES DES MATERIAUX CONSTITUTIFS. EN CHERCHANT A REALISER SIMULTANEMENT LE MATERIAU ET LE PRODUIT, LE PROCEDE DEVIENT INDISSOCIABLE DES COMPOSANTS PUISQUE LES PERFORMANCES DE LA STRUCTURE EN DEPENDENT ETROITEMENT. UN DES BUTS A ATTEINDRE EST AINSI DE DISPOSER LES RENFORTS DE MANIERE OPTIMALE EN FONCTION DES EFFORTS OU DES CONTRAINTES AUXQUELLES LA STRUCTURE EST EN MESURE D'ETRE SOUMISE, C'EST-A-DIRE DE PLACER LE COUT DANS LES ZONES LES PLUS SOLLICITEES ET NON PARTOUT AILLEURS, COMME CELA EST COMMUNEMENT OPERE EN PRESENCE DE MATERIAUX HOMOGENES ET ISOTROPES. IL S'AGIT EN QUELQUE SORTE DE REALISER UNE ANISOTROPIE CONTROLEE GENERATRICE DE PROPRIETES ADEQUATES. OR LA FABRICATION D'UN MATERIAU COMPOSITE A MATRICE POLYMERE EST EN GENERAL UN PROCEDE RENDU COMPLEXE PAR LA NATURE HETEROGENE DE LA STRUCTURE. ET, DANS LA MAJEURE PARTIE DES CAS, LES PROPRIETES MECANIQUES ET PHYSICO-CHIMIQUES DU MATERIAU OBJET DE LA MISE EN FORME PRESENTENT UN DEGRE D'ANISOTROPIE PLUS OU MOINS PRONONCE MAIS DONT IL SERAIT INOPPORTUN DE NEGLIGER LES EFFETS. C'EST DANS CE CONTEXTE QUE S'INSCRIT CETTE ETUDE DONT L'OBJECTIF EST DE MATERIALISER LE COUPLAGE ENTRE L'ECOULEMENT GOUVERNE PAR UNE LOI DE TYPE FLUIDE VISQUEUX ANISOTROPE NON-NEWTONIEN ET L'ETAT LOCAL D'ORIENTATION DU RENFORT INTERAGISSANT ET EVOLUANT TOUT AU LONG DE LA TRANSFORMATION. DES LOIS DE COMPORTEMENT ET D'ORIENTATION SONT DEVELOPPEES ET IDENTIFIEES SUR DES ECOULEMENTS EXPERIMENTAUX ISOTHERMES DE TYPE PLAQUE. PUIS, LA DESCRIPTION DE L'ETAT LOCAL EST INTEGREE DANS UN CODE DE CALCULS PAR ELEMENTS FINIS PERMETTANT DE SIMULER L'ECOULEMENT DE MANIERE GLOBALE ET DE CONFRONTER LE MODELE A L'EXPERIENCE. L'INTERET EST D'UNE PART DE PREDIRE L'EVOLUTION DE L'ANISOTROPIE ET SES REPERCUSSIONS SUR L'ECOULEMENT, NOTAMMENT LA DEFORMEE DU FRONT DE MATIERE EN PRESENCE DE BORDS LIBRES, ET D'AUTRE PART DE POUVOIR QUANTIFIER L'ETAT D'ORIENTATION FINAL RESPONSABLE DES PROPRIETES MECANIQUES ET PHYSIQUES DE LA STRUCTURE

Dans les matériaux composites, la substitution des renforts minéraux ou synthétiques par des fibres végétales est possible pour de nombreuses applications industrielles, automobile ou non. Cependant, l'origine naturelle des fibres végétales, leurs structures complexes et multi composants rendent leur utilisation plus difficile à maîtriser que dans le cas des renforts usuels. Ces travaux de thèse ont donc pour objectif de contribuer à la compréhension des paramètres clés pour profiter de la capacité de renforcement des fibres végétales courtes dans une matrice thermoplastique (PP). Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle des éléments constituant un composite renforcé par des fibres courtes et transformé par injection. Ceci a mis en évidence l 'intérêt de l'utilisation des fibres de lin comme renfort de composites. L'influence de leur fraction volumique et de la compatibilisation fibre / matrice a aussi été étudiée. La comparaison entre procédé d'extrusion et d'injection a souligné l'effet de la mise en œuvre sur la microstructure et sur les propriétés mécaniques des composites. Nous avons ensuite montré qu'il était possible d'extruder un polypropylène renforcé par des fibres de lin qui réponde au cahier des charges de l 'automobile, avec cependant des limitations au niveau de la stabilité du process. L'étude des composites hybrides lin / talc extrudés, a montré que l'ajout de particules de talc apportait une amélioration des propriétés mécaniques et une diminution des défauts d'extrusion. Enfin, nous avons mis en évidence, pour les fibres courtes ou longues, que la division et la dispersion des renforts étaient les paramètres clés à contrôler pour bénéficier de leur capacité de renforcement

