Identification des propriétés micromécaniques de Kink Bands au sein de renforts fibreux pour bio composites fabriqués par impression 3D. Application au lin/PLA dans différentes conditions de température et d'humidité

Mots clés

Relation microstructure – comportement, Analyse multi échelle (expérimental – numérique), Composites bio-sourcés, Défauts (kink-bands)

Détail de l'offre

Les bio-composites, particulièrement ceux utilisant des fibres naturelles comme le lin en combinaison avec des matrices polymères biodégradables telles que le PLA (acide polylactique), suscitent un intérêt croissant dans de nombreux secteurs industriels. Ces matériaux offrent des avantages en termes de durabilité, de légèreté, de biodégradabilité et de performances mécaniques satisfaisantes. L'une des techniques prometteuses pour la fabrication de ces bio-composites est l'impression 3D, qui permet de produire des structures complexes avec des renforts de fibres aux orientations contrôlées.
Cependant, les propriétés mécaniques des bio-composites renforcés avec ces fibres naturelles peuvent être affectées par la présence de défauts microstructuraux tels que les Kink-Bands. Ces zones de déformation et de dislocations localisées et distribuées le long des renforts fibreux peuvent diminuer la performance mécanique globale du composite.
Les Kink Bands apparaissent dans les fibres après des chargements thermo-hygro-mécaniques suffisamment intenses pour endommager localement les corps fibreux des renforts. Les Kink-Bands sont alors distribués aléatoirement le long des faisceaux fibreux. Les distances moyennes fibreuses entre ces Kink Bands s'apparenteraient à des longueurs critiques de fibres aux extrémités desquelles les sévérités des déformations/dislocations sont à identifier. Il apparait donc que les Kink-Bands soient susceptibles de piloter les modes de ruptures locaux des bio composites depuis les déchaussements fibres matrice (rupture adhésive) jusqu'aux ruptures cohésives. Une attention particulière sera portée sur l'influence de l'environnement extérieur (humidité, température) sur l'apparition et l'influence de ces défauts.
L'objectif principal de cette thèse est donc d'identifier et de caractériser les propriétés micromécaniques des Kink-Bands et leurs distributions géométriques au sein des renforts de fibres naturelles, notamment le lin, dans des bio-composites fabriqués par impression 3D. L'accent sera mis sur le couple lin/PLA, en raison de ses propriétés écologiques et mécaniques intéressantes pour des applications industrielles. L'étude visera à étudier le matériau :
• A l'échelle des faisceaux fibreux (renforts co-mêlés et pré-consolidés)
• A l'échelle des structures composites (renforts)
Méthodologie :
• Approche expérimentale : Des échantillons de bio-composites lin/PLA seront fabriqués via impression 3D. Des techniques de microscopie électronique (MEB) et de micro tomographie seront utilisées pour observer et caractériser les Kink-Bands. Des essais thermo-hygro-mécaniques à différentes échelles (macro et micro) seront réalisés pour évaluer les propriétés locales et globales du matériau.
Modélisation numérique : Une modélisation par éléments finis (FEM) sera développée pour simuler l'apparition des Kink-Bands et leur impact sur le comportement mécanique du composite à chacune de ses échelles.
• Analyse multi-échelles : Un modèle couplant les échelles microscopique et macroscopique sera élaboré pour mieux comprendre l'effet des Kink-Bands sur les propriétés mécaniques globales des bio-composites.
Contributions attendues :
• Amélioration des connaissances sur les mécanismes de formation des Kink-Bands dans les renforts fibreux naturels.
• Identification des paramètres de fabrication influençant la formation des Kink-Bands et leurs propriétés mécaniques.
• Développement de modèles prédictifs pour optimiser la conception de bio-composites à fibres naturelles fabriqués par impression 3D, en tenant compte des défauts microstructuraux.
• Contribution à la promotion de l'utilisation de bio-composites lin/PLA dans des applications industrielles à haute performance et durabilité.