Bien que les matériaux composites renforcés par fibres végétales (PFCs) représentent une solution attractive pour la conception de structures légères, performantes et à faible coût environnemental, leur développement nécessite des études approfondies concernant les mécanismes à la base du comportement non-linéaire en traction exprimé, ainsi que de la variabilité des propriétés mécaniques. Compte tenu de leur caractère multi-échelle, ces travaux de thèse visent à contribuer, via une approche numérique, à l’étude de la propagation de comportement à travers les échelles des PFCs. Dans un premier temps, l’étude se focalise sur l’échelle fibre : un modèle 3D de comportement de la paroi est d’abord implémenté dans un calcul EF, afin d’établir l’influence de la morphologie de la fibre sur le comportement exprimé. Une fois l’impact non négligeable de la morphologie déterminé, une étude des liens entre morphologie, matériau et ultrastructure et comportement en traction est menée via une analyse de sensibilité dans le cas du lin et du chanvre. La deuxième partie du travail es dédiée à l’échelle du pli de composite. Une nouvelle approche multi-échelle stochastique est développée et implémentée. Elle est basée sur la définition d’un volume élémentaire (VE) à microstructure aléatoire pour décrire le comportement du pli. L’approche est ensuite utilisée pour étudier la sensibilité du comportement du VE aux paramètres nano, micro et mésoscopiques. L’analyse de sensibilité, menée via le développement de la réponse sur la base du chaos polynomial, nous permet ainsi de construire un métamodèle du comportement du pli. / Although plant-fiber reinforced composites (PFCs) represent an attractive solution for the design of lightweight, high performance and low environmental cost structures, their development requires in-depth studies of the mechanisms underlying their nonlinear tensile behavior, as well as variability of mechanical properties. Given their multi-scale nature, this thesis aims to contribute, using a numerical approach, to the study of the propagation of behavior across the scales of PFCs. Firstly, the study focuses on the fiber scale: a 3D model of the behavior of the wall is first implemented in an EF calculation, in order to establish the influence of fiber morphology on the tensile behavior. Once the non-negligible impact of the morphology has been determined, a study of the links between morphology, material and ultrastructure and tensile behavior is conducted via a sensitivity analysis in the case of flax and hemp. The second part of the work is dedicated to the composite ply scale. A new stochastic multi-scale approach is developed and implemented. It is based on the definition of an elementary volume (VE) with random microstructure to describe the behavior of the ply. The approach is then used to study the sensitivity of VE behavior to nano, micro and mesoscopic parameters. Sensitivity analysis, conducted via the development of the response on the basis of polynomial chaos, allows us to construct a metamodel of the tensile behavior of the ply.

L’utilisation des fibres végétales dans les polymères composites suscite de nombreuses investigations. Avant de mélanger les fibres végétales dans le polymère, un traitement chimique peut être effectué permettant de réduire l’hydrophilicité des fibres et d’améliorer l'adhérence à l’interface fibre/matrice. Dans cette thèse, l'eau et l'alcali sont utilisés d'abord pour traiter les fibres de chanvre, puis trois agents silane : 3-(triméthoxysilyl)propyl méthacrylate (MPS), N-[3- (triméthoxysilyl)propyl] aniline (PAPS) et (3-Aminopropyl)-triéthoxysilane (APS), sont utilisés pour modifier plus ou moins la surface des fibres de chanvre. Ces fibres traitées ou modifiées sont ensuite mélangées avec le polypropylène (PP) pour la fabrication des composites. Les effets de ces différents traitements sur la structure, les composants et l’hydrophilicité des fibres, et les propriétés mécaniques de ces composites sont mis en évidence. Nous avons étudié ensuite l’effet de vieillissement sur leurs comportements mécaniques, notamment l'humidité, la température et le rayonnement ultraviolet. Les résultats ont montré que le traitement de fibres par l'eau et l’alcali a des effets considérables sur la structure de fibres, les propriétés mécaniques et la durabilité des composites renforcés. La modification par l'agent de silane a une influence moins importante sur la structure des fibres, pourtant son groupe fonctionnel a une influence significative sur les propriétés mécaniques et la résistance au vieillissement des composites renforcés / Using agro fiber as reinforcement of polymer com-posites attracts numerous investigations due to the good mechanical properties and environmental benefits. Prior to blend agro fiber with polymer, chemical treatment can be employed to treat agro fiber for the purpose of reducing the hydrophilicity of fiber