De par ses propriétés thermomécaniques proches des polyoléfines, le poly(butylene succinate)est l’un des polymères biosourcés les plus attractifs pour la substitution de matériaux pétro-sourcés pour des applications automobiles. L’incorporation de fibres de chanvre, via une étape d’extrusion,renforce la matrice et permet de tendre vers les propriétés cibles exigées par les cahiers des charges automobiles pour les applications visées dans cette étude. Afin d’améliorer les propriétés thermomécaniques de ce matériau, trois sujets ont été développés dans cette étude :1- Qualification de l’interface PBS / fibres de chanvre : via une nouvelle méthodologie basée sur l’analyse de la contribution effective des fibres sur la contrainte (CFC) durant une sollicitation mécanique, il est montré que les liaisons hydrogène formées entre le PBSet la fibre influent fortement sur les mécanismes de transfert de charge. Couplée au modèle de Bowyer et Bader, cette approche permet d’identifier les mécanismes d’endommagement de l’interface et de quantifier la contrainte interfaciale (τchanvre/PBS=25,2MPa).2 - Signification du ratio L/D d’une fibre naturelle : au cours des procédés de mises en oeuvre (extrusion et injection), la morphologie d’une fibre végétale évolue et apparait complexe due à la structure branchée engendrée par la fibrillation. A partir d’une nouvelleméthodologie d’analyse d’images spécifiquement développée, il est montré que la fibrillation contribue au renforcement de la matrice au même titre que le défibrage.3 -Synthèse de PBS-co-amides : afin de couvrir les contraintes thermomécaniques exigées,l’introduction de groupements amide dans le PBS est étudiée pour augmenter le point de fusion du polymère. Afin de contourner notamment la réaction parasite de cyclisation entre l’acide succinique et les amines, une stratégie de synthèses multi-étapes de monomères et de poly(ester-amide) est étudiée permettant d’obtenir un PEA de faible masse molaire dont le point de fusion atteint 172°C. / With its thermomechanical properties closed to polyolefins, poly(butylene succinate) is one ofthe most interesting bio-based polymers for substitution of oil-based polymers for automotive applications. Addition of hemp fibers, through an extrusion process step, reinforces matrix and enables to fit with the targeted technical profile required by automotive specifications. In order to improve thermomechanical properties, three main topics have been investigated in this study:1 - PBS / hemp fibers interface qualification: through a new methodology based on the analysis of the effective fiber contribution on stress during mechanical solicitation, it was shown that hydrogen bonds between PBS and fibers play a major role in load transfer.Combined with the Bowyer and Bader model, this approach enables to highlight interface damages and to determine the interfacial shear strength (τhemp/PBS=25,2 MPa)2 - Meaning of natural fiber L/D ratio: during processes (extrusion and injection), vegetal fiber morphology changes and becomes complex due to the fibrillated structure. With anew developed image analysis tool, it was shown that fibrillation contributes to matrix einforcement as well as defibering.3 - Synthesis of PBS-co-amide: to reach the targeted thermomechanical performances,introduction of amide groups into PBS was studied to increase the melting point. In order to avoid the cyclic imide formation between succinic acid and amines, synthesis of monomers and poly(ester amide) were studied through a multistep strategy, enabling to get low molecular weight PEA with melting temperature around 172°C.

