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Pour réduire leur empreinte environnementale, les industriels recherchent des matériaux renouvelables pouvant se substituer aux solutions pétrosourcées. De par leur faible densité et leurs propriétés mécaniques élevées, l'intérêt pour les matériaux composites à fibres végétales se fait grandissant. Cependant, le manque de données concernant le comportement différé de ces composites est un frein à leur utilisation dans des applications structurales. Le but de ce travail de thèse est de caractériser et modéliser le comportement en fluage dans des conditions hygrothermiques variables. La première partie de l'étude est dédiée à la validation du procédé de fabrication utilisé. Puis, les isothermes de sorption d'eau sont déterminées pour les composites fabriqués. Une comparaison des déformations mesurées à l'aide de trois moyens métrologiques différents est réalisée avant d'analyser l'effet du niveau de sollicitation sur le comportement différé d'un composite unidirectionnel sous chargement de traction dans la direction des fibres. Les principaux résultats montrent qu'une augmentation du niveau de sollicitation a pour conséquence une augmentation de la déformation totale, de la vitesse de déformation, de la durée de fluage primaire. Le comportement du matériau est viscoélastique jusqu'à une contrainte de 55 MPa. Une dépendance à la contrainte est visible pour les niveaux de chargement étudiés. To reduce their environmental footprint, companies are looking for renewable solutions that can replace fuel-based solutions. Due to their low density and attractive mechanical properties, interest in plant fibre composites is growing. However, the lack of data on the delayed behaviour of these composites does not allow them to be used in structural applications. The aim of this PhD research works is to characterise and to model the creep behaviour under varying hygrothermal conditions. The first part of this study is dedicated to the validation of the manufacturing process. Then, water sorption isotherms are determined for manufactured composites. A comparison between three metrological means is done before analysing the effect of stress level on the delayed behaviour of tensile unidirectional composites in fiber direction. The main results show the increase in the stress level causes the increase of total strain, the rate of strain, the duration of primary creep stage. The material behavior is viscoelastic until a stress equal to 55 MPa. A dependence to the stress is observable for the studied stress levels.
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Comptes Rendus des JNC 21 Bordeaux INP 1-3 juillet 2019
1
Comportement au fluage de composites à fibres végétales
Creep behaviour of plant fibre composites
Benjamin Sala1, Xavier Gabrion1, Violaine Guicheret-Retel1, Frédérique Trivaudey1, Vincent Placet1
1 : Département Mécanique Appliquée, Institut FEMTO-ST,
Université Bourgogne Franche-Comté
24 rue de l’Epitaphe, F- 25000 Besançon
e-mail : benjamin.sala@femto-st.fr et vincent.placet@univ-fcomte.fr
Résumé
Pour réduire leur empreinte environnementale, les industriels recherchent des matériaux renouvelables pouvant se
substituer aux solutions pétrosourcées. De par leur faible densité et leurs propriétés mécaniques élevées, l’intérêt pour les
matériaux composites à fibres végétales se fait grandissant. Cependant, le manque de données concernant le
comportement différé de ces composites est un frein à leur utilisation dans des applications structurales. Le but de ce
travail de thèse est de caractériser et modéliser le comportement en fluage dans des conditions hygrothermiques variables.
La première partie de l’étude est dédiée à la validation du procédé de fabrication utilisé. Puis, les isothermes de sorption
d’eau sont déterminées pour les composites fabriqués. Une comparaison des déformations mesurées à l’aide de trois
moyens métrologiques différents est réalisée avant d’analyser l’effet du niveau de sollicitation sur le comportement différé
d’un composite unidirectionnel sous chargement de traction dans la direction des fibres. Les principaux résultats montrent
qu’une augmentation du niveau de sollicitation a pour conséquence une augmentation de la déformation totale, de la
vitesse de déformation, de la durée de fluage primaire. Le comportement du matériau est viscoélastique jusqu’à une
contrainte de 55 MPa. Une dépendance à la contrainte est visible pour les niveaux de chargement étudiés.
Abstract
To reduce their environmental footprint, companies are looking for renewable solutions that can replace fuel-based
solutions. Due to their low density and attractive mechanical properties, interest in plant fibre composites is growing.
However, the lack of data on the delayed behaviour of these composites does not allow them to be used in structural
applications. The aim of this PhD research works is to characterise and to model the creep behaviour under varying
hygrothermal conditions. The first part of this study is dedicated to the validation of the manufacturing process. Then,
water sorption isotherms are determined for manufactured composites. A comparison between three metrological means
is done before analysing the effect of stress level on the delayed behaviour of tensile unidirectional composites in fiber
direction. The main results show the increase in the stress level causes the increase of total strain, the rate of strain, the
duration of primary creep stage. The material behavior is viscoelastic until a stress equal to 55 MPa. A dependence to the
stress is observable for the studied stress levels.