and improving the interfacial adhesion fi-ber/polymer matrix. In this thesis, water and alkali are utilized to treat hemp fiber firstly and then three silane agent as 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacry-late (MPS), N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]aniline (PAPS) and (3-Aminopropyl)-triethoxysilane (APS) are employed to modify the hemp fiber surface. These treated or modified fibers are blended respectively with polypropylene (PP) to fabricate the hemp fiber/PP composites. The effects of these different treatments on the structure, components and hydro-philicity of fiber, and the mechanical properties of the reinforced PP composites are studied. Moreover, the accelerated ageing experiments including humidity, temperature and ultraviolet of the reinforced PP composites are conducted. The results showed that the fiber treatment of water and alkali has a considerable effect on fiber structure, mechanical properties and durability of the reinforced compo-sites. The silane agent modification of fiber has less influence on the fiber structure but its functional group has great influence on the mechanical proper-ties and ageing resistance of the reinforced compo-sites.

Depuis quelques années les matériaux composites à base de fibres naturelles sont de plus en plus utilisés pour les nouvelles performances qu’ils proposent. C’est surtout au niveau des fibres naturelles que de nouvelles propriétés sont proposées. Dans ce travail, nous nous sommes essentiellement intéressés aux fibres naturelles de chanvre. Ces fibres sont déjà fortement utilisées dans l’automobile et la construction. En Europe, ces fibres sont produites principalement en France et plus particulièrement dans l’Aube. Pour développer des agro-composites hautes performances, c’est sous la forme de fibres longues et de tissus que nous avons choisi d’orienter ce travail de thèse. Nous avons choisi la thermocompression pour élaborer des plaques avec des tissus de chanvre et une matrice en polypropylène (PP). Ce travail permet de voir l’influence des conditions d’élaboration sur le comportement mécaniques de ces agro-composites. Cette thèse permet aussi de voir l’effet du vieillissement aux UV et à l’Humidité sur les performances de ces matériaux. Enfin une analyse des contraintes résiduelles par la méthode du trou incrémental permet de voir leurs effets sur ces agro-matériaux / In recent years composite materials based on natural fibers are more and more used for their new performances. Natural fibers propose attractive environmental, mechanical and thermal properties.In this work, we are firstly interested in hemp fibers. These fibers are already used in the automotive and construction industry. In Europe, these fibers are produced mainly in France and especially in Aube. To develop agro-composites with high performances, we have focused this thesis on hemp woven. We chose to elaborate the plates with hemp woven and a polypropylene matrix (PP) by compression molding. This work allows us to see the influence of elaboration conditions on the mechanical behavior of these agro-composites. This thesis also allows us to see the effect of aging conditions UV and humidity on the performance of these materials. Finally an analysis of residual stresses determined by the hole drilling method is proposed to see their effects on the agro-materials

Les agro-composites font l'objet de nombreuses études et applications industrielles en raison des multiples propriétés mécaniques qu'ils présentent. Ces propriétés présentent de grandes perspectives comparées à celles des composites traditionnels. Cependant les connaissances sur le comportement mécanique de l'interface fibre/matrice restent limitées. De plus, la différence de propriété entre la fibre hydrophile et la matrice hydrophobe peut causer des défauts au niveau de l’interface. Il est donc important de caractériser finement la décohésion à l'interface au cours d'une sollicitation. Plusieurs méthodes ont été proposées dans la littérature, elles sont généralement très complexes à mettre en œuvre et sont coûteuses. Dans cette étude, nous avons développé une méthode de caractérisation en se basant sur l'essai de « pull-out ». La géométrie de la fibre a été prise en compte dans le calcul des propriétés mécaniques de l'interface par la mise à profit d'une approche inspirée de la tomographie. L'influence de la température d'élaboration sur les propriétés mécaniques de l'interface a été étudiée de manière à définir la température optimale. L'évolution des propriétés interfaciales a été suivie au cours d'un vieillissement en humidité relative. Après quatre semaines, la résistance au cisaillement et la rigidité au cisaillement de l'interface sont diminuées fortement alors que la déformation à la rupture est augmentée / Agro-composites are increasingly studied and applied to various industries over recent years due to good mechanical