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Comprehensive study of unidirectional flax/epoxy composites; an evaluation of material properties and fracture behavior in view of numerical simulation of machining processes

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Saadati, Yousef (2020). Comprehensive study of unidirectional flax/epoxy composites; an evaluation of material properties and fracture behavior in view of numerical simulation of machining processes. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Fiber-reinforced polymer composites (FRCs) are extensively used in various commercial applications such as aerospace, transportation industry, recreational and sporting goods due to their enhanced properties. However, they are costly and are not eco-friendly. Offering competitive properties at a lower cost and improved sustainability, flax fiber-reinforced epoxy composites (FFRECs) are recognized as an attractive alternative to glass fiber polymer composites for various applications.

FFREC parts are produced to their final geometry; still, some machining processes are often unavoidable for technical and quality purposes. However, machining of FFRCs remains challenging due to their heterogeneity and anisotropic nature that induce workpiece damages such as delamination and generate inferior surface finish. In- depth knowledge of their machining processes is vital for reducing these damages and improving their machining quality. Edge trimming is frequently used for geometrical corrections of FRCs; however, only few experimental studies have addressed its application to FFRECs. The complexity of their cutting process requires involving the finite element method (FEM) to study it, but it is impossible due to a lack of adequate material properties. Therefore, this study aims at a comprehensive evaluation of unidirectional (UD) FFRECs to provide their essential material characteristics for finite element modeling of their edge trimming process.

Accordingly, first, UD-FFRECs with unique specifications were molded via resin transfer molding (RTM). Then, test specimens were prepared and tested according to the adapted standard test procedures, initially developed for synthetic FRCs.

Physical properties, including density, specific heat capacity, and thermal diffusivity/thermal conductivity, were determined according to standard test methods.

Strength/stiffness properties under tension, compression, shear, and flexural loading, in longitudinal/transverse directions were evaluated following standard test methods. Also, the failure mechanisms were investigated via fractography. The results are in good agreement with those of the literature, when available, while they mainly show the specific behavior of UDflax composites subject to different solicitation modes.

Proper test specimens were designed and tested for the interlaminar fracture energies in Mode I, Mode II, and Mixed-Mode I/II. The tests were carried out following ASTM standards. The results are in good agreement with literature data for similar cases, where available.

For UD laminates, the application of the conventional test methods for translaminar failure mode is challenging; also, there is no standard method for testing them in compression. Two methodologies were employed, along with an investigation of the fracture behavior and viability of the standard test procedures for FFRECs. First, the composite was tested for translaminar fracture toughness in tension according to the existing ASTM E1922. Then, employing an Infrared Thermography (IRT)-based methodology, as well as ASTM D5045, the translaminar fracture energy of UD-FFRECs in tension and compression was determined. For tension tests, the results of IRT agree with those of ASTM, whereas compression tests showed a significant discrepancy, indicating the inappropriateness of IRT for these tests.

Overall, for a UD-FFREC with unique quality, an in-depth knowledge was developed, and a full set of precise and reliable material properties and fracture energies, fulfilling FEM requirements were generated.

Titre traduit

Étude approfondie des composites lin / époxy unidirectionnels; évaluation des propriétés et du comportement en rupture en vue de la simulation numérique des processus d'usinage

Résumé traduit

Les matériaux composites sont couramment utilisés dans divers domaines comme l'industrie aérospatiale, l'automobile, le transport, l'énergie éolienne, les articles récréatifs et de sport, et beaucoup d'autres en raison de leurs propriétés spécifiques supérieures qui leur permettent de remplacer les matériaux conventionnels comme les métaux. Le matériau composite renforcé par des fibres de verre (GFRP) est largement utilisé pour ses propriétés comparables voire supérieures aux matériaux métalliques. Cependant, il n’est pas recyclable, est cher et cause des problèmes de santé pendant le processus d’usinage. Pour surmonter les difficultés de recyclage et les dangers pour la santé de ce type de matériau, le composite à base de fibres de lin (FFRC), qui s'est révélé avoir des propriétés intrinsèques comparables au GFRP, peut être une solution de remplacement intéressante pour de nombreuses applications.

