Identification of the Mechanical Properties of Composite Materials Through a Spectral Study

Abstract

Cette thèse présente la mise au point et la caractérisation d’un biocomposite constitué de PLA renforcé par des fibres de Lygeum spartum, proposé comme alternative durable aux composites à fibres synthétiques. Les propriétés physico-chimiques, thermiques et mécaniques ont été évaluées de manière systématique. La spectroscopie FTIR a confirmé la présence des fibres dans la matrice PLA par l’apparition de bandes caractéristiques liées au cellulose et à la lignine. Les essais mécaniques ont montré une augmentation de 26 % de l’allongement à la rupture en traction, la résistance en traction présentant en revanche des variations attribuables à l’hétérogénéité de la distribution des fibres. Les essais en flexion ont mis en évidence un gain de raideur, le module d’élasticité passant de 2,68 GPa pour le PLA pur à 2,98 GPa pour le biocomposite. L’analyse thermogravimétrique (TGA) a révélé une légère diminution de la température d’amorce de dégradation (281 °C contre 306 °C pour le PLA), mais un élargissement marqué du domaine de dégradation (281–379 °C vs 306–386 °C), traduisant une décomposition en plusieurs étapes des constituants fibreux et la formation de résidus carbonés qui prolongent la stabilité thermique à hautes températures. La technique d’excitation par impulsion (IET) a confirmé l’augmentation de la rigidité, tandis que la corrélation d’images numériques (DIC) a fourni des cartes détaillées de la distribution des déformations sous charge. Le suivi par émission acoustique (AE) a mis en évidence des mécanismes de dommage distincts, éclairant la progression du processus de rupture. Ensemble, ces résultats montrent que les biocomposites Lygeum spartum/PLA présentent des atouts pour des applications industrielles légères exigeant à la fois robustesse mécanique, résistance thermique étendue et démarche de conception durable.

This thesis investigates the synthesis and characterization of Lygeum spartum/PLA biocomposites as a sustainable alternative to synthetic fiber composites. Physicochemical, thermal, and mechanical properties were assessed. FTIR spectroscopy confirmed the incorporation of Lygeum spartum fibers within the PLA matrix through the appearance of characteristic cellulose and lignin absorption bands. Mechanical testing revealed a 26% increase in tensile strain at break, while tensile strength exhibited some variation due to fiber distribution. Flexural testing showed an improvement of elastic modulus from 2.68 GPa for neat PLA to 2.98 GPa for the biocomposite. Thermogravimetric analysis indicated a slightly lower onset degradation temperature (281 °C compared to 306 °C for neat PLA); however, the overall degradation range broadened significantly (281–379 °C versus 306–386 °C), suggesting enhanced thermal stability over an extended temperature interval. The Impulse Excitation Technique confirmed higher stiffness, while Digital Image Correlation provided detailed mapping of strain distribution under load. Acoustic Emission monitoring further revealed distinct damage mechanisms, offering valuable insights into the progressive failure behavior of the biocomposite. Collectively, these results highlight the potential of Lygeum spartum/PLA biocomposites for lightweight industrial applications requiring mechanical robustness, extended thermal resistance, and sustainable material design.