Le développement de nouveaux composites co-mêlés à fibres continues et matrice thermoplastiques de grande diffusion verre/PP a apporté a priori une solution technologique, économiquement satisfaisante, aux problèmes de conservation, de mise en œuvre, de fragilité voire de recyclage des composites thermodurcis. Cependant, la jeunesse de ces nouveaux matériaux constitue paradoxalement un frein à une utilisation industrielle plus large, du fait d'une maîtrise imparfaite de leur comportement, notamment pour ce qui est du rôle de l'interface fibre/matrice. Le programme de recherche développé dans le cadre de ce travail a permis de préciser la sensibilité de diverses méthodes expérimentales (traction transversale, mécanique de la rupture, émission acoustique, fractographie) au paramètre 'interface', de mettre en évidence, d'une part, certaines grandeurs caractéristiques susceptibles d'être influencées de manière conséquente par une modification de la qualité interfaciale dans des proportions dépassant parfois 100% et, d'autre part, les effets séparés et couplés d'ensimages des renforts et de couplage de la matrice en termes de niveau d'adhésion fibre/matrice. Il est apparu en particulier qu'il était économiquement plus intéressant de porter les efforts de développement sur les ensimages des renforts plutôt que sur le couplage des matrices. A été mise en évidence, en outre, une instabilité du réseau physico-chimique constituant l'interphase entraînant la variation du comportement mécanique macroscopique du matériau au cours du temps dans des proportions significatives. Enfin, l'application de la mécanique de la rupture en mode I a permis de séparer les mécanismes d'amorçage et de propagation de fissures sur lesquels la qualité de l'interface/interphase a une influence spécifique.

LE TRAVAIL DE THESE REALISE AU COURS DE TROIS ANNEES AU SEIN DU LM3, ENSAM PARIS CONCERNE UNE THEMATIQUE TRES ACTUELLE A SAVOIR LES RELATIONS MICRO-MACRO ET L'ENDOMMAGEMENT DANS LES MATERIAUX COMPOSITES. NOUS PROPOSONS DES LOIS DE COMPORTEMENT ADAPTEES AUX MATERIAUX HETEROGENES (COMPOSITES) A RENFORTS DISCONTINUS INTEGRANT LES PHENOMENES D'ENDOMMAGEMENT SE PRODUISANT A L'ECHELLE MICROSCOPIQUE NOTAMMENT A L'INTERFACE RENFORT/MATRICE. LES MATERIAUX INDUSTRIELS ETUDIES (COMPOSITE SMC VERRE/POLYESTER OU STRATIFIES VERRE/EPOXY), LORSQU'ILS SONT SOUMIS A UN CHARGEMENT EXTERIEUR, SUBISSENT, A L'ECHELLE DES RENFORTS, DIFFERENTS TYPES DE MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT. CES DERNIERS SONT IDENTIFIES A L'AIDE D'ESSAIS DE TRACTION REALISES DANS L'ENCEINTE D'UN MEB. CETTE TECHNIQUE EXPERIMENTALE NOUS A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE LEURS INFLUENCES SUR LE COMPORTEMENT MACROSCOPIQUE DU COMPOSITE. POUR LES DEUX MATERIAUX ETUDIES, LA DECOHESION A L'INTERFACE FIBRE/MATRICE APPARAIT COMME LE MECANISME PREDOMINANT. UNE LOI DE COMPORTEMENT ORIGINALE, FONDEE SUR UNE APPROCHE DE TYPE PASSAGE MICRO-MACRO (MODELE D'HOMOGENEISATION) ET S'APPUYANT SUR L'OBSERVATION IN SITU DES MECANISMES DE DEFORMATION EST ALORS PROPOSEE. CETTE LOI EST CONSTRUITE A L'AIDE DE DEUX OUTILS NOUVEAUX. TOUT D'ABORD, AFIN DE PREDIRE L'AMORCAGE ET LA PROPAGATION DES MICRO-FISSURES, NOUS INTRODUISONS, A L'ECHELLE LOCALE, LA NOTION DE CRITERE DE DECOHESION A L'INTERFACE FIBRE/MATRICE. UNE METHODE NOUVELLE D'IDENTIFICATION DE CE CRITERE EST PROPOSEE COUPLANT MODELE ET EXPERIENCE. ENFIN, L'ANISOTROPIE LOCALE INDUITE PAR L'ENDOMMAGEMENT EST TRADUITE PAR LE CONCEPT DE MICROSTRUCTURE EQUIVALENTE TRADUISANT LE COMPORTEMENT DE LA MICROSTRUCTURE ENDOMMAGEE A L'ECHELLE DE LA FIBRE. DEUX MODELES DISTINCTS SONT FONDES SUR DEUX METHODES AYANT POUR BUT DE SIMULER LA PRESENCE DES FISSURES INTERFACIALES (FISSURE EQUIVALENTE) OU DE TRADUIRE LEURS EFFETS SUR LA PERTE DE RIGIDITE LOCALE ET SUR L'ANISOTROPIE DU SYSTEME FIBRE+FISSURE (FIBRE ANISOTROPE EQUIVALENTE). DES COMPARAISONS EXPERIENCE/SIMULATION A L'ECHELLE MICRO ET MACROSCOPIQUE MONTRENT UNE BONNE CORRELATION