Mots Clés : Fibres végétales, matériaux composites, fluage, humidité
Keywords : Vegetal fibers, composite materials, creep, moisture
1. Introduction
Le réchauffement climatique et les enjeux environnementaux occupent une place importante
dans la société actuelle. L’accroissement du relâchement de gaz à effet de serre, causé en parti par
l’activité industrielle, a pour conséquence une montée en température du globe [1]. Afin de réduire
leur empreinte carbone et faire face aux normes environnementales plus strictes, certains industriels
s’intéressent à de nouveaux matériaux pouvant constitués des solutions alternatives aux solutions
pétrosourcées [2]. Parmi ces matériaux renouvelables se trouvent les composites à fibres végétales.
Souvent comparées aux composites à fibres de verre, ces solutions biosourcées possèdent une densité
plus faible et des propriétés mécaniques quasiment équivalentes [2-4]. Certains objets sont déjà
réalisés à partir de ces matériaux composites [5] et leur utilisation dans des applications structurales
devrait croître dans le futur [2].
Cependant, il demeure des réticences à l’utilisation de ces matériaux. Bien que le
comportement en traction monotone de ces composites soit relativement bien documenté dans la
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littérature, la création de modèles prédictifs n’en est qu’à son début [6-7, 9]. De plus, les composites
à fibres végétales ont pour particularité d’absorber l’eau ce qui a pour conséquence une modification
des propriétés mécaniques [8]. Le comportement différé de ces matériaux n’est que très peu étudié
dans la littérature et ne permet pas de construire des outils de modélisation pouvant prédire la durée
de vie des composites sur le long terme. Les résultats collectés montrent cependant l’existence de
modes de fluage primaire et secondaire dans la direction des fibres. Lors de la recouvrance, des
déformations résiduelles peuvent également être observées [9]. Une plus grande teneur en fibres
permet de réduire cette déformation résiduelle [10]. L’environnement hygrothermique influe sur la
réponse en fluage du matériau. Une augmentation de la température induit une déformation totale
plus importante [11] tandis que l’absorption d’eau fait croître le niveau de déformation résiduelle
[12].
Ce travail, mené dans le cadre du projet européen SSUCHY (www.ssuchy.eu), a pour but de
contribuer à la compréhension du comportement différé de composites à fibres végétales. La non-
linéarité de la déformation par rapport au temps mais aussi par rapport à la contrainte, peu décrit dans
la littérature, sera en particulier étudiée. Pour cela, deux états hygrothermiques sont considérés, à
savoir 23°C - 50% HR et 70°C - 85% HR. Seuls les résultats mécaniques à 23°C - 50% HR sont
présentés dans ce papier.
Dans un premier temps, la fiabilité du processus de fabrication des plaques composites est
étudiée. La cinétique de sorption est ensuite mesurée afin de déterminer le temps minimal permettant
aux éprouvettes d’atteindre l’équilibre hygroscopique dans un environnement à 70°C - 85 % HR. De
plus, une étude préalable, consistant à comparer les déformations mesurées à l’aide de trois moyens
métrologiques différents, a permis de choisir celui qui sera à utiliser lors de la campagne d’essais de
fluage. Ce travail se termine en s’intéressant à l’influence de la contrainte nominale sur le
comportement différé des composites.
2. Matériaux et Méthodes
2.1 Matériaux
Le renfort utilisé pour la réalisation des plaques composites est un ruban unidirectionnel de
lin de masse surfacique 110 g/m² (L-Flaxtape-110-36 Lineo®). Une résine époxy partiellement
biosourcée provenant de la société Sicomin (GreenPoxy 56) et son durcisseur (SD 7561) ont été
choisis comme constituants de la matrice.
2.2 Fabrication
Le ruban unidirectionnel de lin est, tout d’abord, découpé en 20 plis de dimension 300 mm x
200 mm. Un cordon de matrice est dépo manuellement au centre et sur toute la largeur de chaque
pli. Le moule est ouvert à deux de ses extrémités pour permettre l’évacuation de l’excédent de matrice.
Tous les plis sont orientés dans la direction des fibres. L’épaisseur moyenne des plaques est d’environ
2,8 mm.