properties compared to conventional composites especially in terms of specific values. However, since low adhesion between the hydrophilic fiber and hydrophobic matrix, which occurs one of the main breaks modes in this kind of material, the characterization of the interface becomes a key problem. For investigation of this issue, existing methods show limitation for reasons of complexity (in preparation, in principle) and of cost. In this study, we developed a « pull-out ». In particular, the real fiber geometry of the plant fiber was taken into the calculation of mechanical properties of interface using a tomography inspired method. By checking the effective temperature of the molding then varying it, we studied the effect of this processing parameter to mechanical properties of fibre/matrix interface and determined the optimal conditions. The developed experimental protocol is applied to aged interfaces in order to clarifying the evolution of interfacial properties during the aging time to relative humidity. After four weeks, the interfacial shear strength and the shear modulus of the interface were greatly reduced while the shear deformation at the rupture was greatly increased

La terre est le premier matériau de construction par les hommes, disponible et peu consommateur d’énergie. Aujourd’hui encore, environ 30 % des habitants de la planète vit dans des habitats en terre, et pour les pays en développement, ce pourcentage s’élève à 50 % de la population rurale. De plus, les matériaux à base de terre permettent un meilleur équilibre et contrôle du climat thermique et acoustique intérieur par rapport aux matériaux usuels de construction. Cependant, la majorité des constructions en terre ne répondent pas aux exigences actuelles en termes de contraintes mécaniques, thermiques ou architecturales. Afin de répondre à ces exigences, un travail tant au niveau scientifique qu’au niveau des praticiens est à accomplir dans ce domaine.L’objectif de cette étude est de déterminer l’influence des propriétés des matériaux utilisés sur le comportement mécanique et hygrothermique de composites terre-fibres végétales. Pour cela, différents types de sols et de fibre végétales (paille de lin, paille de blé) ont été utilisés. Ensuite, les performances mécaniques (compression, flexion) et hygrothermiques (sorption/désorption, perméabilité à la vapeur d’eau, conductivité thermique) ont été déterminées pour différents composites terre-fibres végétales. Les résultats montrent que l’utilisation de paille de lin permet d’obtenir des performances mécaniques supérieures à celles obtenues pour la paille de blé. Cependant, il est à noter que l’introduction de fibres aux sols diminue les performances mécaniques due à la diminution de la densité du matériau. Aucune influence claire de la longueur des fibres sur les performances mécanique n’a été constatée. L’étude du comportement hygrothermique a permis de montrer que le comportement à la sorption/désorption du matériau terre-fibres végétales peut être approximer à partir des résultats obtenus pour les matériaux de base. De plus, il a été démontré que l’évolution de la conductivité thermique du matériau terre-fibres végétales au cours du séchage est reliée au comportement au retrait. / Soil is the first construction material used by man, widely available and low energy consuming. Indeed, about 30% of the current world population lives in earthen structures and, in developing countries, this rate rise to 50%, mostly rural. Moreover, earth-based materials allow an improved balance and control of thermal and acoustic indoor climate compared to industrial construction materials. However, most of earthen structures do not reach current requirements in terms of mechanical, thermal or architectural. To respond to these requirements, a work at scientific and craftsman levels is necessary.The objective of this study is to determine the influence of materials’ properties on the mechanical and hygrothermal behaviour of earth-fiber composites. In order to do this, different types of soil and plant fiber (flax straw, wheat straw) were used. Then, mechanical (compression, bending) and hygrothermal performances (sorption / desorption, water vapor permeability, thermal conductivity) were determined for different soil-fiber composites. Results show that the use of flax straw provides better mechanical performances than use of wheat straw. However, it should be noted that fibers addition to soil decreases mechanical performance due to the decrease of material density. No clear influence of fiber length on mechanical performance was found. The study of hygrothermal behaviour has shown that the sorption / desorption behaviour of earth-fiber material can be approximated from the results obtained from basic materials. In addition, it has been shown that the thermal conductivity evolution of earth-fiber material during drying is related to the shrinkage behaviour.

