proprietes de resistance a l`impact de materiaux composites a fibre

PROPRIETES DE RESISTANCE A L’IMPACT
DE MATERIAUX COMPOSITES A FIBRE VEGETALE
Carlo SANTULLI
Università degli Studi di Camerino –
Scuola di Architettura e Design (SAD)
“Eduardo Vittoria”
Viale della Rimembranza
63100 Ascoli Piceno, Italie
E-Mail: [email protected]
COMPOSITES FIBRE-MATRICE
Pas d’excès de résine
Imprégnation de la matrice
(polymère)
Pas de fibres
insuffisamment imprégnées
Rhéologie du polymère
(étude du fluage visqueux)
Géométrie du renforcement
(présence d’irrégularités)
VERRE
CARBONE
Correction locales avec apprêt
KEVLAR
BASALTE
FIBRES VEGETALES
(par exemple lin)
POURQUOI L’HYBRIDATION
Les hybrides, comme les composites, peuvent
être utilisés pour couvrir les différences entre
les propriétés des matériaux pour faciliter
l’obtention de valeurs le plus possible proches
à ceux qu’on désire avoir en termes de
propriétés
mécaniques
(mais
aussi
thermiques, acoustiques, optiques, etc.).
Au point de vue mécanique, le calcul des
propriétés finales des composites en service
n’est pas facile, en particulier pour la
complexité des défauts présent et pour les
différents modes d’endommagement.
INTERFACE ET RUPTURE
Dans les composites traditionnels on peut avoir des ruptures fragiles (à surface lisse),
et des autres plus tenaces (à surface plus découpée),
les secondes étant la conséquence d’une meilleure adhésion
entre les fibres et la matrice (déchaussement rare ou absent)
On considère que l’interface puisse être suffisamment stable pour
permettre le bon fonctionnement mécanique du composite, quand les
fibre ont une longueur plus grande d’une “longueur critique” lc
LONGUEUR CRITIQUE ET GEOMETRIE DU RENFORCEMENT
Détermination de la longueur critique
En considérant que les diamètres des
filaments plus utilisés (carbone, verre,
kevlar) sont autour des 5-25 microns
et que la résistance à traction des fibres
est majeure au moins d’un ordre de
grandeur de la contrainte de cisaillement,
la longueur critique est normalement au
dessus d’environ 100-300 microns, ce
qui fait que le rapport d’aspect
(longueur/diamètre) soit d’au moins 2030.
Les fibres sont définies comme
“continues” quand leur longueur est
au moins 15 fois la longueur critique
AVANTAGES DU REPLACEMENT FIBRES DE
VERRE-FIBRES VEGETALES
• Réduction de poids (les fibres végétales ont densité de 0.8
à 1.6; le fibres de verre d’environ 2.5)
• Possibilité de produire des hybrides avec au même temps
fibres végétales et fibres de verre (ou autres, p.ex. basalte)
• Utilisation de matrices biodégradables (bio-polymères):
thermoplastiques,
p.ex.
amidon-sorbitol
ou
acide
polylactique, ou quasi-époxydes, par exemple basées sur
huiles de ricin, soya ou cajou, pour obtenir un composite
complètement durable et biodégradable
Il y a des secteurs industriels, comme la nautique,
où les matrices thermodurcissantes sont normalement utilisées
CRITERES DE SELECTION DES FIBRES
Cout de transport (les fibres locales sont normalement préférables: “zéro
km”)
Adaptabilité à l’application
Type de traitement pour l’amélioration des propriétés
Aspects environnementales (Analyse du Cycle de Vie: ACV-LCA)
Aspects biologiques (origine et maturité des fibres, facilité d’extraction)
Appartenance à une “filière productive” multiforme
Existence de technologies traditionnelles
Filière productive: par exemple le lin peut servir à la production de
fibres pour textiles, cordages,
huiles (pour usage alimentaire, médical et bio-diesel),
graines pour usage comestible.
AUTRES CRITERES DE SELECTION
Fibres plus dures
(jute, chanvre…)
Origine botanique
Tiges
Fibres plus souples
(e.g., lin, kenaf)
Feuilles (sisal, banane, abaca, phormium...)
Graines (coton, kapok)
Fruits (coco, palme à dattes)
Procédé d’extraction de la fibre
(manuelle, décorticage, par bactéries ou
enzymes, etc.)
Critères conséquents
Traitement des fibres
(primaire pour emporter de la matière,
secondaire pour protection)
Caractéristiques agronomiques
(région d’origine, cultivar, etc.)