L’industrie des matériaux composites ne cesse d’évoluer et de croître en mettant en place de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies. En substitution des matériaux d’origine fossile que les matériaux d’origine naturelles (et surtout végétales) commencent à voir le jour. C’est dans ce contexte que notre travail de recherche est proposé. Il s’intéresse à la caractérisation du comportement mécanique d’un composite à matrice Polypropylène, renforcé avec des fibres de Chanvre et du bois de Chanvre (Chènevotte). Les différents moyens et techniques de caractérisation, utilisés par la présente étude, ont montré que ces nouveaux matériaux sont dotés de propriétés, en particulier mécaniques, de haut niveau, qui viennent rivaliser avec celles des autres composites classiques à base de fibres de verre et de carbone.Les essais expérimentaux en statique et de fatigue, ont révélé beaucoup de détails en comparaison avec d’autres matériaux composites. Ces informations ont permis de créer une sorte de base de données qui pourra servir de référence pour d’autres composites de la même famille à base de fibres végétales. Ainsi, des mécanismes d’endommagement ont été mis en évidence grâce aux essais mécaniques (traction monotone, charge-décharge, …) associés à des observations microscopiques (Microscope Electronique à Balayage), et à des outils de détection du dommage basés sur l’émission acoustique. Par le biais de cette technique, nous avons pu apprécier la qualité et l’importance de l’interface fibre/matrice qui est un paramètre fondamental pour la présente étude et pour la détermination de la loi de comportement du composite.La modélisation micromécanique a été intégrée dans ce travail de thèse, grâce au modèle de Mori-Tanaka. Le comportement des matériaux à l’endommagement n’a pas été pris en considération ; seule l’élasticité a été étudiée. A l’aide de ce modèle, nous avons pu remonter aux propriétés intrinsèques des constituants (le module d’élasticité longitudinale des renforts: Chanvre et Chènevotte). / The composites industry continues to evolve and grow by developing new materials and new technologies. Replacing fossil materials by materials with natural origin (especially vegetable) seems to be one of the most promising. In this context our research is proposed. It is interested to characterize the mechanical behavior of a polypropylene matrix composite reinforced with fibers of Hemp and Wood of Hemp (Chenevotte). The various means and characterization techniques used in this study showed that these new materials have interesting mechanical properties, coming rival those of other conventional composites based on carbon and glass fibers.The experimental static and fatigue tests have revealed many details in comparison with other composite materials. The information help creates a database that can serve as reference for other composites of the same family and vegetable fibers. Mechanisms of damage have been highlighted through mechanical tests (tensile monotonous charge-discharge …) associated with microscopic observations (Scanning Electron Microscope), and tools for damage detection based on emission acoustics. Thanks to this technique, we could improve the quality of the interface fiber / matrix which is a basic parameter for this study and for determining the behavior of composite.Micromechanical modeling has been integrated in this thesis, through the Mori-Tanaka model. The behavior of materials during damage has not been taken into account: only the elasticity has been studied. Using this model, we were able to trace the intrinsic properties of the constituents (the longitudinal modulus of elasticity of the reinforcements: Hemp and Chenevotte).

Les besoins de l'industrie aéronautique en matériaux composites capables de conserver pendant de longues durées leurs performances a des températures de 600°C ont motivé la conception de zones interfaciales particulièrement stables au sein de matériaux composites a matrice d'alliage de titane renforcés par des filaments de carbure de silicium. Des dépôts sur filaments de siliciures TiSi2 et Ti5Si3 obtenus par pulvérisation cathodique ont été caractérisés par microscopie électronique a balayage, analyses nucléaires (Rutherford Backscattering Spectrometry) et spectrometrie d'électrons Auger (AES). Les compatibilités chimique et thermomécanique entre les différents constituants des matériaux composites élaborés par compression a chaud a partir des filaments revêtus et divers types de feuillards de titane (Ti, B21S, Ti 1100) ont été étudiées en calculant les états de contraintes résiduelles au sein des constituants et en mesurant leur cinétique d'évolution. L'analyse des zones interfaciales par spectrométrie X et Auger a permis de proposer des mécanismes de diffusion.

