Study of the low velocity impact and post-impact behaviour of composite materials reinforced with plant fibres
Etude du comportement mécanique à l'impact et en post-impact de matériaux composites à fibres végétales
Résumé
This PhD research work aims at studying the low velocity impact and post-impact behaviour of flax/epoxy composites. The samples were manufactured using a vacuum infusion process and the reinforcement was a 2/2 twill weave fabric. Samples of 4, 6 and 8 plies have been studied. The experimental device used for impact tests was an instrumented (force and accelerometer) drop tower and was associated to two high-speed cameras. Those cameras captured pictures of the back impact surface of the sample during the impact in order to sharply analyse the behaviour of the composites during impact. The video footages have also been post-treated to detect the cracks and follow their evolution, especially at maximum deflection. Furthermore, bending and fatigue tests have been carried out on the impacted samples so that their residual post-impact properties can be assessed and compared to these obtained on the untested samples. A batch of samples was submitted to pre-impact loadings or ageing such as fatigue, hydric ageing or natural ageing in order to analyse the post-impact behaviour of the material at different steps of its life cycle.
Several conclusions can be drawn from the results of the study. (i) The 6 plies sample can be a good compromise between a mass gain and interesting impact and post-impact properties. For instance, its normalised residual properties after a 10 J impact are similar to those of the 8 plies sample. (ii) A material’s behaviour in three stages conducting to perforation has also been highlighted. Even at low energy and without easily visible damage on the surface, the materials show a loss of properties. The strength and the stiffness decrease respectively by 21% and 10% for the 8 plies sample with an impact energy of 5 J. The properties then stabilise before decreasing again when the value of the impact energy gets close to the perforation energy. (iii) The implementation of different scenarios representing the life cycle of the material has shown that the hydric ageing lowers the mechanical properties of the materials. It is particularly obvious concerning the dynamic stiffness and the flexural modulus. This aggressive type of ageing also changes their impact behaviour. As of the natural ageing, it doesn’t show any significant influence on the properties of the materials.
Le travail de cette thèse concerne le comportement à l’impact basse vitesse et en post-impact de composites lin/époxy. L’étude porte sur des échantillons obtenus à partir d’un procédé d’infusion sous vide d’un assemblage de renforts tissés sergé 2/2 composés de 4, 6 ou 8 plis. Différents essais d’impact ont été réalisés au moyen d’une tour de chute instrumentée de capteurs (force et accéléromètre) et de deux caméras numériques rapides. Ces dernières filment la face opposée à l’impact de l’échantillon et une technique de stéréo-corrélation d’images numériques a été mise en œuvre afin d’analyser finement le comportement du composite lors de l’impact. Les séquences d’images acquises ont également été post-traitées pour la détection et le suivi des fissures, en particulier à la déflexion maximale. Par ailleurs, des essais de flexion et de fatigue ont été menés sur les échantillons impactés afin de caractériser leurs propriétés résiduelles post-impact et de les comparer aux résultats obtenus sur des échantillons sains. Un lot d’échantillons a subi des sollicitations précédant l’impact telles que de la fatigue et du vieillissement hydrique ou naturel afin d’analyser le comportement post-impact du matériau à différentes étapes de son cycle de vie.
Les résultats de l’étude mettent en évidence que (i) le matériau avec 6 plis peut constituer un bon compromis entre un gain de masse et des propriétés à l’impact et post-impact intéressantes. Ses propriétés résiduelles normalisées après un impact de 10 J sont par exemple du même ordre que celles du 8 plis. (ii) En fonction de l’énergie d’impact, un comportement du matériau en trois stades menant à la perforation a été mis en évidence. Même pour une faible énergie sans endommagement macroscopique visible en surface, les matériaux subissent une perte de propriétés : la contrainte à rupture et le module en flexion diminuent respectivement de 21% et 10% pour le 8 plis à 5 J. Les propriétés se stabilisent ensuite avant de diminuer à nouveau lorsque le niveau d’énergie se rapproche de l’énergie de perforation. (iii) La mise en place de scénarios représentatifs du cycle de vie du matériau a montré que le vieillissement hydrique conduit à une baisse des propriétés mécaniques des matériaux, particulièrement significative pour la raideur dynamique et le module de flexion. Ce vieillissement agressif modifie aussi leur comportement à l’impact. Le vieillissement naturel n’a quant à lui pas montré d’influence notable.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Loading...