APPLICATIONS TEXTILES DIVERSES
Corde en chanvre
Nattes en agave
Tuyau de tresse en chanvre
Tissues de jute
Ruban en abaca
Ficelle en lin
Sac en agave
henequen
Pour les composites on use souvent nattes non tissues ou avec fibres en orientation casuelle (random )
PROPRIETES MECHANIQUES DES MATERIAUX
NATURELS (diagrammes d'Ashby-Wegst)
La densité des fibres végétales est autour de 0.7-1.5,
beaucoup moins du verre en tout cas, ce qui justifie en principe
le replacement fibres de verre-fibres végétales
MACERATION (rouissage)
L'extraction permet l’élimination de la pectine des fibres
(en particulier celles qui sont tiré de la tige, c.à.d. décortiquées)
Extraction naturelle par rouissage
(dans les champs inondés, par action
bactérienne)
Extraction par enzymes
(pectinase) (lin, ortie)
(moins de dégâts sur les fibres)
Pour augmenter la dureté de surface des fibres obtenues et/ou pour permettre leur incorporation
dans une matrice polymérique, un traitement (normalement chimique) peut être nécessaire
TRAITEMENT
Blanchissage
(pour une couleur uniforme)
Hypochlorite de sodium
(“eau de Javel”)
Elimination matière non structurelle et
régularisation de forme
Acétylation
Recouvrage/protection/compatibilisation
FIBRES DE CHANVRE
BLANCHIES OU PAS
Soude caustique (traitement général)
Effet d’application de la soude
caustique sur fibres de coton
Anhydride maléique
Silanes
Gomme-laque
On peut avoir aussi des traitements physiques, par exemple par rayons ultraviolets ou
par une décharge électrique (effet couronne) avec production d’ozone
PROBLEMES DES FIBRES VEGETALES
Absorption d’humidité
Vulnérabilité aux microbes
et moisissure
Disponibilité variable
Saisonnalité: souvent on a un seul
récolte par an
Degradation juste au
dessus des 200°C
Problème pour le recyclage du composite
(difficile séparation de fibre et matrice)
Proprietés très variables
Avec la région d’origine
Avec le temps de récolte
Avec la méthode d’extraction des fibres
Le problème de la saisonnalité est que la disponibilité de fibres doit correspondre à
peut près à la période de maximale production pendant l’année du secteur d’intérêt
(par exemple automobile)
PROBLEMES DANS L’UTILISATION DES FIBRES
VEGETALES DANS LES COMPOSITES
• Extraction des fibres (qui souvent les endommage)
• Sensibilité à la présence d’humidité
• Anisotropie des fibres (même dans la direction de leur longueur)
• Manque de données dynamiques (par exemple: impact, fatigue)
Géométries irrégulières
Fractures complexes
Faible adhésion entre
fibre et matrice
Composite
jute/polyester
Fracture d’une fibre
d’okra bahmia
(torsion évidente)
Fibrillation fibre
de chanvre
POURQUOI ETUDIER LA RESISTANCE A L’IMPACT?
Chute d’un objet
par accident
Problème fréquent
pendant l’usage
Endommagement
par choc mécanique
Condition pour une application
structurelle du matériau
Perte de propriétés mécaniques
Evaluations sur le replacement
de la pièce endommagée
Même sur une coque de téléphone portable
(par exemple en acide polylactique/kenaf) les propriétés
de résistance au chocs peuvent avoir de l’importance
IMPACT A CHUTE DE POIDS
Les essais d'impact bidimensionnel (ASTM D7136)
permettent d'avoir des informations sur:
 Caractérisation de l'endommagement
 Evolution de l'endommagement avec l'énergie d'impact
 Comportement d‘hystérésis mécanique (énergie
dissipée dans le matériau) et énergie de pénétration du
matériau
L'endommagement du matériau peut dépendre des
propriétés locales du composite (endommagement du
crossover: point de rencontre entre trqme et chaine)
Des autres propriétés peuvent avoir de l'influence sur la
propagation et la gravité de l'endommagement : parmi
elles sont la géométrie et la dimension de l'impacteur et
le moyen de support de l'échantillon (vinculé de façon
que seulement la partie centrale puisse se déformer ou
disposé en poutre de flexion)
L'impact bidimensionnel à chute de poids est différent de l'impact monodimensionnel
par choc (Charpy, Izod: ISO256), où ce qu'on mesure est l'énergie absorbée
et la dispersion des données en fonction des propriétés locales est majeure
IMPACT IDEAL
En absence de friction lors de la chute (condition idéale)
l’énergie potentielle est complètement transformée en
énergie cinétique:
E=mgh= ½ mv2
m= masse, g accélération de gravité, h=hauteur, v=vitesse
Pendant l'impact, l'énergie cinétique se transforme
partiellement en énergie d'endommagement, tandis
qu'une autre partie se dissipe comme chaleur ou friction
mécanique. L'énergie d'endommagement est
représentée par le cycle d‘hystérésis.
MODE D'ABSORPTION D'ENERGIE:
INITIATION ET PROPAGATION
DE L'ENDOMMAGEMENT PENDANT ESSAIS D'IMPACT
On peut distinguer quatre phases dans l'impact à chute de poids sur les composites,
les trois premières étant charge quasi-élastique, compression, torsion.
La dernière phase peut être un rebond ou un endommagement complexe de pénétration)
en dépendance du niveau d'énergie appliqué.
En général, il y a de l'endommagement à forme circulaire
et de l'endommagement en forme de fissure radiale sur le face impactée et à fur et à mesure
de l'énergie appliquée sur la face opposée aussi.
