Thèse CD - Etude du Comportement Mécanique d'Un Composite Biosourcé par Hybridation de Deux Fibres Naturelles pour Différentes Conditions Environnementales Analyse Physico-Chimique Mécanique et Mo H/F

Université de Lorraine

Établissement : Université de Lorraine
École doctorale : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
Laboratoire de recherche : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
Direction de la thèse : Rodrigue MATADI BOUMBIMBA ORCID 0000000171151787
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-29T23:59:59

L'utilisation de composites à matrice polymère ne cesse de croitre dans l'industrie du transport à des fins d'allégement de structure. Résistants et plus légers que les pièces métalliques, l'utilisation de ces matériaux permet la réduction de la consommation d'énergie, quelle que soit sa nature, dans l'industrie du transport. Grâce notamment à leurs renforts synthétiques, de verre ou de carbone, leurs applications touchent désormais les pièces structurelles proches du bloc moteur dans l'industrie automobile ou sur le fuselage des avions.

Afin d'accélérer la décarbonation de la production de matériaux et de l'industrie du transport, des composites thermoplastiques biosourcés sont développés, synthétisés sans pétrole et renforcés de fibres naturelles, moins énergivores à produire et améliorant la recyclabilité globale du matériau, préservant leurs propriétés après plusieurs dizaines de cycles de recyclage.

L'objectif général de cette thèse est d'étudier l'influence des paramètres environnementaux (température, humidité) sur le comportement physico-chimique et mécanique de ces matériaux afin d'améliorer le procédé d'obtention pour limiter ces effets et, le cas échéant, pouvoir prédire l'évolution de ces propriétés en fonction de ces paramètres. L'objectif est ainsi, en plus de la fiabilisation du procédé d'obtention de ces composites de nouvelle génération, de fournir les outils prédictifs nécessaires aux ingénieurs voulant utiliser ces matériaux pour connaitre la résistance exacte de la pièce conçue en fonction de ces paramètres.

Le sujet de thèse proposé tente de répondre à deux problématiques, l'une liée à la recyclabilité des matériaux composites et l'autre liée à la décarbonation de la production de ces matériaux. Les pièces de type coque telles que les carénages, coques de bateau, ailes d'avions ou encore pales d'éoliennes sont aujourd'hui produites à base de résine thermodurcissables, qui ne sont pas recyclables.

Le polymère d'étude sera une résine thermoplastique Elium, donc recyclable, dont les propriétés sont préservées même après plusieurs dizaines de cycles de recyclage. Cette résine thermoplastique, développée par ARKEMA, a vocation à remplacer les résines thermoplastiques traditionnelles et ainsi augmenter le taux de recyclabilité des matériaux composites.

Afin de favoriser la décarbonation de la production de ces matériaux, les fibres synthétiques telles que le verre ou le carbone, très énergivores à produire, tendent à laisser place à des renforts naturels. Le renfort d'étude sera un renfort hybride de fibres de lin et de coco, alliant propriétés mécaniques et réduction de l'hydrophilie caractéristique des fibres naturelles.

La bibliographie sur l'association fibres naturelles/Elium acrylique reste marginale, les seules études de la littérature traitent la mise en oeuvre, la détermination des propriétés mécaniques en traction, en fatigue et l'effet du vieillissement hydrique sur les propriétés mécaniques en traction. Une étude très récente a montré les limites de l'imprégnation des fibres de lin par une résine Elium acrylique. Ce qui en conséquence conduisait à une forte dégradation des propriétés mécaniques après un vieillissement sous eau. L'une des préconisations retenues à l'issue de cette étude, est l'utilisation d'un tissu de fibres hybrides lin fibres de coco, afin de garder un composite 100% naturel.

L'objectif de cette thèse est ainsi d'étudier le comportement mécanique de ce composite biosourcé et de ses constituants en quasi-statique, en dynamique et aux chocs, en fonction de paramètres environnementaux tels que la température et le vieillissement hydrique pour simuler l'usage de ces matériaux en conditions réelles d'utilisation. L'observation indirecte permettra de différencier les sensibilités de la matrice polymère et du renfort naturel à l'environnement de sollicitation.

L'influence de ces différents paramètres environnementaux sera investiguée via des analyses physico-chimiques permettant d'identifier et de comprendre les différents phénomènes physiques à l'origine de ces évolutions de propriétés. Ces phénomènes pourront être identifiés via des analyses FTIR, ATG, DSC et DMA. Enfin, ces données seront prises en compte dans la modélisation mécanique du comportement mécanique du matériau, permettant un dimensionnement de pièces mécaniques fiable en composites 100% biosourcés.

Cette étude débutera par une phase d'élaboration des matériaux. Il sera question de maitriser le procédé mise en oeuvre avec ce type de fibres et de s'assurer de la bonne imprégnation de la fibre hybride lin-coco aux différentes échelles. Des essais de mesure d'absorption hydrique seront réalisés pour évaluer la qualité du potentiel hydrique du composite final. Ensuite des essais mécaniques seront réalisés pour caractériser le comportement thermomécanique du composite sur une large plage de températures et de vitesses de déformation, via essais de traction et DMA notamment. Un soin particulier sera pris pour la détermination des propriétés des fibres de lin et de coco aux différentes échelles (nano-indentation, AFM en mode tapping).

Les résultats de ces essais permettront d'identifier et de quantifier les propriétés effectives, les différents modes d'endommagement et l'effet du potentiel hydrique sur les performances mécaniques du composite. Les informations ainsi recueillies serviront à développer un modèle micromécanique pour la prédiction du comportement effectif du matériau hétérogène.