Afin de limiter l'utilisation des ressources fossiles, les composites à fibres naturelles semblent être une alternative prometteuse aux composites à fibres synthétiques. Ainsi cette thèse se propose d'étudier un composite thermoplastique renforcé par des fibres courtes d'origine végétale (polypropylène/chanvre). En effet, la température de mise en forme du PP permet l'incorporation de renforts naturels. De plus la culture du chanvre est relativement aisée en Lorraine. Ces composites ont été élaborés via compoundage - moulage par injection. Ce travail s'appuie sur une démarche de caractérisation du comportement thermomécanique de ces composites dans le domaine quasi-statique en prêtant particulièrement attention à l'influence de la vitesse de déformation, de la fraction volumique de chanvre et de la température. L'endommagement a été mis en évidence par des essais de type charge-décharge-maintien et par un suivi in-situ par thermographie infrarouge. Cette étude a montré une rupture « quasi-fragile » par fissuration de la matrice quelque soit le taux de renfort. Une étude statistique complète de la microstructure en terme de distribution d'orientation et de répartition spatiale des fibres a été conduite par tomographie aux rayons X et a permis de développer un algorithme de génération automatique d'un modèle éléments-finis intégrant les distributions d'orientation et de répartition ainsi que les facteurs géométriques des fibres (L,Ø). Cet algorithme permet de rendre compte, dans la modélisation, de l'interaction complexe entre les fibres supposées élastiques isotropes. Enfin, la modélisation par éléments-finis du comportement du composite PPC est entreprise. Le comportement élastique avec endommagement progressif de la matrice est obtenu suivant un formalisme micromécanique dans lequel celle-ci est considérée comme un solide élastique isotrope affaibli par des microfissures de forme penny-shapped. Ce comportement est implémenté sur abaqus via une routine Fortran. Cette démarche offre de bonnes capacités de prédiction et ouvre des perspectives d'optimisation de ce matériau.

With conventional materials contributing greatly to environmental waste, biodegradable and natural composites have grown in interest and display low environmental impact at low cost across a wide range of applications. This book provides an overview of different biodegradable and natural composites and focuses on efforts into increasing their mechanical performance to extend their capabilities and applications.

Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension des mécanismes d'endommagement et à l'identification d'un critère de durée de vie du polyamide 6,6 renforcé à 30% en masse de fibres de verre courtes (PA66GF30), obtenu par moulage par injection, en prenant en compte les effets de la température, de la teneur en eau et des orientations de fibres induites par le procédé de fabrication. Ainsi, dans un premier temps, une campagne d'essais de caractérisation du comportement mécanique du PA66GF30, pour différentes orientations de fibres, températures, teneurs en eau et vitesses de sollicitation, a été menée. Ceux-ci ont mis en évidence le rôle de la matrice polyamide 6,6 (PA66) dans la dépendance à la température, à la teneur en eau et à la vitesse de sollicitation du comportement du PA66GF30. Dans ce sens, une triple équivalence Temps-Température-Teneur en eau du comportement du PA66 a été démontrée à l'aide de courbes maîtresses obtenues par DMA. Une nouvelle expression de la vitesse équivalente à une température et une teneur en eau de référence en a alors été déduite, dans l'objectif de pouvoir rendre compte de cette triple sensibilité dans un futur modèle de comportement. Ensuite, une campagne d'essais de fatigue dans des conditions environnementales contrôlées, a permis d'étudier les effets de l'orientation des fibres, de la température et de la teneur en eau, sur la tenue en fatigue d'éprouvettes en PA66GF30. L'analyse mécanique de ces essais a abouti à l'identification d'un critère de durée de vie, tenant compte de l'ensemble des facteurs influents. Enfin, la microtomographie des rayons X sous faisceau synchrotron a été utilisée pour étudier les mécanismes d'endommagement en fatigue présents dans le PA66GF30, suite à des analyses post-mortem et des expériences in-situ. Le dépouillement de ces observations a permis de faire la lumière sur les mécanismes d'endommagement, et de proposer un nouveau scénario d'endommagement en fatigue.

Durant ces dernières décennies les matériaux composites organiques ont subi un très grand essor dans le domaine des structures aéronautiques. Leur principal avantage est d’alléger les structures tout en gardant de bonnes propriétés mécaniques. De plus, leur microstructure leur permet d’avoir un caractère multi-fonctionnel, ce qui facilite leur intégration pour remplacer les technologies existantes. Dans l’industrie aéronautique, il existe un besoin croissant de grande quantité de petite et moyenne pièces (clips, éléments de jonctions). Cependant, il est aujourd’hui difficile de fabriquer en série des pièces ayant des formes tridimensionnelles complexes par des procédés conventionnels (autoclave). Ainsi, l’orientation envisagée est d’utiliser les procédés de la « famille » automobile pour des applications aéronautiques « semi-structurales », comme le moulage par injection de composites thermoplastiques renforcés de fibres courtes. Cette application nécessite une maîtrise et une fiabilisation du procédé ainsi que des propriétés induites. Ceci a été réalisé par l’identification et la quantification des effets des paramètres qui influent significativement sur la microstructure et les propriétés macroscopiques, par un plan d’expériences. De plus, le dimensionnement de telles pièces requiert une modélisation robuste du comportement mécanique pour prédire au mieux leur capacité d’utilisation. Les données sur la microstructure ont permis d’alimenter un modèle micromécanique comportant un critère d’endommagement de l’interface fibre/matrice. Développé sur un code éléments finis industriel, il a permis de prédire les résultats expérimentaux d’une pièce industrielle.