Au cours de cette étude, il a été question de développer une méthodologie d’élaboration et d’évaluation de la qualité de l’interface fibre-matrice au sein d’un composite à matrice polyamide 12 renforcé par du verre. Un modèle macroscopique a été élaboré dans un premier temps sous forme d’un assemblage lame de verre/film polyamide 12, et plusieurs promoteurs d’adhésion, principalement des organosilanes, de fonctionnalités différentes et compatibles avec la matrice polyamide ont été testés. La qualité du greffage a pu être caractérisée grâce à des techniques d’analyses physico-chimiques adaptées (AFM, PM-IRRAS, mouillabilité,…), et la performance adhésive des assemblages a pu être évaluée par des tests mécaniques spécifiques (pelage, clivage). Dans une seconde étape, le protocole de dépôt décrit à l’échelle macroscopique a été adapté à l’échelle des fibres de verre, plus particulièrement à l’échelle mésoscopique des fibres optiques. Des essais mécaniques spécifiques à l’échelle microscopique (fragmentation) ont été réalisés afin d’évaluer la performance adhésive de l’interface dans les assemblages concernés. Une étude focalisée sur la compréhension des mécanismes interfaciaux a également été réalisée afin de clarifier la nature des interactions établies à l’interface fibre-matrice. Grâce aux différentes techniques de caractérisation physico-chimiques il a été possible de mettre en évidence l’influence de différents paramètres expérimentaux, tels que la durée du greffage, la densité de greffage et la chimie des surfaces traitées, sur la cristallisation de la matrice à l’interface. La dernière partie de ce travail de thèse concerne le passage à l’échelle du semi-produit sous forme de rubans. Des analyses des propriétés de l’interface ainsi que des caractéristiques mécaniques ont été réalisées. / During this study, the aim was to develop a methodology to elaborate and evaluate the quality of the fiber-matrix interface in a glass fiber reinforced polyamide 12 composite.At first, a macroscopic model was developed using a glass slide/polyamide 12 film assembly. Several organosilane adhesion promoters with different features and compatible with the polyamide matrix were tested. The grafting quality was characterized through appropriate physico-chemical analytical techniques (AFM, PM-IRRAS, Wetting…), and the adhesive performance of the assemblies was evaluated by specific mechanical tests (Peel test, Wedge test). In a second step, the deposition procedure described in macroscopic scale has been adapted to the glass fibers’ scale, more particularly to optical fibers. Specific mechanical tests were performed (fragmentation test) to assess the adhesive performance at the interface of the concerned assemblies.A study focused on the understanding of the interfacial mechanisms was also conducted to clarify the nature of the interactions established at the fiber-matrix interface. Thanks to the different physico-chemical characterization techniques, it has been possible to demonstrate the influence of various experimental parameters such as the surface treatment time, the grafting density and the chemistry on the treated surfaces on the crystallization of the matrix at the interface. The last part of this work concerns the transition to the semi-scale form of ribbons. The analysis of the interface’s properties and the mechanical characteristics has been investigated.

Ce travail de thèse vise à adapter un système polymère au procédé d’élaboration par infusion d’une structure en matériaux composite pour fuselage d’avion. Ce système doit répondre à certaines exigences de viscosité, de température d’infusion, de stockage mais également de prix. La méthodologie mise en place consiste à s’approprier le procédé de mise en oeuvre afin de valider le choix des résines, de les caractériser à l’état initial et enfin d’étudier leur durabilité vis-à-vis d’un vieillissement hygrothermique. La caractérisation des propriétés a mis en évidence des comportements différents à l’état initial en termes de transition vitreuse, résilience et viscosité. L’étude du vieillissement hygrothermique montre une chute des propriétés fortement liée à l’évolution chimique des réseaux polymères qui a pour origine majeure l’hydrolyse de plusieurs liaisons. Enfin, un test d’adhérence est mis en place afin d’évaluer l’interface fibre/résine. Ce test a permis d’estimer les différents traitements de surface effectués sur les fibres. / The work presented in this thesis was done to adapt a polymer to selected elaboration process by infusion of a composite material structure for an aircraft fuselage. The polymer system must meet certain requirements such as viscosity, infusion temperature, storage but also the price. Our methodology is to understand the process putting into practice in order to validate the resins choice, to characterize the initial state and the study their sustainability towards a hydrothermal ageing. Properties characterization showed different behaviours in initial state, in terms of glass transition, resilience and viscosity. The study of hydrothermal ageing reveals a drop properties closely related to the chemical evolution of polymer networks which has for major origin multiple links hydrolysis. At least an adherence test is carried out to assess the interface fiber/resin. This test was used to estimate the different surface treatments on the fiber.