Depuis des millénaires, le chanvre est cultivé pour ses fibres. Longues et résistantes, elles peuvent notamment entrer dans la composition de matériaux textiles et composites, secteurs industriels en plein essor. Cependant, leur manque d’homogénéité et la complexité de leur affinage ne leur permettent pas encore d’être compétitives face aux fibres synthétiques ou de coton. Mais des fibres de chanvre fines pourraient être produites à partir de fibres brutes en utilisant un traitement par explosion à la vapeur à bas coût, faible consommation d’énergie et avec un faible impact environnemental. Une caractérisation morphologique, chimique et mécanique des fibres a été réalisée avant et après traitement dans le but d’optimiser les paramètres de ce procédé, selon une méthodologie de plan d’expériences. Ces essais ont montré que l’explosion à la vapeur pouvait être utilisée pour produire des fibres correspondant aux critères imposés par l’industrie textile et des matériaux composites. Des éléments ont aussi été apportés sur une éventuelle industrialisation de l’explosion à la vapeur. Là encore, les résultats montrent que ce procédé pourrait être industriellement compétitif en termes de coûts, de consommation en eau et en énergie, et de rendements. Enfin, des fibres ont été produites à partir de sols pollués contenant des métaux lourds. Les teneurs en métaux dans les différentes parties de la plante et dans les fibres ont été mesurées avant et après explosion à la vapeur. Les résultats obtenus ouvrent de nouvelles perspectives quant à un usage durable de Technosols (notamment des friches industrielles) pour la production de fibres de chanvre à usage industriel / Hemp plants have been cultivated for their usable fibers for thousands of years. The fibers are long and resistant and can be utilized for creation of textile and composite materials, relevant to burgeoning industrial sectors. However, due to their lack of homogeneity and the complexity of their refining, hemp fibers are unable to compete with synthetic and cotton fibers. But fine hemp fibers could be successfully produced from technical fibers using a steam explosion treatment at a low cost, a low energy consumption and with a low environmental impact. To optimize the parameters of this process, a morphological, chemical, and mechanical characterization was performed before and after steam explosion using a design of experiments methodology. These experiments showed that this process can be used to produce hemp fibers with the standards defined by the textile and composite materials industries. Some features have also suggested some prospects in the industrialization of steam explosion for fibers production. These results showed that this process could be industrially competitive in terms of costs, water and energy consumption and yield. Finally, phytoremediation-borne hemp fibers were produced from soils contaminated with trace elements. The metals concentrations in plant components and in the fibers were measured before and after steam explosion treatment. The results offer new insights and prospects for a sustainable use of Technosols (in particular brownfield sites) by the production of hemp fibers

Dans ce projet, on évalue l'effet du type de traitement et de la taille de la fibre de chanvre pour des applications dans des composites thermoplastiques. La matrice sélectionnée est le polyethylene de haute densité (PEHD). Au total, quatre polyéthylènes/agents couplant ont été sélectionnés pour modifier l'interface fibre-matrice dans le but d'améliorer les propriétés mécaniques du composite. Les objectifs secondaires de cette étude sont: de prétraiter la fibre de chanvre de façon thermomécanique avant son incorporation dans la matrice, de déterminer les paramètres optimaux de mise en oeuvre afin de préparer le matériau composite par extrusion, ainsi que caractériser de façon mécanique les matériaux composites en tension, flexion et impact. Les résultats obtenus indiquent que la farine de chanvre se comporte plutôt bien par rapport aux fibres. De plus, la pression de vapeur lors du traitement thermomécanique ne fait aucune différence sur les propriétés du matériau composite. Aussi, l'ajout d'agent couplant fait une différence dans les propriétés mécaniques des matériaux composites alors que le meilleur agent couplant a été le Dupont WPC-576D. Finalement, le moment d'ajouter l'agent couplant (au prétraitement ou dans l'extrudeuse) ne fait aucune différence sur les propriétés des matériaux composites.

