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Theses Year : 2023

Plant fiber mechanical characterization with high precision micro-mechatronic means : investigation of single fiber transverse behavior and inter-fiber adhesion

Caractérisation mécanique des fibres végétales à l'aide de moyens micro-mécatroniques de haute précision : étude du comportement transversal de fibres élémentaires et de l'adhésion inter-fibres

Abstract

The fibers that are commonly used in composite materials (glass, carbon, Kevlar), are generally issued from non-renewable resources or require energy intensive manufacturing processes. Replacing such fibers with plant fibers, like flax, hemp or nettle, represents an environmentally friendly alternative, that is growing in popularity. Indeed, these fibers are both renewable and biodegradable, while also being lightweight and presenting good engineering properties. With the exception of longitudinal properties however, knowledge of their mechanical properties is still limited. Yet, characterizing these properties is essential to the development of new environmentally friendly composites. Nevertheless, the micrometric size and complex morphology of plant fibers constitute major challenges in their characterization.In this doctoral thesis two different approaches are employed to overcome these challenges. First, high precision, micro-mechatronic experimental platforms are developed to perform measurements at the fiber-scale. Using these platforms, plant fiber transverse behavior and inter-fiber adhesion are studied and characterized for the first time ever, through single fiber transverse compression and peeling tests, respectively. Second, finite element analysis is used to evaluate the influence of different morphological and material parameters on fiber compressive behavior.Single fiber transverse compression represents a challenging test. The change in contact area during compression leads to a non-linear response, even for purely elastic materials. For this reason, analytical models, making major simplifications in the representation of fiber geometry and material behavior, are used to identify elastic properties. By simulating the compression of complex plant fiber geometries and different material behaviors, the area of validity of these models is evaluated. The major influence of the compression platen parallelism on the results, is shown and quantified by experiments and simulations. A new protocol to minimize platen misalignments is also proposed. Finally, an innovative micro-mechatronic experimental platform is developed for fiber compression. The use of custom multi-sensing devices, parallelism and relative humidity control but also precise actuation and multiple real-time microscopic observations, offer unprecedent capabilities in terms of measurement accuracy and repeatability. Using this platform, the transverse compressive behavior of plant fibers is studied and their transverse elastic properties are identified.Peeling tests represent a typical approach to measure the adhesion between surfaces. A new micro-mechatronic platform to perform peeling tests on plant fibers is developed. An actuated micro-gripper, allows the gripping of a single fiber and its separation from its bundle. Through an integrated force sensor, the adhesion between fibers is directly measured. These measurements offer new, valuable insights and data to the extraction processes that are employed for plant fiber separation, which rely on subjective observations and organoleptic criteria. Furthermore, complex fracture mechanisms between fibers and their constituent components are also observed, pointing to the existence of natural adhesion mechanisms at the micron scale.Overall, numerous mechanical properties of plant fibers with high industrial potential, are characterized for the first time. The developed tools and methods can also be applied in the characterization of various other objects at any scale.
Les fibres utilisées couramment dans les matériaux composites (verre, carbone, kevlar) sont généralement issus de ressources non renouvelables ou de procédés de fabrication énergivores. Le remplacement de ces fibres par des fibres végétales, comme le lin, le chanvre ou l'ortie, représente une alternative respectueuse de l'environnement, dont la popularité ne cesse de croître. En effet, ces fibres sont à la fois renouvelables et biodégradables, tout en étant légères et en présentant de bonnes propriétés techniques. Cependant, à l'exception des propriétés longitudinales, la connaissance de leurs propriétés mécaniques est encore limitée. Pourtant, la caractérisation de ces propriétés est essentielle pour le développement de nouveaux matériaux composites. Néanmoins, la taille micrométrique et la morphologie complexe des fibres végétales constituent des défis majeurs pour leur caractérisation.Dans cette thèse de doctorat, deux approches différentes sont utilisées pour surmonter ces défis. Premièrement, des plateformes expérimentales micro-mécatroniques de haute précision sont développées pour effectuer des mesures à l'échelle des fibres. Grâce à ces plateformes, le comportement transversal des fibres végétales et l'adhésion inter-fibres sont étudiés et caractérisés pour la première fois, à travers des essais de compression transversale et de pelage. Deuxièmement, l’analyse analyse éléments finis est utilisée afin d’évaluer l'influence de différents paramètres morphologiques et matériels sur le comportement des fibres en compression.La compression transversale d'une fibre élémentaire est un essai complexe. L’augmentation de la surface de contact pendant la compression induit une réponse non-linéaire, même pour des matériaux purement élastiques. Pour cette raison, des modèles analytiques, faisant des simplifications majeures dans la représentation de la géométrie et du comportement matériau de la fibre, sont utilisés pour identifier ses propriétés élastiques. En simulant la compression de fibres à géométrie complexe, ainsi que différents comportements matériau, le domaine de validité de ces modèles est évalué. L’influence majeure de l’alignement des plateaux de compression sur les résultats est démontrée par des expériences et des simulations. Un nouveau protocole visant à minimiser les désalignements entre plateaux est proposé. Enfin, une plateforme expérimentale micro-mécatronique innovante est développée pour la compression de fibres. Le développement de nouveaux capteurs, le contrôle du parallélisme et de l'humidité relative mais aussi l'actionnement précis et les multiples observations microscopiques en temps réel, offrent des capacités sans précédent en termes de précision et de répétabilité des mesures. Grâce à cette plateforme, le comportement en compression transversale de fibres végétales est étudié et leurs propriétés élastiques transverses sont identifiées.Les essais de pelage sont une approche typique pour mesurer l'adhésion entre surfaces. Une nouvelle plateforme micro-mécatronique est développée pour effectuer du pelage sur des fibres végétales. Une micro-pince actionnée, permet de saisir une seule fibre et de la séparer de son faisceau. Grâce à un capteur de force intégré, l'adhésion inter-fibre est directement mesurée. Ces mesures offrent des informations nouvelles et précieuses pour les processus d'extraction des fibres végétales, qui reposent actuellement sur des observations subjectives et des critères organoleptiques. En outre, des mécanismes de fracture complexes entre les fibres et leurs composants sont observés, indiquant une existence de mécanismes d'adhésion naturelle à l'échelle du micron.Globalement, nombreuses propriétés mécaniques des fibres végétales à haut potentiel industriel sont caractérisées pour la première fois. Les outils et les méthodes développés peuvent également être appliqués à la caractérisation de divers autres objets à n'importe quelle échelle.
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  • HAL Id : tel-04472025 , version 1

Cite

Jason Govilas. Plant fiber mechanical characterization with high precision micro-mechatronic means : investigation of single fiber transverse behavior and inter-fiber adhesion. Matériaux composites et construction. Université Bourgogne Franche-Comté, 2023. English. ⟨NNT : 2023UBFCD007⟩. ⟨tel-04472025⟩
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