L’ensemble est ensuite placé sous une presse de thermocompression (Agila 100kN) pour y
subir le cycle de cuisson décrit ci-dessous (Fig. 1). Sous l’effet de la pression, la matrice va migrer le
long des fibres [13]. Une fois ce cycle terminé, une post-cuisson à 80°C pendant 2 heures est réalisée
dans un délai de 2 jours. Six plaques identiques ont été fabriquées. Les fractions volumiques de fibres,
de matrice et de porosité des différentes plaques ont été déterminées en utilisant la méthode décrite
par Berges & al. [14] et directement adaptée de la norme ASTM D 3171-99. Les résultats sont donnés
comme étant la valeur moyenne des fractions volumiques calculées sur 4 éprouvettes d’une même
plaque. L’intervalle de confiance est donné à plus ou moins l’écart-type.
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Fig. 1. Cycle de thermocompression des plaques composites fabriquées
2.3 Préparation et conditionnement des éprouvettes
Des éprouvettes de longueur 250 mm et de largeur 15 mm sont découpées au laser dans la
direction des fibres. Ce mode de découpe permet d’éviter l’utilisation d’une quelconque lubrification
ou humidification. Ces échantillons ont ensuite été conditionnés dans une enceinte climatique à 23°C,
50% HR pendant une durée minimale de 20 jours.
2.4 Essais de sorption
Cinq échantillons de dimensions 250x15x2.8 mm ont été préalablement séchés à une
température de 103°C pendant 7 jours. Ils ont ensuite éimmédiatement conditionnés dans une
enceinte Climats® Excal 1411-HA à 70°C - 85% HR.
En s’appuyant sur la norme ASTM D 5229-92, lorsque les éprouvettes sont retirées de la
chambre de conditionnement, celle-ci sont placées immédiatement dans un sac plastique. La masse
de chaque éprouvette est ensuite mesurée puis les échantillons sont directement remis dans l’enceinte
climatique. La mesure de la masse est faite sur une balance de précision 0.001 g et ne dépasse pas
une durée de 5 min.
Le coefficient de diffusion est calculé à partir de l’expression fournie par la norme
ASTM D 5229-92.
2.5 Essais mécaniques
Les différents essais mécaniques sont réalisés sur une machine MTS® Criterion C45 équipée
d’une cellule de force de 100 kN.
2.5.1 Essais de traction monotone
Les essais de traction ont été réalisés selon la norme ASTM D-3039-00 sur 6 éprouvettes de
dimensions 250x15x2.8 mm. La vitesse de déplacement de la traverse a été fixée à 1 mm/min. Un
extensomètre à contact Instron® de longueur de jauge 50 mm et d’étendue de mesure de ±10%, a été
placé sur chaque éprouvette La contrainte est calculée en effectuant le rapport entre la force mesurée
et la section initiale de l’éprouvette.
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Fig. 2. Courbe de traction typique d’un composite à fibres de lin sollicité dans le sens des fibres et mise en évidence des
intervalles de détermination des modules apparents
La courbe contrainte/déformation typique de ce matériau (Fig. 2) met en évidence un
comportement bi-phasique au sein duquel sont définis deux modules apparents [14-15]. Le point
limite séparant les deux phases du comportement est appelé par la suite le point d’inflexion. Les
modules sont calculés par une régression linéaire : le premier dans l’intervalle entre 0.01% et 0.15%
de déformation (Eapp1) et le second entre 0.4% et la déformation à rupture (Eapp2). Les modules
apparents, les contraintes à rupture et les déformations à rupture ont été mesurés et exprimés comme
étant la moyenne des valeurs obtenues sur les 6 éprouvettes. L’intervalle de confiance est pris égal à
un écart-type.
2.5.2 Essais de fluage en traction
Les essais ont été réalisés pour différentes contraintes nominales et des temps de
fluage/recouvrance identiques et égaux à 30 minutes ou 1 heure. La durée nécessaire pour atteindre
la contrainte nominale est comprise entre 1 et 5 secondes conformément à la norme ISO 899-1. Lors
d’essais préliminaires, plusieurs moyens métrologiques pour la mesure de la déformation axiale ont
été utilisés et comparés, afin de déterminer le moyen le plus adapté pour la réalisation de la campagne
d’essais de fluage. Il s’agit : (i) de jauges de déformation bidirectionnelles de la société Micro-
Measurements® dotées d’une longueur de grille de 1.57 mm et d’une étendue de mesure de ±3%, (ii)
d’un extensomètre à contact de longueur utile 50 mm et doté d’une étendue de mesure de ±10%,
d’une caméra Grasshopper 3 Flir® 4,1MP pour la réalisation d’images optiques de l’éprouvette durant
les essais et la détermination des champs de déformation par corrélation d’images. Aucun mouchetis
n’a été appliqué sur le composite. Les champs de déformations ont été calculés en utilisant
l’algorithme de Réthoré & al. [16]. Les résultats ont été exprimés comme étant la moyenne des
déformations calculées.
