ETUDE THEORIQUE DU MECANISME DE LA CONDUCTION EN COMPLETANT LA THEORIE DE PERCOLATION EN TENANT COMPTE DES AGREGATS

Les fibres de carbone ex-PAN ont une structure fibrillaire qui découle de celle précurseur polyacrylonitrile. Leur surface est constituée à la fois de zones de plan basal peu réactives et de zones plus réactives où émergent majoritairement des bords de couches de carbone. La proportion de chacune de ces zones varie d'une fibre à l'autre, leur conférant ainsi des réactivités de surface très différentes. Les traitements de surface améliorent l'adhérence interfaciale grâce à des modifications structurales et chimiques de la surface. L'importance de chacun de ces phénomènes est fonction de la réactivité intrinsèque de la fibre. Pour une fibre très réactive un gain d'adhésion n'est possible que par un greffage chimique. En revanche, pour une fibre mieux organisée, les changements structuraux sont aussi importants que les modifications chimiques. Les ensimages sont employés pour protéger les fibres de carbone contre les dommages, pour préserver leur réactivité et pour faciliter leur manipulation. Afin d'obtenir un transfert de charge optimal, de la matrice aux fibres, les ensimages doivent remplir trois conditions simultanément : - assurer une bonne adhésion entre la fibre et l'ensimage, - assurer une bonne adhésion entre l'ensimage et la matrice, - posséder des caractéristiques physico-chimiques et mécaniques intrinsèques correctes pour ne pas créer d'interphase aux propriétés médiocres

LES POLYMERES MINERAUX CONSTITUENT UNE NOUVELLE CLASSE DE MATERIAUX PROMIS A UN AVENIR INTERESSANT DANS LA PLAGE DE TEMPERATURES 400-700C. LES MATERIAUX DE TYPE ALUMINOSILICATE, ONT PERMIS L'ELABORATION DE MATERIAUX COMPOSITES A PROPRIETES MECANIQUES ET A TENUE THERMIQUE SATISFAISANTES. LES ETUDES PHYSICOCHIMIQUES ET MECANIQUES ONT MIS EN EVIDENCE LA NATURE ZEOLITHIQUE DU POLYMERE ET DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES PROCHES DE CELLES D'UN CIMENT TYPE PORTLAND ET STABLES JUSQU'A 700C. AU-DELA, L'EVOLUTION STRUCTURALE EST DUE A LA FUSION D'UN SILICATE DE POTASSIUM PRESENT DANS LE POLYMERE. LES COMPOSITES A BASE DE FIBRES DE VERRE PRESENTENT UNE TROP FORTE INTERFACE FIBRE-MATRICE DUE A UNE REACTION CHIMIQUE ENTRE LE VERRE ET LE POLYMERE. CETTE ADHESION IMPORTANTE NE PERMET PAS DE TRANSFERT DE CHARGE. LES FIBRES NE JOUENT DONC PAS LEUR ROLE DE RENFORT. LES COMPOSITES A BASE DE FIBRES DE CARBONE SONT SATISFAISANTS MAIS LEUR TENUE EN TEMPERATURE N'EXCEDE PAS 400C, TEMPERATURE AU-DELA DE LAQUELLE LE CARBONE S'OXYDE. LES MEILLEURS RESULTATS ONT ETE OBTENUS EN RENFORCANT LE POLYMERE AVEC DES FIBRES DE CARBURE DE SILICIUM. LES COMPOSITES ONT UN COMPORTEMENT DE TYPE CERAMIQUE AVEC UNE STABILITE ALLANT JUSQU'A 700C. L'EMISSION ACOUSTIQUE A ETE LARGEMENT UTILISEE POUR ETUDIER L'ENDOMMAGEMENT DE CES MATERIAUX. CETTE ETUDE MONTRE LA FAISABILITE DES COMPOSITES A FIBRES DE CARBURE DE SILICIUM ET A MATRICE MINERALE POUR DES UTILISATIONS EN TEMPERATURES DEPASSANT 500C