Du fait de leurs nombreux avantages, à savoir notamment leur faible coût, leurs meilleures possibilités de recyclage et de réparation, leur légèreté et leur bonne tenue en fatigue, les résines polymères thermoplastiques sont de plus en plus employées dans l'industrie des matériaux composites. Cependant, du fait de leur nature chimique, leur réponse mécanique dépend de la température, et ce, même dans un intervalle éloigné de leur température de transition vitreuse. Cette dépendance se répercute, dans une proportion moindre mais qui reste significative, sur la réponse mécanique des composites à matrice thermoplastique. Du fait des distributions locales des contraintes dans ces derniers et des micro- et méso- structures qui les composent, cette dépendance peut aussi se répercuter sur le scénario d'endommagement de ces derniers. Or, des structures telles que des pales d'éolienne sont amenées à fonctionner dans une plage de température allant de -20°C à 60°C. Il devient donc nécessaire d'étudier l'impact de la température sur le comportement mécanique et sur le scénario d'endommagement des composites à matrice thermoplastique, pour permettre notamment de mieux prévoir l'évolution de l'endommagement en fatigue des pales d'éolienne, dans leur intervalle de température de service. En effet, les pales d'éolienne sont généralement dimensionnées via une approche normative, qui requiert soit des campagnes expérimentales conséquentes pour obtenir le comportement en fatigue de tous les stratifiés constituant une structure telle qu'une pale d'éolienne soit la formulation d'hypothèses fortement conservatives, qui nuisent à l'optimisation de la conception des pales. Pour pallier à cela, un modèle d'endommagement permettant de décrire l'évolution de la résistance, de la rigidité et de la déformation résiduelle d'un pli unidirectionnel soumis à des chargements quasi-statiques ou de fatigue a été récemment développé. Les travaux présentés ici visent dans un premier temps à valider l'utilisation de ce modèle dans le cas d'un composite à matrice acrylique renforcé de fibres de verre, utilisé pour la fabrication de certaines pales d'éolienne. L'identification et la validation s'appuient à la fois sur des essais mécaniques en quasi-statique, en fatigue (traction/traction, traction/compression) sur plusieurs strates et sur des analyses physiques (micrographies sous charge, micro-tomographie à rayons X). Il s'agit ensuite d'analyser comment l'effet de la température sur le comportement mécanique et le scénario d'endommagement de ce composite se répercute sur les paramètres du modèle.

LES PROPRIETES D'UN MATERIAU COMPOSITE DEPENDENT NON SEULEMENT DES PROPRIETES INTRINSEQUES DES ELEMENTS CONSTITUANTS, LA FIBRE ET LA MATRICE, MAIS EGALEMENT DE L'INTERFACE LES SEPARANT. UNE BONNE LIAISON INTERFACIALE EST ESSENTIELLE A UN TRANSFERT DE CONTRAINTE EFFICACE ENTRE LA MATRICE ET LA FIBRE. DEUX APPROCHES DIFFERENTES D'AMELIORATION DE L'ADHESION FIBRE/MATRICE ONT ETE ETUDIEES: ENROBAGE DE FIBRES AVEC UN ENSIMAGE SPECIFIQUE A LA MATRICE ET UTILISATION D'UNE TECHNIQUE DE FABRICATION REACTIVE IN-SITU POUR GREFFER DES GROUPEMENTS FONCTIONNELS AU SQUELETTE DU POLYMERE AFIN D'ACTIVER LA MATRICE. LES DEUX SYSTEMES, MODIFICATION PAR ENSIMAGE ET MODIFICATION DE LA MATRICE, ONT ETE EXAMINES DANS LES MATERIAUX COMPOSITES RENFORCES PAR LES FIBRES DE VERRE-E, RESPECTIVEMENT, A MATRICE POLYAMIDE 6.6 ET POLYPROPYLENE. LES CONSTITUANTS, LA FIBRE, L'ENSIMAGE ET LA MATRICE ONT ETE ANALYSES INDIVIDUELLEMENT, PUIS COMBINES DANS LE MATERIAU COMPOSITE. TROIS METHODES D'EVALUATION DE LA RESISTANCE DE LA LIAISON FIBRE/MATRICE ONT ETE DEVELOPPEES: LE MODELE D'EFFICACITE D'ADHESION, L'ANALYSE VISCOELASTIQUE ET LE TEST DE LA MICROGOUTTE

L'industrie des matériaux composites ne cesse d'évoluer et de croître en mettant en place de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies. En substitution des matériaux d'origine fossile que les matériaux d'origine naturelles (et surtout végétales) commencent à voir le jour. C'est dans ce contexte que notre travail de recherche est proposé. Il s'intéresse à la caractérisation du comportement mécanique d'un composite à matrice Polypropylène, renforcé avec des fibres de Chanvre et du bois de Chanvre (Chènevotte). Les différents moyens et techniques de caractérisation, utilisés par la présente étude, ont montré que ces nouveaux matériaux sont dotés de propriétés, en particulier mécaniques, de haut niveau, qui viennent rivaliser avec celles des autres composites classiques à base de fibres de verre et de carbone.Les essais expérimentaux en statique et de fatigue, ont révélé beaucoup de détails en comparaison avec d'autres matériaux composites. Ces informations ont permis de créer une sorte de base de données qui pourra servir de référence pour d'autres composites de la même famille à base de fibres végétales. Ainsi, des mécanismes d'endommagement ont été mis en évidence grâce aux essais mécaniques (traction monotone, charge-décharge, ...) associés à des observations microscopiques (Microscope Electronique à Balayage), et à des outils de détection du dommage basés sur l'émission acoustique. Par le biais de cette technique, nous avons pu apprécier la qualité et l'importance de l'interface fibre/matrice qui est un paramètre fondamental pour la présente étude et pour la détermination de la loi de comportement du composite.La modélisation micromécanique a été intégrée dans ce travail de thèse, grâce au modèle de Mori-Tanaka. Le comportement des matériaux à l'endommagement n'a pas été pris en considération ; seule l'élasticité a été étudiée. A l'aide de ce modèle, nous avons pu remonter aux propriétés intrinsèques des constituants (le module d'élasticité longitudinale des renforts: Chanvre et Chènevotte).