Ces travaux de thèse portent sur la physico-chimie de l'interface fibre/matrice appliquée aux composites Carbone/Carbone. La surface des fibres de carbone est modifiée par divers traitements de surface (voie gazeuse et voie humide). L'impact de ces différents procédés sur l'état de surface des fibres a été évalué par chromatographie gazeuse en phase inverse à dilution infinie, MEB, AFM, MET, RAMAN… Suite à ces caractérisations, des traitements de surface ont été retenus pour la réalisation de composite C/C. Les propriétés notamment mécaniques des matériaux composites à interfaces modulées (force de la liaison fibre/matrice) ont pu être évaluées. Finalement, il a pu être établi une relation entre modifications de surface des fibres de carbone et comportement macroscopique des composites C/C. / This work focuses on the physical chemistry of the fiber/matrix interface applied to composites carbon/carbon. The surface of carbon fibers was modified by various surface treatments. The carbon fibers surface variation was evaluated by inverse gas chromatography at infinite dilution, SEM, AFM, TEM, Raman... After these characterizations, surface treatments were selected for the realization of C/C composites. The mechanical properties of composites at modulated interfaces (fibers/matrix bonding) were evaluated. Finally, a correlation between surface modification of carbon fibers and macroscopic behavior of composite C/C was established.

Ce mémoire de thèse s’intéresse aux phénomènes d’adhésion dans des composites à matrice thermoplastique obtenus par polymérisation radicalaire de mélanges réactifs. Après une courte introduction bibliographique sur les thématiques d’adhésion et d’adhérence, les propriétés générales des principaux éléments constitutifs des assemblages finaux sont étudiées séparément pour discuter de leur pertinence en vue d’une application composite. Une attention particulière est portée sur les systèmes réactifs acryliques à l’état liquide. L’étude se concentre ensuite sur les mécanismes réactionnels et l’évolution des propriétés des systèmes réactifs lors de la polymérisation. Ces problématiques sont de première importance pour anticiper les mécanismes gouvernant l’adhésion dans les composites obtenus mais aussi pour appréhender les potentielles problématiques à venir lors des étapes de mise en forme. Enfin, une étude est spécifiquement dédiée au cas de l’adhésion entre matrice acrylique et fibres de verre dans des composites à fibres de renfort continues. Les propriétés à l’interface verre/acrylique ont été évaluées à l’échelle microscopique dans des systèmes modèles et à l’échelle macroscopique dans des composites unidirectionnels, c'est à dire pouvant les défauts d’adhésion générés lors de la mise en forme. L’ensemble de ces résultats permet de se positionner quant à l’utilisation de solutions acryliques thermoplastiques pour des applications composites structuraux. / These PhD research works focus on adhesion phenomena involved in thermoplastic composites based on acrylic matrices obtained by free radical polymerization. After a short bibliographic section introducing some basics on adhesion phenomena and practical adhesion measurements, properties of elementary constituents are assessed to discuss their relevancy for composite applications. Special attention is paid to acrylic reactive systems and properties of acrylic resins at liquid state. Then, the reaction mechanisms involved in free radical polymerization are detailed. The changes in acrylic system properties during polymerization are investigated to anticipate further processing-related issues. At last, a study is dedicated to the assessment of interfacial adhesion between glass fiber and acrylic matrices in fiber reinforced composites. Interfacial properties are characterized at microscale in model systems and at macroscale in real-sized composites, i.e. integrating process-induced defects. From overall results, the relevancy of acrylic thermoplastic solutions for structural composite applications is discussed.