3. Résultats et Discussion
3.1 Étude de la variabilité des propriétés des plaques composites
Dans le but de valider le protocole de fabrication des plaques composites, il convient d’étudier,
tout d’abord, les différentes fractions volumiques (Tab. 1.). Les conditions de fabrication utilisées
permettent d’obtenir des fractions volumiques de fibres proche de 50% et des fractions volumiques
de porosité très faibles pour l’ensemble des plaques réalisées. Ces valeurs sont en adéquation avec
Module
apparent 1
Module
apparent 2
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les résultats obtenus dans la littérature pour une fabrication par thermocompression avec le même
renfort [13-14].
N° plaque
Fraction vol. de fibre
[%]
Fraction vol. de
matrice
[%]
Fraction vol. de
porosité
[%]
1
52.8 ± 1.8
45.0 ± 1.8
2.3± 0.7
2
50 ± 0.5
46.5 ± 1.6
3.5 ± 1.6
3
49.9 ± 0.6
49.5 ± 1.6
1.1 ± 0.7
4
50.1 ± 1.7
49.5 ± 1.3
1.2 ± 0.7
5
49.7 ± 0.6
48.7 ± 1.1
1.6 ± 0.7
6
52.6 ± 2.4
45.0 ± 4.0
2.4 ± 1.6
Tab. 1. Fractions volumiques de fibre, de matrice et de porosité de chaque plaque
Dans un second temps, des essais de traction dans le sens des fibres ont été effectués sur les
éprouvettes prélevées dans chacune des 6 plaques composites fabriquées (Tab. 2). En utilisant le
même renfort et sur des composites ayant 45% de fibres en volume, Berges & al. [14] ont obtenus
des modules apparents 1 et 2 égaux respectivement à 33 GPa et 20 GPa. Cadu & al. [17] ont quant à
eux obtenus des modules de 32 GPa et 22 GPa.
Module
Eapp1
[GPa]
Module
Eapp2
[GPa]
Contrainte à
rupture
[MPa]
36 ± 2.1
24 ± 0.9
311 ± 21
Tab. 2. Caractéristiques mécaniques moyennes en traction dans le sens des fibres
À la vue des résultats précédents, le processus de fabrication permet d’obtenir, avec une résine
époxy partiellement biosourcée, des résultats en accord avec les données obtenues dans la littérature
avec une résine époxy pétrosourcée. Il a donc été décidé d’utiliser ces constituants et ce même procédé
pour la réalisation des futures éprouvettes.
3.2 Influence de l’environnement hygrothermique sur la teneur en eau des composites
En observant la courbe de sorption (Fig. 3.), il apparait que la diffusion de l’eau au sein du
composite suit une loi de Fick.
Fig. 3 Courbe de sorptions à 70°C 85 % HR
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L’équilibre hygroscopique des éprouvettes est atteint pour une durée proche de 200 h. La
teneur en eau de ce matériau à l’équilibre est de 8,9 ± 0.1 % à 70°C - 85 % HR contre 3,3 ± 0.1 %
dans un environnement à 23°C - 50% HR. Le coefficient de diffusion moyen à 70°C 85 % HR est
égal à 4,76. 10-6 mm². s-1, valeur en accord avec les résultats issus de la littérature [18]. Cette courbe
montre également une faible variabilité des mesures effectuées sur des éprouvettes prélevées dans
des plaques différentes.
3.3 Choix de l’outil de mesure des déformations pour les essais en fluage
Un essai préliminaire a été effectué pour mettre en parallèle les résultats obtenus avec les 3
outils de mesure (Fig. 4.). Contrairement aux autres essais de fluage, le composite utilisé pour cette
expérience a été fabriqué à partir d’un renfort de lin pré-imprégné (Flaxpreg T-UD Lineo® à
110 g/m²).