On parle d’impact à faible vitesse (notamment autour de 1-10 m/s) quand
l’effet de vibration est négligeable par rapport au causes d’endommagement
IMPACT MONODIMENSIONNEL (Charpy, Izod)
ET SES LIMITES
On peut utiliser des poutres entaillées ou pas pour les essais sur les composites
(en dépendance de l’épaisseur)
Les modes de rupture peuvent être très différents même dans différents
échantillons de la même série, ce qui est dû aux variations des propriétés locales
INFLUENCE DES DEFAUTS
Défaut dans la matrice
Endommagement
Endommagementpar
parimpact
impact“déclenché”
“déclenché”par
pardes
desdéfauts
défautsde
de
surface
surfacedans
dansun
unlaminé
laminéfibre
fibredi
dilin/époxyde
lin/époxyde
INFLUENCE DE L'ORIENTATION DES FIBRES
(composites en fibre de chanvre et résine époxyde)
Fibres unidirectionnelles
Fibres orientées a 0/90
Les variations de diamètre des fibres
engendrent des irrégularités dans le
composite à fibres végétales qui
peuvent empêcher l’uniforme
imprégnation par la résine
Fibres orientées random
ETUDE DES CURVES D’HYSTERESIS
OBTENUES AVEC LES ESSAIS D’IMPACT
HYSTERESIS ET MODE
D’ABSORPTION DE
L’ENERGIE
On peut diviser les cycles d’hystérésis
d’impact en différentes surfaces:
A1, qui représente l’absorption d’énergie
élastique (jusqu'à la charge maximale),
A2 qui représente la déformation
plastique et la rotation de l’impacteur,
A3 qui représente l'énergie élastique
rendue (au cas de rebond de l'impacteur)
ou bien l'énergie amorcée de frottement
transférée du matériau à l'impacteur
(au cas de pénétration).
Le diagramme en haut se réfère à un
échantillon en lin-époxyde au 50% en poids
de fibres, tandis que le diagramme en bas
à un échantillon en phormium-époxyde
au 15% en poids de fibre.
IMPACT BALISTIQUE
Jute/polypropylène
Protubérance (bulging) localisée des deux
côtés du parcours du projectile.
Délaminage de la face non impactée
avec perte de matière (spalling) (moins
d'obstacles à la propagation des fissures)
Chanvre-polypropylène
Agrandissement du perce d'impact
vers la face non impactée.
Le mode de fracture prévalent change
pendant la pénétration
LAMINÉS HYBRIDES RENFORCÉS AVEC FIBRES
VEGETALES ET DE VERRE : DEUX POSSIBILITES
 Introduire une petite quantité de fibres végétales, avec l'objectif
d'avoir un bénéfice pour l'environnement avec par conséquent à
peine quelque réduction (ou pas de réduction si possible) de la
performance sous impact (p.ex., pour applications automobile)
 Introduire une plus grande quantité de fibres végétales à
l'intérieur du laminé (core) pour obtenir une suffisante dissipation
de l`endommagement (gilets pare-balles?)
En général: détermination du rapport optimal fibres de verre/fibres végétales
compatible avec l'application (et en dépendance du procédé de production,
de la géométrie du renfort et de la matrice utilisée)
IMPACT DE LAMINÉS HYBRIDES
(LIN-EPOXY/VERRE-EPOXY)
Face impactée
Bord
L'intérieur
L'intérieurdu
dulaminé
laminéen
enlin-époxyde
lin-époxydemontre
montreune
unecertaine
certaine
action
actionde
dedissipation
dissipationde
del’endommagement
l’endommagement
POSSIBLE APPLICATION
Panneau portière (Volvo)
Fibres utilisées:
Abaca
Lin France
Lin Lituanie (deux types)
Jute Bangladesh
Contenu de fibres: 30 o 40%
La Trabant, voiture “icone” de la
Allemagne de l’Est, avait un châssis
en résine phénolique renforcée avec
des déchets de l’industrie textile.
Le prototype a été produit par moulage à compression avec
polypropylène, matrice standard pour applications dans
l’automobile.
Le moulage avec résines basées sur l’amidon (maïs/pommes
de terre, sorbitol, acide polylactique) a été essayé aussi.
Un composite automobile récemment développé est le Biotex
(matrice PLA/fibre de PLA/fibre di lin)
Ford “hemp car” (1941)
MERCEDES SERIE A: EXPERIMENTATION AVES COMPOSITES
EN FIBRE VEGETALE (LIN, BANANE)
source: DC
Intérieurs et extérieurs de wagons de
chemin de fer (NPSP, Pays-Bas)
partiellement en composite avec
nattes en fibre de lin ou de chanvre
COMPOSITES EN FIBRE VEGETALE
RESISTANTS A L'IMPACT?
Critères d’évaluation:
 Sélection des fibres avec des critères objectifs
 Considération de l‘hybridation dans le sens plus général
possible
 Le traitement (si nécessaire) ne doit pas annuler les
bénéfices environnementaux
 Génération d’une vaste base de données d’impact et
post-impact, pour connaissance du comportément jusqu'à
pénétration (à différentes vitesses d’impact)