Comportement à l’impact et caractérisation non destructive de l’endommagement des composites hybrides

Le laboratoire de recherche DRIVE de l’université Bourgogne Europe est situé à Nevers dans la Nièvre (58) et une antenne à Auxerre dans l'Yonne (89000). Composé d’une soixantaine de membres dont une trentaine d’enseignants-chercheurs et une vingtaine de doctorants, il possède des équipements de pointe et développe une recherche à la fois appliquée et fondamentale de haut niveau dans deux grands domaines cadres : les systèmes intelligents et l’optimisation énergétique ainsi que la mécanique des matériaux et des structures.

Contexte :

Les composites à fibres synthétiques (carbone, verre) offrent d’excellentes performances structurales, toutefois les enjeux environnementaux liés à leur cycle de vie encouragent le développement des composites hybrides intégrant des fibres naturelles, comme le lin. Légères, peu coûteuses, issues de filières courtes et renouvelables, néanmoins leur utilisation dans des applications structurelles de haute performance restent limitée due à la variabilité de leurs propriétés, leur sensibilité à l’humidité et leurs performances mécaniques modestes [1]. L’hybridation lin/carbone permet de concilier durabilité et performance, mais la tenue de ces matériaux aux sollicitations hors plan, notamment à l’impact, reste un verrou scientifique. Leur développement nécessite une compréhension approfondie de leur comportement mécanique, de leurs mécanismes d’endommagement et de leur durabilité [2].

Positionnement par rapport à l'état de l'art :

Les travaux existants sur les composites hybrides lin/carbone reposent sur des empilements classiques ou alternés, avec de fortes concentrations de contraintes interlaminaires et une anisotropie prononcée, limitant la tolérance aux sollicitations multiaxiales et la fiabilité des matériaux [3].

Al-Hajaj et al. (2019) [4] ont étudier le comportement à l’impact de composites hybrides carbone/lin/époxy à structure sandwich visant le potentiel de ce matériau pour des applications structurelles. Deux architectures ont été testées : des peaux en tissu de carbone (2 plis de chaque côté) encadrant une âme de 12 plis de lin, soit unidirectionnelle (type A), soit en plis croisés (type B). Les deux configurations absorbent l’énergie de façon quasi linéaire jusqu’à la pénétration, atteinte à 37J pour le type A et à 40J pour le type B. Le composite B présente de meilleures performances sur tous les indicateurs : fissures plus courtes (22,3 contre 27,9mm), indentation et aire endommagée plus faibles, échauffement moindre en face arrière à la pénétration. Les auteurs l’attribuent aux plis à 90° qui limitent la propagation des fissures dans l’épaisseur, alors que l’âme UD, plus rigide, est plus fragile. Néanmoins, le positionnement des plis de carbone dans les couches externes ne conduit pas nécessairement à une amélioration de la réponse à l’impact. Ce comportement peut notamment s’expliquer par la rupture à caractère quasi fragile des fibres de carbone, qui limite leur capacité à dissiper l’énergie absorbée [5], [6]. Ces résultats soulignent ainsi l’importance de l’architecture du renfort hybride et de la disposition des plis dans l’optimisation du comportement à l’impact. Les mécanismes d’endommagement sont identifiés par photographie et thermographie à l’échelle macroscopique, sans suivi interne en temps réel. Masud et al. (2025) [7] ont étudié expérimentalement l’influence de la séquence d’empilement sur le comportement en compression, à l’impact à faible vitesse et en compression après impact (CAI) de stratifiés hybrides carbone/lin. Les résultats montrent que le stratifié entièrement en carbone présente les meilleures propriétés en compression, tandis que la configuration hybride symétrique offre le meilleur compromis entre résistance à l’impact et tolérance aux dommages. Elle limite notamment la perforation jusqu’à 60 J et conserve respectivement 92 %, 76 % et 68 % de sa résistance initiale en compression après des impacts de 30, 45 et 60 J. À l’inverse, la configuration asymétrique présente une dégradation plus importante après impact.

Objectifs :

Ce stage vise à caractériser le comportement sous impact basse vitesse de composites hybrides lin/carbone en s’appuyant sur l’instrumentation par technique d’EA et l’imagerie pour identifier les mécanismes d’endommagement et mesurer l’effet de l’hybridation, de la séquence d’empilement et de l’orientation des fibres sur l’absorption d’énergie.