Fig. 4. Comparaison des différents moyens de mesure pour un essai de fluage/recouvrance de 30 min dans le sens des
fibres sur une éprouvette fabriquée à partir du Flaxpreg T-UD Lineo® à 110 g/m²
Les trois moyens de mesure utilisés conduisent à des résultats similaires. Lors de la réponse
instantanée du matériau, le module apparent 1 est de 41 GPa contre 35 GPa lors d’un essai en traction
monotone quasi-statique. Il en va de même pour le second module apparent passant de 26 GPa à
30 GPa. Ceci est certainement dû à la différence de vitesse de chargement. La déformation instantanée
maximale est évaluée à 0,42%. La réponse différée du matériau met en évidence d’une part, une zone
où la déformation totale croît rapidement, et d’autre part, une zone où la vitesse de déformation est
constante et égale à 1,7. 10-7 s-1. On parlera respectivement de zone de fluage primaire et de zone de
fluage secondaire. La déformation totale atteinte pour ce chargement est estimée à 0,54 % au bout de
30 min. À la décharge, la déformation instantanée est d’environ 0,31 % et on observe une déformation
résiduelle de l’ordre de 0,09 %, considérée comme irréversible au vu du faible temps de recouvrance.
On constate que la mesure des déformations par l’extensomètre et la corrélation d’images donne des
résultats identiques. Un très faible écart peut être détecté avec les jauges de déformation. Néanmoins,
l’écart maximum entre les déformations ne dépasse pas 0,02% de déformation. Plusieurs éléments
peuvent expliqués ces faibles différences. Les trois moyens de mesure couvrent des zones utiles de
tailles différentes.
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La mesure par jauge de déformation, plus locale que celle réalisée par l’extensométrie à
contact, peut expliquer l’écart entre les données. On constate également, dans le mode de fluage
secondaire, une vitesse de déformation mesurée par la jauge égale à 1,5. 10-7 s-1 et légèrement plus
faible que celle obtenue par l’extensométrie. Le comportement visqueux de la colle permettant de
fixer la jauge à l’éprouvette pourrait être responsable de ce phénomène. Au regard des mesures
effectuées et pour une simplicité de mise en place, les éprouvettes utilisées pour la suite des essais de
fluage seront instrumentées par l’extensométrie à contact.
3.4 Influence de la contrainte nominale sur la réponse en fluage
Les essais de fluage réalisés montrent l’influence de la contrainte nominale sur la réponse en
déformation des composites sollicités dans le sens des fibres (Fig. 5.). On remarque tout d’abord que
l’augmentation de la contrainte nominale a pour effet une augmentation de la déformation totale,
instantanée et différée (Tab. 3.). Le comportement bi-phasique observé lors d’essais monotones est
également visible dans la réponse instantanée du matériau.
Fig. 5. Déformation longitudinale totale de neuf éprouvettes soumises à différents niveaux de sollicitation lors d’un
essai de fluage/recouvrance d’une heure
Les contraintes nominales de 55 et 35 MPa sont respectivement égales et inférieures à la
contrainte au point d’inflexion. Or, pour ces niveaux de sollicitation, la déformation résiduelle est très
faible. Le comportement du composite peut être qualifié de viscoélastique lorsque la contrainte
nominale est plus faible que la contrainte au point d’inflexion. Au-delà de ce point, un comportement
irréversible sur les temps courts est également mis en jeu. Il peut être dû à de la plasticité [19] ou à
de l’endommagement. Afin de mieux identifier l’origine de ce comportement irréversible aux temps
courts, des essais complémentaires, mettant en jeu des profils de chargement plus complexes, sont
nécessaires.
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Niveau de
contrainte
[MPa]
Déformation totale
maximale
[%]
Déformation
instantanée
[%]
Déformation
différée maximale
[%]
Vitesse de
déformation dans le
mode de fluage
secondaire
[s-1]
248
1.14 ± 0.06
0.96 ± 0.01
0.22 ± 0.02
9. 10-8 ± 3. 10-8
150
0.68 ± 0.03
0.56 ± 0.02
0.12 ± 0.01
7. 10-8 ± 2. 10-8
55
0.20 ± 0.01
0.15 ± 0.03
0.038 ± 0.002
4. 10-8 ± 2. 10-8
35
0.14 ± 0.01
0.11 ± 0.01
0.024 ± 0.001
3. 10-8 ± 2. 10-8
Tab. 3. Déformation maximale totale, instantanée, différée et vitesse de déformation obtenue pour différents niveaux de
contrainte nominale (moyenne ± écart-type)
La séparation de la déformation instantanée et de la déformation différée permet de mieux
étudier le comportement visqueux du matériau (Fig. 6.). L’augmentation de la contrainte nominale a
pour impact une durée de fluage primaire plus longue. Pour le mode de fluage secondaire, les vitesses
de déformation ont été calculées (Tab. 3.). On remarque que ces vitesses de déformation sont une
fonction croissante du niveau de sollicitation.
