Dans cette thèse, un composite unidirectionnel à renfort lin (composite UD biosourcé) a été développé et élaboré par la technique de presse à chaud. Le comportement en traction des composites à renfort végétal montre en général deux domaines, mais un troisième domaine est identifié dans ce travail. Un modèle phénoménologique développé précédemment pour décrire le comportement en traction d'un composite à renfort en fils torsadés a été testé avec le composite UD biosourcé. Nous montrons que l'ajout d'un phénomène de consolidation au modèle précédent est nécessaire pour simuler correctement le troisième domaine. Un second modèle mécanique a été par ailleurs développé pour identifier expérimentalement les propriétés mécaniques effectives du renfort en lin lorsqu'il est piégé dans la matrice. La distribution statistique de l'orientation locale du renfort a été mesurée pour pouvoir prendre en compte l'orientation des fibres. Pour cela, la technique du tenseur de structure a été appliquée sur des images optiques du pli de lin. Par ailleurs, ce modèle permet d'étudier l'influence des porosités sur les propriétés mécaniques. Les deux modèles permettent d'effectuer des prévisions efficaces du comportement mécanique du composite de fibre de lin unidirectionnel. En complément des modèles de mécanique, le comportement en sorption du composite de lin UD a également été analysé. Le modèle de Langmuir et le modèle de Fick ont été appliqués sur nos composites UD. Les résultats montrent que la configuration unidirectionnelle du renfort de lin favorise la sorption d'eau des composites associés.Résumé en anglais / In this Ph.D work, unidirectional flax fiber composite (UD biobased composite) has been designed and manufactured based on the hot platen press process. Plant fiber composites usually exhibit two regions under tensile load, but three regions have been identified in this work. A phenomenological model, previously developed to describe the tensile mechanical behavior of twisted plant yarn composites, has been tested with the UD biobased composite. We show that the addition of a strengthening phenomenon to the previous model is necessary to simulate correctly the third region. A second mechanical model has also been developed for experimental identification of the effective mechanical properties of flax reinforcement when embeded in matrix. A statistical distribution of local orientation of UD reinforcement was obtained allowing taking the fiber orientation into account. To that end, structure tensor method was applied to optical images of flax ply. Furthermore, this model allows the effect of porosity on mechanical properties to be studied. Both models provide effective forecast of the mechanical behavior of unidirectional flax fiber composite. Besides the mechanic models, sorption behavior of UD flax composite also has been analyzed. Langmuir's model and Fick's model were applied on our UD composite. The results show that the unidirectional configuration of the flax reinforcement promotes the water sorption from the associated composites.

Dans le domaine des transports, l’allègement des structures est une préoccupation de l’industrie moderne. À cet effet, les matériaux composites unidirectionnels à matrice polymère sont de plus en plus utilisés pour des applications structurelles. Pour mener à bien cette transition technologique, les campagnes expérimentales laborieuses et onéreuses sont progressivement réduites, laissant la place à une caractérisation “numérique“ supplétive et ciblée. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse. Le matériau considéré est un composite à matrice thermoplastique (le Polyamide 11) et à renforts unidirectionnels de fibres de verre. Sous sollicitations mécaniques, la variabilité microstructurale, à l’échelle des constituants, engendre des contraintes multi-axiales importantes qu’il est nécessaire d’évaluer. C’est notamment le cas dans les zones où la matrice est confinée par le renfort. Étudier l’échelle microscopique se révèle primordial pour comprendre et simuler les mécanismes de déformation spécifiques à la matrice thermoplastique.En première partie, une campagne expérimentale est réalisée sur le polymère thermoplastique massif. Des éprouvettes axisymétriques entaillées sont sollicitées en traction monotone et suivies in situ en tomographie aux rayons X. Un phénomène de cavitation est observé. Les grandeurs macroscopiques (ouverture d’entaille, réduction diamétrale. . .) mais aussi microscopiques (évolution des cavités considérées en cluster et individuellement)sont analysées de manières qualitative et quantitative.Un modèle Éléments Finis poro-viscoplastique est ensuite proposé et calibré afin de prendre en compte les mécanismes spécifiques de déformation et d’endommagement du polymère observés expérimentalement. La seconde partie est consacrée à l’étude numérique du matériau composite unidirectionnel. La représentation de la microstructure réelle est permise par la génération de cellules périodiques aléatoires et représentatives(vis-à-vis de descripteurs morphologiques). Des calculs micromécaniques sont alors menés et permettent d’accéder aux mécanismes de déformation, aux grandeurs locales et au comportement mécanique du composite (en élasticité linéaire et au-delà). Une attention particulière est portée à la représentativité des grandeurs calculées. Enfin, une démarche multi-échelle est proposée. Une homogénéisation numérique par un milieu de substitution permet de réaliser des calculs de structure tandis qu’une relocalisation sur certains points critiques donne accès aux grandeurs locales. / In the field of transport, research for reducing the weight of structures is a continuing preoccupation for the industry. For this reason, polymer matrix composite materials are being used increasingly for structural applications. To succeed with this technological transition numerical modelling plays a significant role as cumbersome and costly experimental campaigns are being limited. This is the background to this thesis work.The material considered is composed of a thermoplastic resin (Polyamide 11) with a unidirectional glass fibre reinforcement. Under mechanical loadings, the microsctructural variability, at the constituent length scale, leads to important multi-axial stresses that need to be evaluated. This is notably true in zones where the matrix is particularly confined. Studying the microscopic scale is of paramount importance in order to understand and simulate specific strain mechanisms of the thermoplastic resin.In the first part, an experimental campaign has been conducted on the plain thermoplastic polymer. Axisymetric notched specimens were tested under uniaxial monotonous tension and monitored with in-situ X-ray synchrotron computed tomography. A cavitation phenomenon has been observed. Not only macroscopic quantities (notch opening displacement, reduction in diameter…) but also microscopic (evolution of voids considered as a cluster or individually) have been analyzed both quantitatively and qualitatively. A finite element model is subsequently proposed and calibrated to take into account the specific strain deformations and damage experimentally observed with this polymer.The second part is dedicated to a numerical study of the unidirectional composite material. A representation of the real microstructure has been tackled with the generation of virtual random and periodic cells in a way that nevertheless is truely morphologically representative. Micromechanics computations have been carried out and give access to strain mechanisms, to local quantities and to the composite material behaviour (in linear elasticity and beyond). Special attention is paid to the representativeness of the computed quantities. Finally, a multiscale approach is proposed. Structural computations have been possible due to a numerical homogenization based on an homogeneous equivalent medium whilst a relocalisation gives access to local quantities in critical zones of the structure.