Caractérisation et modélisation des propriétés mécaniques des biocomposites à fibres courtes aléatoires

Dhaouadi, Tahar (2018). Caractérisation et modélisation des propriétés mécaniques des biocomposites à fibres courtes aléatoires. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette étude consiste à caractériser les propriétés mécaniques en traction, flexion et résistance au choc de trois matériaux biocomposites afin d'évaluer leur aptitude à remplacer des matériaux composites dans des applications automobiles. Les matériaux à caractériser sont constitués de la même matrice (polypropylène (PP) / élastomère polyoléfine (POE), PP/POE [95wt% : 5wt%]) renforcée par trois renforts différents. Les formulations (F1), (F2) et (F3) sont renforcées respectivement par 30wt% de biochar, 30wt% de miscanthus et le troisième renfort est un mélange entre 15wt% de biochar et 15wt% de miscanthus. Pour améliorer l'adhésion entre les renforts et la matrice, 3wt% d'anhydride polypropylène modifié (MAPP) ont été ajoutés aux composites.

Les résultats expérimentaux ont montré que les trois renforts améliorent le module d'Young de la matrice. La formulation (F2) a présenté les meilleures propriétés en traction et en flexion par rapport aux deux autres matériaux. En effet les fibres de miscanthus ont augmenté le module d'Young de la matrice de 107% et la résistance en traction de 10,51%. Ces proprieties en traction sont meilleures que celles du matériau commercialisé RTP 132 UV. Le bicomposite hybride (F3) a aussi augmenté le module d'Young de la matrice de 70% et a maintenu Presque la même résistance en traction du PP/POE. Le biocomposite renforcé par le biochar (F1) a amélioré la rigidité de la matrice de 34% mais il a diminué sa résistance de 8%. Par contre, ces renforts ont diminué la résistance au choc de la matrice. En comparant les résultats expérimentaux de l'essai Izod sans entaille des trois biocomposites, la formulation renforcée par le biochar (F1) a présenté la meilleure résilience, mais elle reste toujours loin de celle du matériau commercialisé.

L'homogénéisation numérique par la méthode des éléments finis a permis de prédire les modules d'Young de ces biocomposites aléatoirement renforcés. Le logiciel commercial Digimat® a été utilisé pour générer le volume élémentaire représentatif 3D (VER) et pour calculer les modules d'Young du composite. La taille critique du VER est environ deux fois la longueur de la fibre en utilisant les conditions aux limites périodiques. Les résultats numériques ont montré une bonne concordance avec les résultats expérimentaux des biocomposites de cette étude.

Titre traduit

Characterization and modeling of the mechanical properties of ramdom short fiber biocomposites

Résumé traduit

This study consists in characterizing the mechanical properties in tensile, bending and impact resistance of three biocomposite materials. The materials to be characterized are composed of the same matrix (polypropylene (PP) / polyolefin elastomer (POE), PP / POE [95 wt%: 5 wt%]) reinforced by three different reinforcements. Formulations (F1), (F2) and (F3) are respectively reinforced with 30wt% biochar, 30wt% miscanthus and the third reinforcement is a mixture between 15wt% biochar and 15wt% miscanthus. To improve the adhesion between the reinforcements and the matrix, 3wt% of modified polypropylene anhydride (MAPP) was added to the composites.

Experimental results showed that the three reinforcements improve the Young's modulus of the matrix. Formulation (F2) exhibited the best tensile and flexural properties over the other two materials. In fact, miscanthus fibers increased the Young's modulus of the matrix by 107% and the tensile strength by 10,51%. These tensile properties are better than those of the commercial material RTP 132 UV. The hybrid bicomposite (F3) also increased the Young's modulus of the matrix by 70% and maintained almost the same tensile strength of the PP / POE. Biocomposite reinforced with biochar (F1) improved matrix stiffness by 34% but decreased matrix strength by 8%. By contrast, these reinforcements have decreased the impact resistance of the matrix. Comparing the experimental results of the unnotched Izod impact test of the three biocomposites, the formulation reinforced by biochar (F1) showed the best resilience but still remains far from the resilience of the commercial material.

Numerical homogenization using the finite element method is used to predict the Young's modulus of these randomly reinforced biocomposites. Digimat® commercial software was used to generate the 3D representative volume element (VER) and evaluate the Young's modulus of the composite. The critical size of the VER is about twice the length of the fiber using the periodic boundary conditions. In this study, the numerical results showed a good agreement with the experimental results of the biocomposites.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie, concentration aérospatial". Comprend des références bibliographiques (pages 133-138).
Mots-clés libres:	miscanthus, biochar, homogénéisation numérique, VER
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ngô, Anh Dung
Codirecteur:	Codirecteur Misra, Manjusri
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	20 déc. 2018 19:17
Dernière modification:	15 janv. 2021 20:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2187

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