Multi-Scale Analysis of the Effects of Hydrothermal Fatigue on the Mechanical Behaviour and Damage Mechanisms of Hemp-Reinforced Composites
Analyse multi-échelle des effets de la fatigue hydrique sur le comportement mécanique et les mécanismes d’endommagement de composites à renfort de chanvre
Résumé
Composite materials with synthetic reinforcement, such as glass, exhibit a high carbon footprint that does not match with the recent warnings from the IPCC reports. Solutions exist to limit this carbon footprint, notably by replacing synthetic reinforcements with plant-based ones and using bio-sourced and/or recyclable resins. However, the high hydrophilicity of plant fibers must be considered for applications subjected to outdoor conditions involving temperature and humidity variations. In this study, the effects of hydrothermal fatigue on the behavior of woven hemp-reinforced composites were analyzed. Three different resins were used: two thermosetting polymers, Epolam and Greenpoxy, the latter being partially bio-sourced, and a thermoplastic polymer, Elium, which is recyclable. Additionally, for comparative purposes, glass/Epolam composites were manufactured. Two fabric orientations were considered: 0°/90° and ±45°.At first, a study on unaged specimens of polymers, hemp yarns, and single yarn composites was conducted to characterize the initial properties of the components and the behavior of the fiber/matrix interface. A fragmentation test was carried out on a hemp/Epolam specimen filled with fine Al2O3 particles to determine the volumetric deformation fields through 3D digital image correlation based on microtomographic scans recorded at different strain levels.To determine the parameters of the hydrothermal fatigue cycles, various immersion temperatures were tested and the mechanical properties of water-saturated woven composites were compared. The chosen hydrothermal fatigue cycles consisted of an immersion phase in water at 60°C for 12 days followed by drying in an oven at 40°C for 2 days. Up to thirty cycles of hydrothermal fatigue were performed, representing 420 days of aging. During this aging process, the water absorption behavior of all composites was analyzed, and it was shown that a one-dimensional Fick's law could be applied. After different numbers of hydrothermal fatigue cycles, repeated progressive tensile loading tests were conducted. For hemp-reinforced composites, a significant degradation of mechanical properties was observed during hydrothermal fatigue, starting from the first cycle, followed by a stabilization. In contrast, glass/Epolam composites exhibited a continuous and progressive degradation of their properties with the number of hydrothermal fatigue cycles. Acoustic emission monitoring was conducted during the mechanical tests, and microtomographies were recorded before and after mechanical testing, enabling a quantitative analysis of damage. The results highlighted the significant influence of the choice of resin on hydrothermal fatigue behavior. Furthermore, a substantial stiffening of the aged samples at the end of the tensile tests was observed, despite the development of a large amount of damage, such as interfacial debonding and matrix cracking. For ±45° composites, an analytical calculation based on the composite laminate theory demonstrated the role in this stiffening of the reorientation of the yarns in the tensile direction. For 0°/90° composites, an in-situ tensile test in a microtomograph was performed on a hemp/Elium specimen that has been subjected to 15 hydrothermal fatigue cycles. The combination of this test with a finite element analysis highlighted the effect of the straightening of the warp yarns on the stiffening observed. Finally, damage scenarios were proposed to describe the mechanical behavior of biocomposites after hydrothermal fatigue.
Les composites à renfort synthétique, tel que le verre, présentent un bilan carbone trop élevé pour répondre aux alertes des derniers rapports du GIEC. Des solutions existent pour réduire cette empreinte carbone, notamment en remplaçant les renforts de verre par des renforts végétaux et en utilisant des résines bio-sourcées et/ou recyclables. Cependant, le caractère fortement hydrophile des fibres végétales est à prendre en compte pour des applications soumises aux conditions extérieures (variations de température et d’humidité). Dans le cadre de cette étude, les effets de la fatigue hydrique sur le comportement de composites à renfort tissé de chanvre ont été analysés. Trois résines différentes ont été utilisées : deux polymères thermodurcissables, Epolam et Greenpoxy, ce dernier étant partiellement bio-sourcé, et un polymère thermoplastique, l’Elium, qui est recyclable. De plus, à des fins comparatives, des composites verre/Epolam ont été fabriqués. Deux orientations de tissu ont été considérées : 0°/90° et ±45°.Tout d’abord, une étude sur des éprouvettes non vieillies de polymères, de fils de chanvre seuls et de composites monofilamentaires a été menée pour caractériser les propriétés initiales des constituants et le comportement de l’interface fil/matrice. Une éprouvette de fragmentation en chanvre/Epolam chargée de fines particules d’alumine a été fabriquée pour pouvoir suivre les champs de déformation volumiques par corrélation d’images numériques 3D basée sur des scans microtomographiques enregistrés à différents niveaux de déformation. Pour déterminer les paramètres des cycles de fatigue hydrique, différentes températures d’immersion ont ensuite été testées et les propriétés mécaniques des composites tissés saturés en eau ont été comparées. Les cycles de fatigue hydrique choisis sont finalement constitués d’une phase d’immersion dans l’eau à 60°C durant douze jours suivie d’un séchage en étuve à 40°C pendant deux jours. Jusqu’à trente cycles de fatigue hydrique ont été réalisés, représentant 420 jours de vieillissement. Durant ce vieillissement, le comportement à l’absorption de l’ensemble des composites a été analysé. Il a été montré qu’une loi de Fick 1D pouvait s’appliquer. Après différents nombres de cycles de fatigue hydrique, des essais de traction à chargements répétés progressifs ont été effectués. Il a ainsi été observé, pour les composites à renfort de chanvre, une forte dégradation des propriétés mécaniques au cours de la fatigue hydrique, dès le premier cycle, suivie par une stabilisation. À l’opposé, les composites verre/Epolam ont montré une dégradation continue et progressive de leurs propriétés avec le nombre de cycles de fatigue hydrique. Un suivi par émission acoustique a été opéré pendant les essais et des microtomographies ont été enregistrées avant et après essai, permettant une analyse quantitative des endommagements. Les résultats ont montré la forte influence du choix de la résine sur le comportement en fatigue hydrique. D’autre part, une rigidification significative en fin d’essai de traction des échantillons vieillis a été mise en évidence, et ce, malgré le développement de nombreux endommagements (décohésions interfaciales et fissurations matricielles). Pour les composites ±45°, un calcul analytique basé sur la théorie des stratifiés a montré le rôle dans cette rigidification de la réorientation des renforts dans la direction de traction. Pour les composites 0°/90°, un essai de traction in situ sous microtomographe a été effectué sur une éprouvette de chanvre/Elium ayant subi 15 cycles de fatigue hydrique. La combinaison de cet essai avec un calcul par éléments finis a mis en évidence l’effet du redressement des fils de chaîne sur la rigidification observée. Au final, des scénarios d’endommagement ont été proposés pour décrire le comportement mécanique des biocomposites après vieillissement par fatigue hydrique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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