Modelling and characterisation of the mechanical behaviour of elementary flax fibres - MICRONLIN

ENGLISH. The flax fibers reinforced biobased-composites have strong potential and stand-up to comparison with glass fibers reinforced composites on many points. This is particularly the case for the specific stiffness. Our PM2E team has shown that in these biobased-composites the elasticity threshold is very low and strongly depend on the temperature and the relative humidity rate of the material. This meaning of particularity that a flax composites are generally inelastic! This is a very important point to provide certainty as to the origin of the observed phenomenon. Beyond the flax, if during the development of biobased-composites the temperature and the relative humidity of fibres have a determining role on the final properties of plant fiber composites then it should be demonstrated to improve the developing process. The MICRONLIN project is a continuation of a UNICAEN thesis started in the laboratory in October 2018 and whose objective was to establish the micro-macro mechanical of laws that connect the behaviour of plant fiber-based bio-composite materials to microfibril movements that make up elementary plant fibres. To do this, we coupled the use of full-field measurement techniques by digital image correlation and micro X-ray diffraction method to analyse the microfibrils reorientation in the bio-composites during its tensile tests. The new thesis will focuse on the study of the elementary flax fibers with the aim at providing further solid knowledge on the causes of this behaviour, and in particular of the observed stiffening. The tensile behaviour of elementary flax fiber presents three apparent domains which are not always activated during a test. The hypotheses to explain these observations are numerous: alignment of the cellulose microfibrils with the tensile axis that are naturally oriented in a helix, crystallization of the amorphous cellulose under water stress, nonlinear phenomenon of jerky sliding or slip-stick type, treatment undergone by the flax fiber, amorphous distribution, crystalline and paracrystalline regions... It would therefore to prove or invalidate the various hypotheses that we propose here to study the behaviour of an elementary flax fibres using a multiscale experimental approach accompanied by numerical modelling. The candidate will be able to rely on the expertise of the Material Properties for Energy Savings (PM2E) team at CIMAP in finite element modeling, micro-tensile testing, optical metrology, micro X-ray diffraction or µXRD but also transmission electron microscopy (TEM) and studying morphology by scanning microscopy on successive sections in an ion abraser (FIB). From theoretical aspect, it should be noted that our team is a leadership in the phenomenological modelling of the macroscopic behaviour of bio-composites, we thus propose to access in a more robust way to the multi-scale structure of flax fiber isolated.

FRANÇAIS. Les composites bio-sourcés avec des fibres de lin ont des potentialités d’application fortes et soutiennent la comparaison avec les composites à renfort verre sur bien des points. C'est le cas notamment sur la rigidité spécifique. Notre équipe PM2E a montré que dans ces composites le seuil d'élasticité est très faible et fortement tributaire de la température et du taux d'humidité du matériau. Cette particularité fait que les composites lins sont globalement non élastiques ! C'est sur ce point qu'il est important d'apporter des certitudes quant à l'origine du phénomène observé. Au-delà du lin, si l’humidité et la température de la fibre au moment de l’élaboration des composites ont un rôle déterminant sur les propriétés finales des composites à fibre végétale, il convient de le démontrer pour améliorer in fine les processus d’élaboration de ces composites d’avenir. Le projet de thèse MICRONLIN, proposé ici, s’inscrit dans la continuité d’une thèse UNICAEN qui sera soutenue en 2022 et dont l’objectif était d'établir les lois mécaniques micro-macro qui relient le comportement des composites à renfort végétal aux mouvements des micro-fibrilles constitutives des fibres végétales élémentaires. Pour ce faire, nous avons couplé l'utilisation d'une mesure de champs par corrélation d'images numériques et la technique de micro-diffraction des rayons X pour analyser la réorientation des micro-fibrilles dans les composites durant sa mise en tension. La nouvelle thèse portera sur l’étude de la fibre élémentaire dans l’objectif d’apporter des connaissances solides supplémentaires sur les causes de ce comportement, et notamment de la rigidification observée. Le comportement général en traction des fibres isolées de lin, présente trois domaines apparents qui ne sont pas toujours activés lors d’un essai. Les hypothèses pour expliquer ces observations sont nombreuses : alignement dans l’axe de la fibre des micro-fibrilles de cellulose naturellement orientées en hélice, cristallisation de la cellulose sous contrainte hydrique, phénomènes non linéaire de type glissement saccadé ou stick-slip, traitement subit par la fibre, répartition des zones amorphe, cristallines et para-cristallines... C’est donc pour confirmer ou infirmer les différentes hypothèses que nous nous proposons d’étudier le comportement d’une fibre élémentaire de lin par une approche expérimentale multi-échelle accompagnée d’une modélisation numérique. Le candidat pourra s’appuyer sur l’expertise de l’équipe Propriétés des Matériaux pour les Économies d'Énergie (PM2E) du CIMAP dans la modélisation mécanique par éléments finis, la micro-traction, la métrologie optique, la diffraction des rayons X mais aussi la microscopie électronique à transmission et l’étude morphologie par microscopie à balayage sur sections successives dans un abraseur ionique (FIB). Concernant l'aspect théorique, il faut noter que notre équipe est leader dans la modélisation phénoménologique du comportement macroscopique des composites à fibres végétales, on se propose ainsi d’accéder de façon plus robuste à la structure multi-échelle d’une fibre isolée.

Funding category: Contrat doctoral

Granted only if excellent candidate

PHD title: Domaine scientifique

PHD Country: France