Authors: Mahdi Mejri
Source:  (article, 2019-01-01)
Field: Materials Science — Polymers and Plastics

Études expérimentale et numérique du comportement en fatigue du polyéthylène haute densité renforcé avec des fibres courtes de bouleau Au cours des dernieres decennies, les recherches scientifiques se sont focalisees sur l’etude des composites a fibres naturelles. Les travaux portes sur ce type de materiaux ont connu une croissance fulgurante vu les avantages presentes par ces composites vis-a-vis ceux a fibres synthetiques. Parmi ces avantages, il est possible de souligner leurs bas prix et leurs caracteres moins nocifs envers l’environnement. Toutefois, les travaux scientifiques portant sur la durabilite (fatigue, fluage, vieillissement. . . ) des composites a fibres naturelles restent relativement limites. Par consequent, cette limite peut freiner l’exploitation de ces composites dans le domaine industriel en sachant que certaines pieces mecaniques sont soumises a des chargements cycliques et/ou un vieillissement hygrothermique (humidite + sechage) durant leurs fonctionnements. Dans ce contexte, ce projet de doctorat vise a etudier la durabilite en termes de fatigue et de vieillissement hygrothermique d’un nouveau composite a fibres naturelles constitue d’une matrice de polyethylene a haute densite et des renforts sous forme de fibres courtes de bouleau. Ce projet commence, tout d’abord, par etudier le comportement en fatigue, sous chargement de flexion, du nouveau composite ainsi que l’effet du vieillissement hygrothermique sur ce comportement. Ensuite, ce travail se penchera sur la modelisation de la cinetique de diffusion d’humidite au sein du composite etudie. Ceci va permettre de definir la prise de masse en humidite dans le materiau tout en prenant en compte la diffusion non-fickienne. Enfin, un modele d’endommagement sera propose pour traduire la baisse de la contrainte maximale de flexion durant un essai de fatigue. Ainsi, le projet de doctorat presentera une etude complete sur la durabilite en termes de fatigue et de vieillissement hygrothermique du polyethylene haute densite renforce avec des fibres de bouleau courtes. Grâce a cette etude, ce composite pourra etre utilise dans la fabrication des pieces mecaniques destinees a un fonctionnement en presence des chargements cycliques de flexion et de l’humidite. Parmi ces pieces mecaniques, il est possible de citer les engrenages. Les resultats du projet de doctorat sont issus de deux parties : experimentale et numerique. La partie experimentale a montre que le niveau de deformation correspondant au HCFS (high Cycle Fatigue Strength) du Polyethylene renforce avec 40%wt de fibres courtes de bouleau est egal a 0,91%. De plus, cette partie a demontre que le vieillissement hygrothermique engendre une baisse du HCFS du materiau etudie. La cause directe de cette baisse a ete investiguee et il a ete prouve que l’apparition de nouveaux mecanismes d’endommagement, apres vieillissement hygrothermique, represente cette cause directe. La partie numerique du projet de doctorat a permis d’adopter un modele de diffusion non-fickienne permettant de definir la prise de masse en humidite au sein du composite etudie. Ce modele a donne des courbes qui suivent fidelement celles issues des campagnes experimentales d’immersion dans l’eau distillee. De plus, la partie numerique a servi de proposer un modele d’endommagement qui permet de traduire l’evolution de la contrainte de flexion maximale (contrainte residuelle) en fonction du nombre de cycles. Afin de reduire le temps de calcul et garantir une bonne qualite des resultats, la methode de Cycle Jump a ete utilisee. La comparaison entre les resultats numeriques et ceux provenant des essais experimentaux de fatigue a permis de valider le modele d’endommagement adopte tout en identifiant certaines limites. During the last decades, the scientific researches have been focused on the study of the natural-fiber-reinforced composites. The works made on this type of materials have increased because of their several advantages compared to the synthetic-fiber-reinforced composites. Among these advantages, it is possible to highlight their low costs and their friendly environment characters. However, the scientific works concerning the durability (fatigue, creep, aging. . . ) of natural-fiber-reinforced composites are relatively limited. Therefore, this limit can slow down the exploitation of these composites in the industrial field knowing that certain mechanical parts can be under cyclic loading and/or hygrothermal aging (moisture + drying) during their performances. In this context, the PhD project aims to study the durability, in term of fatigue and hygrothermal aging, of a new natural-fiber-reinforced composite made from a high density polyethylene, as a matrix, and short birch fibers, as reinforcements. This project begins, at the first, by studying the fatigue behavior, under bending loading, of the new composite and the effect of hygrothermal aging on this behavior. Then, this work will focus on the modelling of the moisture diffusion kinetic inside the studied composite. This model will allow defining the water uptake of the material taking into account the non-fickian diffusion. Finally, a damage model will be proposed to describe the maximum bending stress decrease during a fatigue test. Thus, the PhD project will present a full study on the durability, in term of fatigue and hygrothermal aging, of the short-birch-fiber-reinforced high-density polyethylene. Thanks to this study, this composite can be used in the manufacturing of mechanical parts for performances with cyclic bending loading and moisture. Among these parts, it is possible to mention the gears. Results found in the PhD project come from experimental and numerical parts. The first part has shown that the strain level corresponding to the high Cycle Fatigue Strength (HCFS) of the high-density polyethylene/40% of short birch fibers is equal to 0.91%. Moreover, this part has presented that the hygrothermal aging causes the decrease of the HCFS of the studied material. The direct cause of this drop has been investigated and it was proved that the creation of new damage mechanisms, after hygrothermal aging, represents this direct cause. The numerical part of the project has allowed adopting a non-fickian diffusion model to define the water uptake inside the studied composite. Curves found with this model have a well fitting with those from the experimental campaigns of immersion in distilled water. Furthermore, the numerical part has presented a damage model defining the evolution of the maximum bending stress (residual strength) according to the number of cycles. To reduce the calculation time and to guarantee the good quality of the results, the Cycle Jump method has been used. The comparison made between the numerical results and those from the experimental fatigue tests has allowed to validate the damage model and to identify certain limits. Physics ; Humanities ; Materials science ; Art Natural Fiber Reinforced Composites ; Fiber-reinforced polymer composites ; Structural Behavior of Reinforced Concrete