Multiscale and multiphysical analysis of crack propagation phenomena in natural cellulosic fibre materials
Etude multi-échelles et multiphysiques des mécanismes de fissuration dans les matériaux à base de fibres naturelles
Résumé
Materials made up of synthetic or natural fibres are increasingly developed in various domains: papermaking, composite, automotive and aeronautic industries for structural, packaging, air filtration or medical applications. Despite the variety of manufacturing processes of such materials, all of them can be considered as being formed by a network of fibres interconnected via bonds. For instance, in the case of materials made up of natural cellulosic fibres such as papers or boards, fibres are chemically linked.Crack propagation phenomena in such materials remain poorly understood even though it can be presumed that such mechanisms depend on:- (i) the geometrical and mechanical properties of the constituents of individual fibres and fibre-fibre bonds,- (ii) the architecture of the fibrous network, for example the spatial distributions of fibres, bonds and pores and the size distributions of pores and bonds,- (iii) the applied mechanical loadings.In such materials, scale effects must be investigated in order to improve the classical approaches used to understand crack propagation mechanisms. Recent progresses in both experimental mechanics and numerical simulation approaches allow such a study from the fibre scale up to the fibre network scale to be carried out.The proposed PhD aims first at developing an original experimental approach to analyse microstructure changes and crack propagation phenomena for low density papers. For that purpose x-ray microtomography or ESEM, and stereo-correlation experiments will be carried out to investigate microstructural changes and deformation mechanisms at all relevant scales (see the illustration given in ).
L’utilisation des matériaux constitués de fibres synthétique ou naturelle est en pleine expansion et concerne de nombreux secteurs : industrie automobile, aéronautique, électrique, filtration de l’air ou applications médicales. Malgré des procédés de fabrication et des natures de fibres différents, ces matériaux ont pour point commun d’être constitués d’un réseau de fibres liées entre elles par des liaisons. Les papiers et les cartons sont, par exemple, constitués de fibres de cellulose naturelles liées chimiquement. A l’heure actuelle, les mécanismes de fissuration dans de tels milieux sont encore mal compris. Ils dépendent fortement (a) des propriétés des constituants : géométrie et propriétés mécaniques des fibres et des contacts fibre-fibre, (b) des caractéristiques des réseaux fibreux : géométrie et arrangement des fibres, et des caractéristiques du réseau poreux induit : porosité, distribution de taille des pores, répartition spatiale des pores, etc. et (c) des modes de sollicitations mécaniques. Dans ce type de matériaux, les effets d’échelles doivent être pris en compte pour compléter les approches mécaniques traditionnelles. Les récents progrès en mécanique expérimentale et en simulation numérique permettent de mener une telle étude de l’échelle de la fibre à celle du réseau fibreux.Cette thèse a donc pour but de mettre en place des outils d’analyse des microstructures et des mécanismes de fissuration dans les milieux fibreux à faible densité. Pour cela, (i) des essais de micromécaniques seront couplés à des méthodes d’imagerie (ESEM, microtomographie à rayons X, stéréocorrélation) afin de caractériser expérimentalement les milieux et leur endommagement (ii) Cette étude vient compléter les travaux expérimentaux menés dans les deux laboratoires 3SR et LGP2 (ANR ANAFIB http://anafib.hmg.inpg.fr/spip.php?rubrique1) et sera complétée par des simulations numériques des essais réalisés en collaboration avec Per Isaksson de l’Université d’Uppsala (Suède).
Origine : Version validée par le jury (STAR)