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 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.