3D MORPHOLOGICAL MODELLING OF A RANDOM FIBROUS NETWORK

In the framework of the Silent Wall ANR project, the CMM and the US2B are associated in order to characterize and to model fibrous media studying 3D images acquired with an X-Ray tomograph used by the US2B. The device can make 3D images of maximal 23043 voxels with resolutions in the range of 2 μm to 15 μm. Using mathematical morphology, measurements on the 3D X-Ray CT images are used to characterize materials. For example measuring the covariance on these images of an acoustic insulating material made of wooden fibres highlights the isotropy of the fibres orientations in the longitudinal planes which are perpendicular to the compression Oz axis. Moreover, it is possible to extract other morphological properties from these image processing methods such as the size distribution either of the fibres or of the pores by estimating the morphological opening granulometry of the considered medium. Using the theory of random sets introduced by Georges Matheron in the early 1970's, the aim of this work is to model such a fibrous material by parametric random media in 3D according to the prior knowledge of its morphological properties (covariance, porosity, size distributions, etc.). A Boolean model of random cylinders in 3D stacked in planes parallel to each other and perpendicular to the Oz compression axis is first considered. The granulometry results provide gamma distributions for the radii of the fibres. In addition, a uniform distribution of the orientations is chosen, according to the experimental isotropy measurements in the longitudinal planes. Finally the third statistical factor is the length distribution of the fibres which can be fitted by an exponential distribution. Thus it is possible to estimate the validity of this model first by trying to fit the experimental transverse and longitudinal covariances of the pores with the theoretical ones taking into account the statistical distributions of the dimensions of the random cylinders. The second method to validate the model consists in comparing morphological measurements (density profiles, covariance, opening granulometry, tortuosity, specific surface area) processed on real and on simulated media

3D Morphological Modelling Of A Random Fibrous Network

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3D CHARACTERIZATION OF WOOD BASED FIBROUS MATERIALS: AN APPLICATION

Morphological characterization of wood based fibrous materials is carried out using X-ray tomography. This technique allows the non destructive observation at the scales of a fibre (microscopic scale) and of a network of fibres (mesoscopic scale). The 3D images are processed using classical tools of mathematical morphology. Measures of porosities and estimations of the size distributions of fibres and pores are carried out and compared to other results. An alternative method for the calculation of the local orientation of the fibres is also described to quantify the anisotropy of the fibres network. Finally, the individualization of the fibres is obtained from the representation of the fibrous network as a 3D skeleton, making possible further measurements on the isolated fibres

3D morphological characterization, modeling of fibrous media

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Characterization of 3D morphology and microcracks in composites reinforced by multi-axial multi-ply stitched preforms

International audienceThe micro-structure of polymer matrix composites reinforced by multi-axial multi-ply stitched carbon preforms and manufactured by liquid resin infusion is analyzed. The stitching induces deviations in fibre placement and creates openings which become resin-rich regions after the resin infusion. Characterization of the size and shape of the resin-rich regions of composites with different stitching yarn size and tightness and various stacking sequences has been performed by 2D metallographic micrography and X-ray microtomography. The resin-rich region volume was estimated at roughly 3.0 ± 0.5% of the material volume. The resin-rich regions constitute about 9% of the resin in the entire composite, whose fibre volume fraction is close to 65%. X-ray microtomography was successfully used to characterize the 3D microcracks created by hygrothermal fatigue

Caractérisation microstructurale 3D et densification locale d'isolants fibreux cellulosiques sollicités en compression

International audienceIn this work, we focus on a thermal insulating panel made of wood fibres. The making process is a non-woven fabric process that generates a high porosity and a very lowdensity material. Thermal properties were first investigated. This paper deals with mechanical properties that are involved in the production line, transport and handling in the construction site. An insulating panel was compressed (33% and 73%) and we followed insitu its internal deformation using X-ray microtomography. The results enlighten a special behaviour that is linked to the low-density structure of the panel. In particular, the fibres are not compressed and the macroscopic deformation of the sample generates only a new organisation of the fibres in the panel. These results are confirmed by morphological measurements that were performed by 3D image analysis.On s'intéresse à des isolants thermiques à base de fibres de bois utilisés dans le bâtiment, de très forte porosité, élaborés par un procédé textile non tissé. Les propriétés thermiques ont fait l'objet des premières études et les propriétés mécaniques, intervenant lors du transport et de la manipulation, font l'objet de ce travail. Nous avons suivi in situ, grâce à la microtomographie X, les états de déformation interne d'un panneau d'isolation soumis à une sollicitation de compression transverse (33 % et 73 %). Le comportement particulier mis en lumière par l'accès à la déformation locale est relié à la très faible densité du matériau. En particulier, les fibres de bois ne sont pas individuellement mécaniquement comprimées et la déformation macroscopique du matériau n'engendre que leur réorganisation spatiale. Ces résultats sont mis en relation avec des caractéristiques morphologiques de structures évaluées par analyse d'image 3D

3D morphological characterization of phonic insulation fibrous media

International audienceIn the framework of the Silent Wall ANR project, the CMM and the US2B are associated in order to characterize and to model fibrous media studying 3D images acquired with an X-Ray microtomograph used by the US2B. The device can make 3D images of maximal size 2304 3 voxels with resolutions in the range of 2-15 μm. Using mathematical morphology, measurements on the 3D X-Ray CT images are performed to characterize materials. For example, measuring the covariance on these images of an acoustic insulating material made of wooden fibers highlights the transverse isotropy of the fibers orientations in the xOy planes perpendicular to the compression Oz axis. Moreover, it is possible to extract other morphological properties, such as the size distribution either of the fibers or of the pores by estimating the morphological opening granulometry of the considered medium. Finally the morphological tortuosity of the fibrous and porous networks are estimated from geodesic propagations. The tortuosity is a parameter which can help to link physical, acoustic, and morphological properties of the material. Moreover the effects of the boundary layer, where viscous and thermal damping of the sound take place, are studied from the point of view of the tortuosity