Fig. 6. Déformation longitudinale différée de treize éprouvettes soumises à différents niveaux de sollicitation lors d’un
essai de fluage d’une heure
Pour évaluer l’impact de la contrainte nominale sur le niveau de déformation, il convient
d’étudier la complaisance viscoélastique (Fig. 7.). Pour les niveaux de sollicitation étudiés,
l’étagement des courbes montre une certaine dépendance à la contrainte nominale appliquée. Les
résultats obtenus pour une sollicitation de 35 MPa semblent se démarquer des autres résultats. Pour
conclure sur le comportement linéaire du matériau en dessous d’un seuil de contrainte, il conviendra
de faire des nouveaux essais à contrainte nominale inférieure à 35 MPa.
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Fig. 7. Complaisance viscoélastique de treize éprouvettes soumises à différents niveaux de sollicitation lors
d’un essai de fluage d’une heure
4. Conclusions
Cette étude a pour vocation de contribuer à la compréhension du comportement en fluage de
composites renforcés par des fibres végétales en étudiant principalement l’influence de la contrainte
nominale sur la réponse du matériau. Une étude préliminaire a permis de choisir l’extensomètrie
comme étant le moyen de mesure des déformations le plus simple à mettre en œuvre, tout en
garantissant une mesure globale de cette grandeur. La réponse instantanée du matériau met en
évidence un comportement biphasique identique à celui observé lors d’essais monotones. Un mode
de fluage primaire et secondaire est visible lors de la réponse différée du matériau. Les résultats
obtenus montrent que l’augmentation de la contrainte nominale a pour impact : (i) une augmentation
de la déformation totale, instantanée et différé, (ii) une augmentation de la vitesse de déformation
dans le mode de fluage secondaire, (iii) une augmentation de la durée du mode de fluage primaire,
(iv) une augmentation de la complaisance viscoélastique. Le comportement du matériau peut être
qualifié de viscoélastique jusqu’à une contrainte nominale seuil. Cette dernière est égale à la
contrainte au point d’inflexion observable lors d’essais monotones. La linéarité de ce comportement
ne peut être déterminée que par la réalisation de nouveaux essais pour des contraintes inférieures à ce
seuil. Des profils de chargement plus complexes permettront également de mieux appréhender le
comportement du matériau.
Par la suite, le comportement en traction puis en fluage des composites conditionnés à 70°C -
85 % HR sera étudié. Un modèle sera également mis au point afin de prédire le comportement en
fluage de composites à fibres végétales, dans un premier temps sans prise en compte du couplage
hygro-mécanique.
Remerciements
Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet SSUCHY financé par le partenariat public-privé BBI
(Bio Based Industries) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de
l’Union Européenne au titre de la convention de subvention n° 744349.
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Article
This study focuses on the development and mechanical testing of a quasi-unidirectional woven hemp fabric for composite applications. The fabric is designed to combine the advantages of easy handling, impregnability by resin and fiber alignment. In this sense, low twisted rovings, low crimping characteristics and a high roving density in the main direction were used. The results show that the manufacturing process proposed for this highly unbalanced woven fabric is less aggressive than that for a balanced pattern, and the effective tensile properties of the fibers are preserved. This innovative hemp fabric is also used to manufacture unidirectional and cross-ply laminated composites. The results indicate competitive properties relative to those of commercial flax-based reinforcements with rigidities similar to those of composites made with quasi-unidirectional woven fabrics, non-crimp fabrics and tapes.
Article
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Flax fibers show potential in bio-efficiency compared to conventional composite fibers with good mechanical properties. The tensile behavior of flax fibers shows a nonlinear stress–strain relation. Within this work, a bilinear elastic–plastic approach is described, which is based on the generalized Hill potential theory and easily applicable in ANSYS. The method was used to model the nonlinear stress–strain behavior under quasi-static tensile loading of flax fiber-reinforced laminates. Hashin failure mechanisms using the stress–strain data of the bilinear model are applied as well. The results were compared to experimental data, carried out using pre-impregnated flax fibers in three types of tensile test specimens. The layups of investigation were \([0]_6\), \([90]_6\) and \([\pm \, 45]_8\). The strain was evaluated using the non-contact, digital image correlation measurement ARAMIS. Good agreement with the test results was achieved, and the method of bilinear elastic–plastic modeling of flax fiber-reinforced structures was evaluated as simple but effective for quasi-static elongation under uniaxial tensile loading.