L’intégration des fibres naturelles cellulosiques de plantes annuelles ou de résidus agricoles ou agro-industriels dans l’élaboration de matériaux de structures composites et le développement de nouveaux liants biosourcés sont aujourd’hui un domaine de recherche d’intérêt croissant. La thèse s'est déroulée dans le cadre du programme « Eco-panneaux », dont les deux objectifs principaux furent tout d'abord de valoriser les fibres végétales d’origine tunisienne comme l’alfa, le jonc et les folioles de palme et ensuite d'évaluer le potentiel d'espèces végétales tunisiennes dont les écorces sont riches en tannins (fruit de grenade, racines du sumac et tronc de pin d’Alep). Les études de caractérisation des fibres ont montré que leurs masses volumiques sont inférieures à 1. Le calcul du point de saturation des fibres (FSP) montre des valeurs majoritairement comprises entre 60 et 100 %. Nous avons également pu caractériser la cinétique d'imprégnation d'eau pour chacune des fibres. L’imprégnation se stabilise après 24 h d’immersion. Riches en minéraux (concentrations supérieures à 1 %), les fibres ont montré des teneurs en cellulose, en lignines et en hémicellulose comparables à celles généralement rencontrées avec les fibres de bois. L’analyse thermogravimétrique (ATG) a permis de constater que les matrices végétales étudiées sont thermiquement stables pour des températures inférieures à 200°C. Le dosage colorimétrique pour étudier la composition en polyphénols des matrices tannifères, l’analyse infrarouge et l’étude structurale de l’extrait des tanins, ainsi que le calcul du « Stiasny number » , montrent la forte teneur de l’écorce de grenade en tanins hydrolysables et la richesse des écorces du tronc de pin d’Alep et des racines du sumac en tanins condensés. L’étude des propriétés thermiques des extraits de tanins par ATG montre que les tanins de pin d’Alep et du sumac sont thermiquement plus stables que ceux de la grenade. La colle formulée à partir d’hexamine et de tanins de pin d’Alep présente un module d’élasticité élevé. Alors que la colle à base de tanins de grenade forme le réseau le moins dense. Ces résultats ont été confirmés par l’étude de la résistance au cisaillement. L'étude réalisée sur les composites fibres-plâtre (mise en œuvre et caractérisation physico mécanique des composites) a montré que les fibres locales pourraient constituer une alternative aux fibres d'importation utilisées actuellement. Une première caractérisation de la conductivité thermique des panneaux isolants élaborés à partir des fibres locales et de colles de tanins montre une conductivité thermique moyenne de 0,106w/K.m. / The integration of natural cellulosic fibers from annual plants and agricultural residues and agro-industrial materials in the development of composite structures and the development of new bio-based adhesives, are now a research field with growing interest. The thesis was conducted within the framework of "Eco-panels" program, which its two main objectives were firstly, to enhance plant fibers of Tunisian origin as alfa, rush and palm leaflets and then to evaluate the potential of Tunisian plant species whose bark is rich in tannins (pomegranate fruit, sumac roots and Aleppo pine trunk). The characterization studies of fibers showed that their densities are less than 1. The calculation of the fiber saturation point (FSP) shows values mostly between 60 and 100 %. We were also able to characterize the impregnation kinetics of water for each of these fibers. The impregnation stabilizes after 24 h of immersion. Rich in minerals (concentrations greater than 1 %), the fibers showed levels of cellulose, lignin and hemicellulose comparable to those generally encountered with wood fibers. The thermogravimetric analysis (TGA) shows that the plant matrices are thermally stable for temperatures below 200 ° C. The colorimetric assay of the polyphenolic composition of tanniferous matrices, the infrared analysis and the structural study of the tannins extract, as well as the calculation of "Stiasny number" show the high content in hydrolysable tannins for pomegranate barks and richness of Aleppo pine trunk barks and sumac roots barks in condensed tannins. The study by TGA of the thermal properties of tannins extracts shows that Aleppo pine and sumac tannins are thermally more stable than those of pomegranate. The formulation made from hexamine and Aleppo pine tannins has the greatest elasticity modulus. While the formulation prepared from pomegranate tannins forms the least dense network. These results were confirmed by the study of the shear strength. The study conducted on fiber-plaster composites (implementation and physico-mechanical characterization of composites) showed that local fiber could be an alternative to imported fibers used currently. A first characterization of the thermal conductivity of insulation panels made from local plant fibers and tannins adhesives shows an average conductivity of 0,106 W / Km.

