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Dernière mise à jour : Mai 2018

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Biopolymères Interactions Assemblages

Revue critique de l'ultrastructure, de la mécanique et de la modélisation des fibres de lin et de leurs défauts

‘A critical review of the ultrastructure, mechanics and modelling of flax fibres and their defects’

Revue dans Progress in Materials Science
Cet article de synthèse a été accepté dans la revue Progress in Materials Science (Impact Factor de 39,5) classée 35ème en termes d’impact sur les 20 932 journaux référencés dans le Web of Science. Il a été rédigé par un groupe multidisciplinaire de scientifiques français participant au programme FLOWER dont l'Unité BIA fait partie.
Poussé par la législation environnementale et la sensibilisation des citoyens induites par les effets du changement climatique, le marché des composites où les fibres végétales apportent un renfort mécanique est en croissance constante depuis 10 à 20 ans. Pour preuve, les développements académiques et la R&D industrielle sur l’utilisation du carbone biogénique et renouvelable via les fibres naturelles sont en augmentation constante. Cependant, le taux de croissance de ce secteur n’est pas encore à la hauteur des enjeux écologiques et la transition vers une production plus importante nécessite de surmonter des verrous.
Parmi ces verrous, les défauts structuraux au sein fibres végétales sont connus pour diminuer les propriétés mécaniques à l'échelle du composite. Il est donc crucial de mieux comprendre la nature, les origines et les conséquences de ces défauts pour accélérer l'utilisation des fibres végétales comme renforts dans les composites et, in fine, tendre vers une industrie plus neutre en carbone, un objectif du green deal Européen.
Au cours des dernières décennies, la modélisation par éléments finis est apparue dans divers domaines scientifiques comme un outil particulièrement intéressant pour compléter la caractérisation expérimentale classique. Cette approche numérique est encore plus décisive pour les éléments petits et complexes tels que les fibres végétales où les tests mécaniques standards nécessitent des ajustements et des investissements importants.
L'objectif principal de cette revue est de fournir un nouvel aperçu des défauts trouvés dans les fibres végétales et de leurs influences sur les propriétés mécaniques. Pour cela, une analyse critique des travaux expérimentaux et de modélisation a été réalisée par un consortium pluridisciplinaire de scientifiques français participant au programme FLOWER. Grâce à une approche ‘top down’ et multi-échelle couvrant l’organisation structurale nanométrique à millimétrique, l'ultrastructure de la fibre de lin est prise en exemple et ses défauts sont présentés. En particulier, des méthodes avancées de test et des approches numériques innovantes sont discutées pour appréhender au mieux le très complexe comportement mécanique des fibres végétales.
A l’heure de la volonté de réindustrialisation de la France, il est à noter que nous sommes le premier producteur mondial de fibre de lin et qu’INRAE investit des moyens importants dans l’innovation au service de l’environnement et des citoyens par le biais des actions menées par son département TRANSFORM.
richely-JPMS2021
Représentation schématique de la structure du lin selon différentes échelles d'observation, de la tige jusqu'à la microfibre et géométries des fibres basées sur des résultats expérimentaux.

Source originale : Richely, Bourmaud, Placet, Guessasma and Beaugrand, Progress in Materials Science, 2021:100851 (https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100851)

Voir aussi

Article complet :

Emmanuelle Richely, Alain Bourmaud, Vincent Placet, Sofiane Guessasma, Johnny Beaugrand,
A critical review of the ultrastructure, mechanics and modelling of flax fibres and their defects,
Progress in Materials Science, 2021, 100851
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100851

Abstract: Prompted by environmental legislation and citizens’ awareness induced by global warming effects, the market for plant-fibre reinforced composites has been growing steadily for the past 10–20 years, as observed by the substantial increase in academic and industrial research developments. However, the transition to larger production still requires several uncertainties to be overcome. Among these uncertainties, defects in plant fibres are known to decrease the mechanical properties at the composite scale. It is therefore of interest to better understand the defects nature, origin and consequences at the fibre scale to monitor the use of plant fibres as reinforcement. In recent decades, finite element modelling has emerged in various scientific fields as an interesting tool that complements experimental characterization. Finite element modelling is even more critical for small and intricate elements such as plant fibres where standard mechanical tests require substantial adjustments and investments due to their complex ultrastructure compared to synthetic materials. The main objective of this review is to provide a novel overview of defects found in plant fibres and their influence on the mechanical properties of plant fibres based on experimental and modelling work. Through a top-down and multi-scale approach, we first describe the flax fibre ultrastructure with a focus on defects. Then, advanced testing methods and emerging numerical approaches that capture the complex mechanical behaviour of plants, especially flax fibres, are addressed.

Keywords: Plant fibres; Dislocations; Mechanical properties; Computational modelling; Biocomposites; Multiscale