Contribution to the study of flax fibre reinforced unidirectional composites: relationships between the fibre microstructure and its mechanical properties
Contribution à l'étude de composites unidirectionnels renforcés par des fibres de lin : relation entre la microstructure de la fibre et ses propriétés mécaniques
Résumé
This doctoral dissertation deals with morphological and mechanical characteristics of flax fibres. Indeed, due to their lightness and their good mechanical properties, these fibres are considered as good alternatives for the glass fibres commonly used as reinforcement in polymer composites. At first, sections and longitudinal profiles of flax fibres were observed in order to determine their mean sizes and their scattering and to draw up an internal organisation scheme. Then, tensile tests were then performed on elementary fibres. Their mechanical behaviour displays a typical elasto-visco-plasticity as well as an initial non-linearity which has been attributed to an internal rearrangement of the cell wall constituents. The comparison with other natural fibres and the observation of fibre rupture surfaces allowed to corroborate this hypothesis. The study of fibres issued from two varieties and from different parts of the stems led to the conclusion that the median fibres exhibited optimal dimensions as well as higher mechanical properties than the apical or the basal ones. Finally, unidirectional composites made of flax fibres and polyester were processed by hand lay-up or by compression moulding, with several fibre volume fractions. They were tensile and flexural tested in order to determine their mechanical properties and their damage modes. The results show that flax fibres reinforced composites, in addition to their ecological benefit, are mechanically competitive compared to glass fibres reinforced composites.
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.
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