L’amélioration des performances des robots est un enjeu important dans le domaine industriel. Les objectifs visés sont l’augmentation de l’espace de travail, de la capacité de charge transportable, de la vitesse de travail et de la précision du robot. Pour atteindre ces objectifs, il faut en général augmenter la rigidité, diminuer la masse et augmenter la capacité d’amortissement du robot. Les robots actuels sont généralement fabriqués en métaux : aluminium ou acier, ce qui limite leurs performances en raison des faibles capacités d’amortissement des vibrations de ces matériaux. Les matériaux composites présentent l’avantage de combiner des matériaux différents, ce qui conduit à une variété de leurs performances. Parmi les types de renforts, les fibres de carbone présentent un module d’élasticité élevé permettant la conception de pièces de grandes rigidités statiques mais elles possèdent une faible capacité d’amortissement. Les fibres végétales, par contre, possèdent une faible densité, de bonnes propriétés spécifiques et des capacités d’amortissement élevées. Cette thèse porte sur l’amélioration des performances d’un robot parallèle 3CRS en utilisant des matériaux composites pour reconcevoir des pièces initialement fabriquées en aluminium. La thèse commence d’abord par une caractérisation des comportements statiques et dynamiques du robot initial constitué de bras en aluminium. Ensuite, la forme des segments des bras robotiques est optimisée par rapport aux sollicitations mécaniques sur le robot. Un nouveau composite stratifié hybride renforcé par des fibres de carbone et des fibres de lin est alors proposé. Cette combinaison permet d’allier les avantages des deux types de fibres dans un composite pour le dimensionnement des composants sous sollicitation élevée. La structure de ce nouveau composite a été optimisée puis un segment est fabriqué pour valider la conception. Finalement, l’étude du nouveau robot avec des bras en matériaux composites a été réalisée, les résultats montrent que la rigidité du robot augmente, sa masse diminue légèrement et sa capacité d’amortissement augmente considérablement par rapport au robot initial. Donc, l’application du composite stratifié hybride peut améliorer les performances statiques et dynamiques et augmenter significativement la précision en fonctionnement du robot 3CRS. / Improvement of the robot’s performances is a major challenge in the industrial field. In general, improvement objectives are increasing workspace, transportable capacity, speed and precision of the robot. To achieve these objectives, it must increase rigidity, reduce weight and increase damping capacity of the robot. Currently, the robots are generally made of metals: aluminum or steel, which limits their performances due to low damping capacity of these materials.Composite materials present an advantage to combine different materials, which leads to a variety of composite material properties. Among the types of reinforcements, carbon fibers show high modulus that enables robotic parts with high static rigidities to be designed. However, carbon fibers have generally a low damping capacity. Natural fibers have low density, good specific properties and high damping capacity.This thesis focuses on the improvement of the performances of the 3CRS parallel robot by using the composite material to redesign robot parts initially made of aluminum. The thesis begins with static and dynamic characterizations of the original robot. Then, the shape of segments of the robotic arms is optimized with respect to applying force on the robot. A hybrid laminated composite reinforced with carbon fibers and flax fibers is proposed for the use. This combination enables to combine the advantages of two fiber types in a composite for using in high loaded components. The structure of the new hybrid laminated composite is optimized and a composite segment is then fabricated in order to validate the design. Finally, the analysis of the new robot with composite arms is executed. The result shows that the new robot has a slightly higher rigidity, lighter mass and considerably greater damping capacity in comparison with the original robot. Therefore, the application of the hybrid composite could improve the static and dynamic performances and increases considerably the accuracy in operation of the robot 3CRS.