Les pièces à base de fibres de lin et d’époxy (FFREC), bien qu'elles soient habituellement fabriquées sous forme de pièces quasi-finies, doivent être usinées pour l'assemblage, le dimensionnement et l'amélioration de la qualité. L'usinage des FFREC est un processus difficile en raison de leur hétérogénéité et de leur comportement anisotrope et peut endommager la pièce à usiner et générer un mauvais état de surface usinée par épluchage des fibres, arrachement des fibres, dégâts matriciels, délamination, etc. Une connaissance approfondie de leurs processus d'usinage est essentielle pour réduire ces dommages et améliorer leur qualité d'usinage. Le processus de détourage est fréquemment utilisé pour les corrections géométriques; cependant, seules quelques études expérimentales ont abordé son application aux FFREC. La complexité de leur processus de découpe nécessite de faire appel à la méthode des éléments finis (FEM) pour l'étudier, mais cela est impossible en raison de l’absence des propriétés mécaniques adéquates. Par conséquent, l'objectif principal de cette étude sera l’évaluation complète du FFREC unidirectionnel (UD) afin de déterminer ses propriétés mécaniques requises dans le code de calcul des éléments finis pour modéliser le détourage.

Tout d'abord, des UD-FFREC avec une teneur en fibres unique ont été moulés et durcis dans des conditions similaires. Ensuite, des éprouvettes ont été préparées et testées selon les procédures de tests standards adaptés, initialement développées pour les (composite renforcé par fibres) FRC synthétiques.

Les propriétés physiques, y compris la densité, la capacité thermique spécifique et la diffusivité thermique et conductivité thermique, ont été déterminées selon des méthodes d'essai standard. Les propriétés de résistance et rigidité sous charges de tension, compression, cisaillement et flexion dans les directions longitudinales at transversale ont été évaluées selon les normes ASTM. En outre, une analyse fractographique a été menée pour comprendre les mécanismes de défaillance à l'échelle macro et microscopique. Les résultats sont en bon accord avec ceux de la littérature, lorsqu'ils sont disponibles, mais ils montrent principalement le comportement spécifique des composites UD-lin/époxy soumis à différents modes de sollicitation.

Des éprouvettes appropriées ont été conçues et testées pour évaluer les taux de restitution d’énergie en rupture interlaminaire en mode I, mode II et mode mixte I / II. Les tests ont été réalisés selon les normes ASTM. Les résultats sont en bon accord avec les données de la littérature, lorsqu'elles sont disponibles.

Pour les stratifiés UD, l'application des méthodes de test conventionnelles pour le mode de défaillance translaminaire est difficile; il n'existe pas non plus de méthode standard pour les tester en compression. Cette étude a utilisé deux méthodologies, ainsi qu'une enquête sur le comportement à la rupture et la viabilité des procédures d'essai standards pour les FFREC. Tout d'abord, le composite a été testé pour la résistance à la rupture translaminaire en traction selon la norme ASTM E1922 existante. Ensuite, en utilisant une méthodologie basée sur la thermographie infrarouge (IRT), ainsi que la norme ASTM D5045, l'énergie de fracture translaminaire des UD-FFREC en traction et en compression a été déterminée. Pour les tests de traction, les résultats de l'IRT sont en accord avec ceux de l'ASTM, alors que les tests de compression montrent un écart significatif, indiquant l'inadéquation de l'IRT pour ces tests.

Dans l'ensemble, pour un UD-FFREC de qualité unique, une connaissance approfondie a été développée et un ensemble complet de propriétés de matériaux et d'énergies de fracture précises et fiables, répondant aux exigences FEM, a été généré.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 179-204).
Mots-clés libres: composites renforcés de fibres de lin, propriétés matérielles, énergie de fracture interlaminaire, résistance à la fracture translaminaire (taux de restitution d’énergie en rupture de fibres en mode I), thermographie infrarouge, détourage, méthode des éléments
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Chatelain, Jean-François
Codirecteur:
Codirecteur
Lebrun, Gilbert
Beauchamp, Yves
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 30 sept. 2021 17:38
Dernière modification: 30 sept. 2021 17:38
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2715

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