Cette thèse porte sur la caractérisation morphologique et mécanique des fibres de lin. En effet, leur faible densité et leurs bonnes propriétés mécaniques permettent d’envisager leur utilisation comme renfort de polymères en remplacement des fibres de verre. Des fibres de lin ont d’abord été étudiées à partir d'observations de leurs sections et de leur profil longitudinal, ce qui a permis de déterminer leurs tailles moyennes et leur dispersion et de formuler un schéma d'organisation interne de la fibre de lin. Des essais de traction ont ensuite été réalisés sur des fibres unitaires. Leur comportement élasto-visco-plastique présente une non-linéarité initiale qui a été interprétée comme un réarrangement interne des constituants des parois. La comparaison avec d'autres fibres végétales ainsi que des observations de faciès de rupture de fibres ont permis de valider cette hypothèse de réorganisation. A partir de l’étude de fibres issues de différentes variétés de lin et prélevés en différents endroits le long des tiges, il est apparu que les fibres présentes dans la zone médiane des tiges présentaient des dimensions optimales et des propriétés mécaniques supérieures aux fibres apicales ou basales. Enfin, des composites unidirectionnels lin / polyester ont été fabriqués par contact et par compression, avec différents taux volumiques de fibres. Ceux-ci ont été testés en traction et en flexion par flambement afin de déterminer leurs propriétés mécaniques et de préciser leur mode d'endommagement. Les résultats montrent que, en plus de leur avantage écologique, les composites à base de fibres de lin sont mécaniquement compétitifs par rapport à ceux à base de fibres de verre.

CE TRAVAIL DE THESE PORTE SUR LES COMPOSITES A MATRICES METALLIQUES RENFORCES PAR DES PARTICULES CERAMIQUES ELABORES PAR OSPREY#T#M. L'ETUDE S'ARTICULE AUTOUR DE QUATRE AXES PRINCIPAUX DE RECHERCHE: L'OBSERVATION DE LA MICROSTRUCTURE MONTRE QUE LA REPARTITION DES DISLOCATIONS EST HETEROGENE DANS LA MATRICE DU COMPOSITE. L'ETUDE DU DOMAINE ELASTIQUE EST REALISEE EN UTILISANT UN MODELE DE CALCUL DU MODULE THEORIQUE DES COMPOSITES QUI PERMET DE CONSIDERER QUE LA POPULATION DES PARTICULES DE RENFORT EST DIVISEE EN FAMILLES DE CARACTERISTIQUES DIFFERENTES. LA MESURE DES LIMITES D'ELASTICITE EST EFFECTUEE GRACE A L'ANALYSE DU COMPORTEMENT DANS LE DOMAINE MICROPLASTIQUE. NOUS EXPLIQUONS LE COMPORTEMENT MICROPLASTIQUE COMPLEXE OBSERVE PAR L'INTERMEDIAIRE DU CALCUL DE LA LIMITE DE PROPORTIONNALITE, REALISE GRACE A LA METHODE D'ESHELBY, ET DE L'ANALYSE DE L'EVOLUTION DU TAUX DE CONSOLIDATION DES MATERIAUX PAR LE CONCEPT DES BOUCLES DE DISLOCATIONS GEOMETRIQUEMENT NECESSAIRES. ENFIN NOUS PROPOSONS UN MODELE QUI PERMET DE PRENDRE EN COMPTE L'EFFET DE LA REPARTITION HETEROGENE DES DISLOCATIONS DANS LA MATRICE. CE MODELE ALLIE LES RESULTATS D'UN CALCUL DE LA POSITION DES DISLOCATIONS (METALLURGIE PHYSIQUE), AVEC UN MODELE DE COMPORTEMENT ISSU DE LA MECANIQUE DES MILIEUX CONTINUS: LE MODELE N PHASES. L'ETUDE DE L'ENDOMMAGEMENT EST REALISEE AU MOYEN D'ESSAIS IN SITU AU MEB. NOUS PROPOSONS UNE METHODOLOGIE NOUVELLE PERMETTANT L'ANALYSE DU CARACTERE STATISTIQUEMENT DISPERSE DES RESULTATS. NOUS INTERPRETONS ENSUITE LES RESULTATS EN CALCULANT LE CHAMP DE CONTRAINTES DANS LES PARTICULES INDUIT PAR LE CHARGEMENT THERMOMECANIQUE AUQUEL SONT SOUMIS LES COMPOSITES