Monitoring the Diameter Changes of Flax Fibre Elements during Twin Screw Extrusion Using X-Ray Computed Micro-Tomography

Fiber size aspect ratio is known to impact the mechanical and reinforcement properties of natural fiber-based composites. However, the representation of fiber diameter change occurring during the extrusion process is controversial compared to the length. Fiber elements undergo multidirectional stresses and complex interactions within the extruder, leading to their breakage, which consequently may modulate their reinforcing properties. To better understand these mechanisms, short fiber reinforced polymer composites were prepared from flax fibers and polypropylene matrix (PP) by melt mixing. Five sampling zones were selected along the screws, both in screw conveying elements and inside blocks of kneading discs. X-ray computed micro-tomography, and 3D images analysis were then used for monitoring sample diameter distributions along the screw profile, according to specific twin-screw compounding conditions. The effects of the considered processing condition on fiber bundle diameters decrease along the screw profile are quantified

Analyse de l'influence des paramètres de collage d'un contreplaqué à l'état vert sur ses propriétés mécaniques

Ces recherches ont pour objectif l'évaluation et la compréhension des performances mécaniques de panneaux de contreplaqués collés en fonction de la teneur en eau du bois, du grammage et de la viscosité de l'adhésif appliqué. Les plis (2,4 mm d'épaisseur) sont obtenus par déroulage de billons de pin Maritime préalablement étuvés. Le contreplaqué a été réalisé par moulage sous vide. Cette technologie, qui consiste à presser les plis encollés et clos à l'aide d'une bâche, permet de créer des contreplaqués formables sans limite de dimensions. Dans un premier temps, du contreplaqué 5 plis a été réalisé à l'aide d'un adhésif Polyuréthane [1] afin d'évaluer les effets de la teneur en eau du bois et du grammage d'adhésif sur les propriétés mécaniques des panneaux. Un plan d'expérience a permis de comparer la performance en cisaillement du joint de colle dans les différentes configurations étudiées (teneur en eau, grammage). Les contraintes de rupture obtenues dépendent fortement de ces paramètres. Afin de comprendre la variabilité observée, la recherche s'est orientée sur la caractérisation des interfaces colle/substrat. Les effets de la teneur en eau du bois et de la viscosité de la colle ont été observés à travers des essais de mouillabilité et des mesures d'enthalpie de surface des matériaux. En complément, des observations au microscope à fluorescence ont permis de mesurer le degré de pénétration de l'adhésif dans les cellules du bois, l'épaisseur du joint de colle et la proportion de bulles d'air dans le joint pour les différents contreplaqués testés. Les premiers résultats ont mis en évidence l'influence de la teneur en eau du bois, de la viscosité et du grammage d'adhésif sur les performances et la morphologie de la liaison. Ces analyses permettent d'optimiser les paramètres de fabrication des panneaux de contreplaqués et de valider le procédé de fabrication utilisé. Références: 1. R. Pommier, « Compréhension de l’aboutage du bois vert : détermination du procédé et principes physico mécaniques appliqués au Pin maritime », XXVèmes rencontres AUGC 2007, Bordeaux, 2007. 2. G. Elbez, Le collage du bois, CTBA, 200

Étude du comportement mécanique de matériaux isolants a base de fibres de bois : caractérisation a partir de techniques d'imagerie non destructives

Ce travail concerne l’étude du comportement mécanique en compression de matériaux isolants élaborés par procédé textile non-tissé à partir de fibres de bois et de fibres polyester. Ces matériaux sont très poreux (95%) et hétérogènes aux différentes échelles. Leurs propriétés sont fortement liées à la morphologie et à la topologie de leur microstructure. Des méthodes de caractérisation expérimentales, complémentaires, permettent d’une part d’étudier le comportement mécanique du matériau aux différentes échelles, d’autre part d’observer l’évolution de la microstructure lors de la compression. A partir d’images de microtomographie aux rayons X acquises aux différents états de compression, des procédures d'analyse d'images basées sur une approche de morphologie mathématique sont développées et nous permettent d’extraire, après segmentation des deux populations de fibres, différents paramètres microstructuraux caractérisant les réseaux de fibres et de pores : porosité, granulométries et distribution spatiale des fibres et des pores, orientation locale des fibres. La technique de corrélation d'images volumiques est employée afin d’étudier l’évolution de la déformation de Green-Lagrange au cœur du matériau pendant la compression. L'évolution de la microstructure est mise en relation avec le champ de déformation 3D au cœur du matériau. On montre que la microstructure complexe conduit à un champ de déformation locale fortement hétérogène et que la proportion locale de fibres joue un rôle majeur comparé aux autres paramètres morphologiques : les zones les plus déformées se trouvent là où la porosité est forte. Avec l’augmentation du taux de compression, la taille des pores les plus gros diminue entrainant le resserrement de la distribution des tailles de pores et de l’hétérogénéité des déformations. En d’autres termes, plus le matériau est comprimé et plus les valeurs des déformations locales se rapprochent de celle de la déformation moyenne. Alors le comportement du matériau devient de celui d’un matériau homogène