Méthodologie :

Ce projet se déroulera donc selon les étapes suivantes :

1. Revue de la littérature sur les composites hybrides, l'EA, les méthodes de traitement et d’analyse des données, les essais d’impact et d’indentation.
2. Établir un protocole expérimental pour les essais d’impact instrumentés avec des capteurs piézoélectriques.
3. C-scan ultrasonore et imagerie pour localiser les défauts sur les plaques endommagés.
4. Proposer des indicateurs mécaniques et acoustiques.
5. Interpréter et comparer les résultats : étudier l’influence de la séquence d’empilement et des conditions d’impact sur les performances mécaniques, l’évolution des signaux d’EA et les mécanismes d’endommagement identifiés.
6. Synthétiser et valoriser les résultats sous forme d’un rapport, d’un article scientifique et une présentation orale.

Références bibliographiques : 

[1]          A. Saleem, L. Medina, M. Skrifvars, et L. Berglin, « Hybrid Polymer Composites of Bio-Based Bast Fibers with Glass, Carbon and Basalt Fibers for Automotive Applications—A Review », Molecules, vol. 25, n^o 21, p. 4933, janv. 2020, doi: 10.3390/molecules25214933.

[2]          G. Del Bianco et al., « Low-Velocity Impact of carbon, flax, and hybrid composites: Performance comparison and numerical modeling », Composite Structures, vol. 344, p. 118318, sept. 2024, doi: 10.1016/j.compstruct.2024.118318.

[3]          G. Jeevan, B. T. Kannan, et R. Senthil, « A comprehensive review of the performance, durability, and sustainability of natural and hybrid fiber-reinforced polymer composites », Composites Part B: Engineering, vol. 323, p. 113800, août 2026, doi: 10.1016/j.compositesb.2026.113800.

[1]          A. Saleem, L. Medina, M. Skrifvars, et L. Berglin, « Hybrid Polymer Composites of Bio-Based Bast Fibers with Glass, Carbon and Basalt Fibers for Automotive Applications—A Review », Molecules, vol. 25, n^o 21, p. 4933, janv. 2020, doi: 10.3390/molecules25214933.

[2]          G. Del Bianco et al., « Low-Velocity Impact of carbon, flax, and hybrid composites: Performance comparison and numerical modeling », Composite Structures, vol. 344, p. 118318, sept. 2024, doi: 10.1016/j.compstruct.2024.118318.

[3]          G. Jeevan, B. T. Kannan, et R. Senthil, « A comprehensive review of the performance, durability, and sustainability of natural and hybrid fiber-reinforced polymer composites », Composites Part B: Engineering, vol. 323, p. 113800, août 2026, doi: 10.1016/j.compositesb.2026.113800.

[4]          Z. Al-Hajaj, B. L. Sy, H. Bougherara, et R. Zdero, « Impact properties of a new hybrid composite material made from woven carbon fibres plus flax fibres in an epoxy matrix », Composite Structures, vol. 208, p. 346‑356, janv. 2019, doi: 10.1016/j.compstruct.2018.10.033.

[5]          Y. Ding, S. Chen, F. Xie, C. Zhang, W. Jiang, et X. Jing, « Hybrid fiber reinforced polymer composites: Recent advances in manufacturing methods, hybridization strategies and service performance », Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 209, p. 109934, oct. 2026, doi: 10.1016/j.compositesa.2026.109934.

[6]          F. Sarasini et al., « Damage tolerance of carbon/flax hybrid composites subjected to low velocity impact », Composites Part B: Engineering, vol. 91, p. 144‑153, avr. 2016, doi: 10.1016/j.compositesb.2016.01.050.

[7]          M. Masud, A. Mubashar, E. Uddin, Z. Ali, et A. Tariq, « Investigation of Compression, Impact and Post-impact Behavior of Carbon/Flax Bio-hybrid Laminates: Effects of Stacking Sequence and Fiber Hybridization », Fibers Polym, vol. 26, n^o 9, p. 4115‑4132, sept. 2025, doi: 10.1007/s12221-025-01072-2.

Etudiant(e) en Master 2 ou en dernière année d’école d’ingénieur en génie mécanique, génie matériaux, acoustique ou physique avec un intérêt pour l’expérimentation et une appétence pour les outils de traitement de données (Matlab/Scilab). La motivation, la capacité de travail en équipe ainsi que l’autonomie sont des paramètres importants dans la sélection du candidat.