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).

L'objectif du projet de thèse est d'étudier et d'analyser le comportement mécanique à l'impact et en post impact de composites à fibres végétales. Le déroulement de cette thèse nécessite : L'élaboration et la caractérisation des matériaux de l'étude : Les matériaux de l'étude seront constitués de tissus à fibres végétales (lin et/ou chanvre) imprégnées de résine thermodurcissable (de type époxyde) ou thermoplastique (de type PP ou PLA). Ceux-ci seront fabriqués sous forme de plaque par la technique d'infusion sous vide ou la technique de la thermocompression, en fonction du type de résine. La caractérisation mécanique sera effectuée à partir d'essais mécaniques statiques et d'essais d'impact avec une tour de chute (à plusieurs niveaux d'énergie). Celle-ci sera d'abord menée sur des éprouvettes modèles (non impactées et non vieillis, sans et avec renfort fibreux) puis sur des éprouvettes dégradées (impactées à chaque niveau d'énergie et vieillis en humidité et température). La caractérisation de l'endommagement : Elle permettra, à partir des analyses d'images associées aux techniques de l'émission acoustique, de localiser et d'identifier les différents mécanismes d'endommagement intervenant dans ces matériaux au cours des diverses sollicitations choisies. Cette étude conduira à définir le degré de nocivité de ces endommagements tout en associant à la démarche l'influence des paramètres microstructuraux tels que la nature du renfort fibreux et des constituants (résine et fibres). L'identification de modèles de comportement : Il s'agit de proposer une méthode d'identification des paramètres matériaux de modèles de comportement tenant compte de l'endommagement au niveau de la microstructure du matériau (résine et torons de fibres). Cette étude conduira à la mise en œuvre d'une méthode de type recalage de modèles éléments finis en utilisant les bases de données expérimentales constituées notamment des mesures de champs cinématiques. L'objectif à terme est de disposer de modèles fiables et prédictifs pour le calcul de structures de ces matériaux dans l'industrie.

Les matériaux composites thermoplastiques constituent une solution technologique de premier ordre pour la fabrication de pièces et de composants fonctionnels ou de structure notamment pour l’industrie automobile. Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension et à la modélisation de la cinétique d’endommagement dans les thermoplastiques renforcés par des fibres de verre courtes (PA6‐GF30) et longues (PP‐GFL40) sous chargement cyclique. Il a permis de développer et d’identifier un modèle d’endommagement en fatigue intégrant la cinétique de dégradation spécifique aux thermoplastiques renforcés. Deux approches complémentaires ont été développées dans de cette étude. La première est une approche expérimentale dédiée à la caractérisation de l’endommagement dans les matériaux étudiés en tenant compte de l’effet du procédé de moulage par injection sur le comportement élastique endommageable. Les résultats de l’approche expérimentale ont alimenté les bases théoriques de la deuxième approche proposant une formulation d’un modèle phénoménologique d’endommagement en fatigue. Le modèle intègre les trois phases d’endommagement des composites thermoplastiques traduites phénoménologiquement par une cinétique d’évolution de cinq variables d’endommagement. Deux stratégies d’identification inverse ont été développées pour la détermination des paramètres du modèle d’endommagement. La première stratégie exploite la perte de modules mesurée lors des essais de fatigue en configuration homogène. La deuxième stratégie exploite les essais de fatigue en configuration hétérogène. Celle‐ci a été optimisée afin de générer une évolution spatio‐temporelle des déformations. Les paramètres d’endommagement sont identifiés par minimisation d’une fonction objectif construite sur la base des champs de déformations hétérogènes et des efforts à la frontière. Les essais de fatigue réalisés à différents niveaux de déplacements imposés ont permis de valider expérimentalement le modèle d’endommagement développé. Les potentialités prédictives du modèle ont été également démontrées à travers la simulation de l’évolution de l’endommagement sous chargement cyclique à amplitudes variables ou dans le cas d’un chargement cyclique biaxial combiné ou séquentiel. Ce dernier aspect permis de démontrer la capacité du modèle à prédire l’effet du trajet de chargement multiaxial sur l’évolution de l’endommagement en fatigue dans les thermoplastiques renforcés.