Article
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At room conditions and standard strain rate (ε˙∼10⁻⁴s⁻¹), unidirectional (UD) plant-based reinforced organic polymers often exhibit nonlinear mechanical behaviour in tension. A viscoelastoplastic model (VEP model) for the simulation of UD plant fibre composite mechanical behaviour in tension, previously validated from twisted flax yarn epoxy composite under room conditions and standard strain rate, is calibrated with new data obtained from flax fibre epoxy composite under repeated progressive loading and a wide range of strain rates (ε˙∼10⁻³ to 10⁻⁷s⁻¹). The VEP model does not reproduce well the experimental observations. There seems to be a lack of stiffening in this phenomenological model. We propose an improved VEP model, developed within the frameworks of thermodynamics and limited to uniaxial tension and infinitesimal strains. An internal variable s representing the stiffening is added to create a VEP-stiffening model. This internal variable represents the coupled effects of reorienting cellulose microfibrils in kink band areas, spiral spring-like extension of cellulose microfibrils, and shear-stress-induced crystallization of the amorphous cellulose of flax fibres. The stiffening phenomenon was considered viscous, without a threshold, and was related to the tension energy in the direction of the fibres. Three viscosity coefficients drive the three phenomena: η (elastic), K (plastic), and Ks (stiffening). In the chosen formalism, this leads to two thermodynamic potentials φVEPs and ΩVEPs in which the stiffening phenomenon is strongly coupled with all the others. This VEP-stiffening model of the UD flax fibre epoxy composite correlates well with experimental observations. The paper also explores the evolution of the three viscous phenomena (elastic, plastic, and stiffening) by simulation of different loading conditions: monotonic, cyclic, and creep. This VEP-stiffening model can easily enrich existing multiaxial models of UD behaviour in the fibre direction. Implemented in a finite element model, it could be used at different length scales to numerically explore the origin of the mechanical behaviour of plant-based reinforced polymers.
Article
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Flax fibre reinforced polymers are at the heart of current scientific and societal concerns. However their mechanical behaviour is still poorly known despite significant scientific efforts, in particular the non-linear behaviour observed under tensile tests. In this paper, results of hardening, creep and repeated progressive tests under uniaxial loading performed on various quasi-unidirectional flax fibre reinforced composites are analysed in terms of the volume fraction of fibre, the titration of yarn reinforcement and temperature testing. To identify the respective parts of pure elastic, viscoelastic and viscoplastic components in the global mechanical response, a phenomenological model is built based on eight independent parameters. The parameter identification based on experimental data and checked by a sensitivity analysis shows that the viscoelastic effects are non-significant at room temperature. The non-linear behaviour can mainly be attributed to viscoplastic effects. Viscoplastic modelling is based on a combination of two hardenings; the first classical (linear) one describes the translation of the elastic domain; the second (non-linear) one describes a translation coupled with a contraction of the elastic domain during loading that improves the unloading behaviour during repeated progressive loading tests.
Article
This study investigated the effect of moisture and temperature on the evolution of the mechanical properties in the monotonic and cyclic loading of nonwoven flax epoxy composite. The effect of water uptake was investigated based on the monitoring of the tensile modulus during the first 100 h of the composite immersion, where a drastic decrease has preceded a modulus stabilization until the full saturation. A significant effect of the temperature was also observed, where the tensile modulus and stress were reduced at 75 °C by 57% and 53%, respectively. The coupled effect of moisture absorption and temperature on the fatigue behavior was investigated. A high increase in the first 10% of the sample life was followed by a linear trend until the final failure of the composite, where the increase of the stress level increases the slope of the linear stage. However, the strain trend was seen to be inversely correlated to the fatigue modulus and hysteresis energy. Again, a sharp decrease of both of them was observed in the early part of the fatigue test, which reflect that the damage activity is generally high during the first stage of cycling. The fatigue behavior of aged composite has shown a significant effect of the water uptake in the residual strain, which exhibit a short acceleration phase before the final failure of the composite. The observed trend was attributed to an induced irreversible plastic effect by water uptake, where the hysteresis energy was highly increased before the composite failure. The increase of the temperature to 50 °C seems to keep the global fatigue behavior of the unaged composite, even if the residual strain was doubled. However, a further increase of the temperature to 75 °C showed a more pronounced effect in both strain and modulus. Beyond all expectations, the increase of the temperature hasn't affected the global behavior of the aged composites, where only a slight increase of the hysteresis was developed and a more pronounced decrease of the dynamic modulus was observed at 75 °C.