Proposer des solutions permettant de concevoir et de fabriquer des pièces automobiles performantes mais également respectueuses de l'environnement est devenu un enjeu majeur pour les équipementiers automobiles. Ces travaux de thèse s'inscrivent donc dans ce contexte de compréhension et d'amélioration des matériaux composites non-tissés aiguilletées renforcés par des fibres végétales. À partir d'un même matériau de base, il est possible d'obtenir des structures et des propriétés différentes grâce au contrôle du taux de porosités dans le matériau. On peut ainsi conférer au composite de bonne propriétés d'absorption acoustique à des taux de porosités élevés (50%) ou au contrainte privilégier la tenue mécanique du produit en les limitant. La structure du matériau et la liaison fibre/matrice vont évoluer avec la fraction de porosités et en résulteront des comportements mécaniques bien différents. Suivant le taux de porosité, les performances mécaniques seront donc principalement gouvernées par des paramètres différents tels que la liaison interfaciale ou le renfort. Dans un environnement automobile, les conditions climatiques (humidité et température) jouent un rôle prépondérant dans les performances des biocomposites non-tissés. En effet, l'adhérence fibre/matrice est essentiellement liée aux contraintes radiales compressives, qui sont largement influencées par l'état hygrométrique du renfort. Enfin, la valorisation les chutes de fabrication issues de la thermocompression pour modifier la structure du composite non-tissé a permis de développer un produit présentant un gain en rigidité significatif.

LE ROLE PRIMORDIAL DE LA LIAISON D'INTERFACE ENTRE MATRICE ET FIBRE AINSI QUE L'INFLUENCE DE LA GEOMETRIE ET DE L'ORIENTATION DES RENFORTS ONT ETE DEMONTRES A PARTIR DES PRINCIPES DU RENFORCEMENT. A L'AIDE DES MODELES DE CALCUL CORRESPONDANT AUX RECHERCHES LES PLUS RECENTES, DES MECANISMES DE COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE ONT ETE ELABORES POUR LES MATERIAUX COMPOSITES ORGANIQUES, METALLIQUES ET CERAMIQUES. UNE ANALYSE DES FACIES DE RUPTURE SOUS DIFFERENTES SOLLICITATIONS A PERMIS DE RELIER LES MECANISMES DE COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE AVEC LA CAPACITE DU MATERIAU COMPOSITE ET DE SA MICROSTRUCTURE A TRANSFERER LES CONTRAINTES MACROSCOPIQUES AU NIVEAU DE L'INTERFACE FIBRE-MATRICE. L'EFFET DE L'ENDOMMAGEMENT ET DES IMPERFECTIONS DE STRUCTURE EVENTUELS A ETE ETUDIE. DES TECHNIQUES APPLIQUEES A LA CONNAISSANCE DE LA LIAISON INTERFACIALE MATRICE-RENFORT ONT ETE DEVELOPPEES, UNE METHODE ORIGINALE DE CARACTERISATION PAR ANALYSE ENTHALPIQUE DIFFERENTIELLE A ETE MISE AU POINT. DES MATERIAUX COMPOSITES PERFORMANTS CORRESPONDANT AUX BESOINS NOUVEAUX DES APPLICATIONS AEROSPATIALES ONT ETE PRESENTES. L'ETUDE D'UN PROCEDE D'ELABORATION D'UN MATERIAU COMPOSITE ECONOMIQUE A BASE D'ALUMINIUM RENFORCE PAR DES FIBRES DE CARBONE, OBTENU PAR COFILAGE A ETE FAITE. L'IMPORTANCE DU DEVELOPPEMENT DES MATRICES INTERMETALLIQUES ET CERAMIQUES ET DES MATERIAUX COMPOSITES CARBONE-CARBONE A ETE MISE EN EVIDENCE POUR LES EMPLOIS A TRES HAUTE TEMPERATURE DES PROJETS FUTURS

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 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.