Article
The development of composites based on vegetal fibers requires a good control of manufacturing process. The aim of this work is to determine the key parameters to produce high grade flax/epoxy unidirectional laminated composite by thermocompression. So, many processing parameters have been tested and ranked according to their influence on mechanical properties. Since variability can be high for this kind of materials, statistical analyses have been used to determine if properties variations were significant or not. Among all studied parameters, the three which have been identified as first rank influence on mechanical properties are: fibers conditioning, curing pressure and exit plate temperature.
Article
The abundant availability and accessibility of plant fibres are the major reasons for an emerging new interest in sustainable technology. While focusing on the composite materials, the main points to be considered are environment friendliness and light weight, with high specific properties. This century has witnessed remarkable achievements in green technology in the field of materials science through the development of high-performance materials made from natural resources is increasing worldwide. Plant fibres are a kind of renewable resources, which have been renewed by nature and human ingenuity for thousands of years. The greatest challenge in working with plant fibre reinforced composites (PFRCs) is their large variation in properties and characteristics. A PFRCs properties are influenced by a number of variables, including the fibre type, environmental conditions, processing methods, and modification of the fibre. A detailed systematic review on these sustainable and renewable green materials is presented in this paper. The overall characteristics of plant fibres used in bio-composites, including source, type, structure, composition, as well as properties, will be reviewed. Finally, the review will conclude with recent developments and future trends of PFRCs as well as key issues that need to be addressed and resolved.
Article
A continuum damage mechanics based mesoscale model is developed within a thermodynamics framework to describe the in-plane tensile response in natural fibre composites. The standard Mesoscale Damage Theory (MDT) is modified to incorporate damage and inelasticity evolution in the fibre-direction, thereby capturing the unique nonlinear fibre-direction response evidenced in natural fibre composites (NFC). The multi-ply damage model is validated using tests on Flax/epoxy laminates and available data on Carbon/epoxy laminates. Model parameters are identified for Flax/epoxy by applying an optimisation algorithm that compares numerical predictions with experimental data. Predictions of mechanical response, stiffness degradation, and inelasticity correlate very well with experimental observations of Flax-laminates. This modified-MDT model offers a predictive, robust tool to aid the development of NFC engineering structures.
Article
This papers aims to characterize the influence of moisture uptake on the mechanical behaviour of unidirectional flax fibre-reinforced epoxy laminates. Monotonic and cyclic tensile tests and free vibration characterization are carried out. Results show that UD flax-epoxy composites, when exposed to hygrothermal conditioning at 70°C and 85% RH, exhibit a diffusion kinetic which follows a one dimensional Fickian behaviour. The mass uptake at equilibrium is approximately 3.3% and the diffusion coefficient 6.5 10-6 m2 s-1. Water vapour sorption is shown to induce a significant change in the shape of the tensile stress-strain curve, a decrease in the dynamic elastic modulus of about 20% and a 50% increase in the damping ratio. Contrary to all expectations, water saturation does not degrade the monotonic tensile strength of such a flax-epoxy composites and leads to an increase in the fatigue strength for a high number of cycles.
Article
Flax and hemp fibres have been increasingly used as reinforcement in polymer composites. First, an overview is given of the technical arguments which convinced designers of consumer goods to use these fibres. In particular, their composites show higher specific stiffness than glass fibre composites in both tension and plate bending and only slightly lower values than carbon fibre composites in plate bending. Moreover, flax and hemp fibres possess a much higher vibration damping capacity, making them excellent candidates for applications in sporting goods or musical instruments. Secondly, the paper describes how designers relate to the non-technical characteristics of these natural fibres. Many concrete examples are given from different application domains in consumer goods: sports, mobility, music and sound, furniture and interior design. The fascination of designers for these bio-based materials combined with the recent introduction in the market of new, composites-oriented preforms of flax and hemp fibres, is rapidly increasing the number and variety of composite products using flax and hemp fibres as reinforcement.
Article
The non-linear stress-strain behaviour of plant fibre composites is well-known in the scientific community. Yet, the important consequences of this, in terms of the evolution of stiffness as a function of applied strain and cycles to failure, are not well-studied in literature. This is despite the fact that stiffness degradation is a well-accepted indicator of damage in a composite material, and is regularly used as a component failure criterion. This article systematically explores the evolution of stiffness of various aligned plant fibre composites, subjected to (i) monotonic loading, (ii) low-cycle, repeated progressive loading, and (iii) fatigue loading. The evolution in stiffness in plant fibre composites is found to be complex: structural changes in the elementary fibre cell wall and damage development in the composite have often competing effects on stress-strain behaviour. Indeed, the evolution in stiffness of plant fibre composites is found to be unlike that typically observed in traditional composites, and therefore needs to be taken into account in the design of structural components.