Caractérisation du comportement d'un composite biosourcé intégrant une couche viscoélastique

Characterizing the behavior of a bio-based composite with a viscoelastic layer

• Auteur / Autrice : Firas Meddeb
• Direction : Abderrahim El Mahi, Jean-Luc Rebière, Mohamed Amine Ben Souf, Mohamed Haddar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique. Mécanique
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Le Mans en cotutelle avec École nationale d'ingénieurs de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans - Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM
• Jury : Président / Présidente : Abdelghani Saouab
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Vivet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olga Klinkova, Fakher Bouchoucha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Amortissement (mécanique)

Matériaux viscoélastiques

Composites à fibres

Propriétés mécaniques

Composites polymères

Mots clés libres

Composites biosourcés

Couches viscoélastiques

Amortissement des vibrations

Impression 3D

Fatigue

Impact

Bio-based Composites

Viscoelastic Layers

Vibration Damping

3D Printing

Fatigue

Impact

Résumé

Les matériaux composites biosourcés sont de plus en plus utilisés dans différents secteurs pour leurs intérêts, notamment, environnementaux. L’objectif de cette thèse est l'étude de l'effet de l'intégration d'un matériau fonctionnel, une couche viscoélastique sur le comportement mécanique (en statique, en fatigue, en vibration et à l’impact ; température) d'un composite biosourcé. Les matériaux considérés sont constitués de fibres courtes de lin associées à un biopolymère Acide Poly-Lactique (PLA). Une couche viscoélastique en polyuréthane thermoplastique (TPU) est intégrée à ces composites. Ils sont élaborés par la fabrication additive en impression 3D. Tout d’abord, les caractéristiques élastiques et à la rupture du composite Lin/PLA et des composites avec couches viscoélastiques sont déterminées en traction et en flexion. Ensuite, une analyse approfondie de ses caractéristiques en fonction de l’épaisseur et de la séquence d’empilement des couches viscoélastiques est réalisée en statique, en fatigue et en vibration. Le comportement en statique est ici analysé, en mettant l’accent sur l’efficacité de l’intégration de la couche viscoélastique. Par la suite, des essais de fatigue jusqu'à rupture et des essais cycliques avec paliers de chargement sont réalisés. L'évolution de la raideur et du coefficient d'amortissement en fonction du nombre de cycles et des conditions de chargement est analysée pour les composites avec et sans couche viscoélastique. Les essais vibratoires sont réalisés afin d’analyser les propriétés modales des composites. Le module de Young et le facteur de perte sont déterminés aux pics de résonance en fonction de la fréquence et ont permis d’évaluer l’efficacité de la couche viscoélastique en termes d’amortissement des vibrations. L’effet de la variation de la température sur le comportement mécanique de tous les composites est réalisé en statique, en fatigue et vibration. Les résultats obtenus des différents essais montrent que les caractéristiques mécaniques dépendent fortement de la température. Cet effet est beaucoup plus prononcé dans les composites en présence de couches viscoélastiques. Une dernière partie de ce travail est relative à l’étude de l’effet de la résistance à l'impact des composites sous différents niveaux d’énergies. L'analyse des dommages internes et externes montre que les composites avec couches viscoélastiques présentent une meilleure capacité d'absorption de l'énergie malgré une déformation plus importante que celle des composites sans couches viscoélastiques.

Bio-based composites are increasingly used in various sectors due to their environmental benefits. The objective of this thesis is to study the effect of integrating a functional material, a viscoelastic layer, on the mechanical behavior (in static, fatigue, vibration, and impact; temperature) of a bio-based composite. The materials considered consist of short flax fibers combined with a polylactic acid (PLA) biopolymer. A viscoelastic layer of thermoplastic polyurethane (TPU) is integrated into these composites. They are produced through additive manufacturing using 3D printing. First, the elastic and fracture characteristics of the flax/PLA composite and the composites with viscoelastic layers are determined in tension and bending. Then, an in-depth analysis of their characteristics based on the thickness and stacking sequence of the viscoelastic layers is conducted in static, fatigue, and vibration scenarios. The static behavior is analyzed, focusing on the effectiveness of integrating the viscoelastic layer. Next, fatigue tests up to failure and cyclic tests with loading increments are performed. The evolution of stiffness and damping coefficient as a function of the number of cycles and loading conditions is analyzed for composites with and without viscoelastic layers. Vibration tests are conducted to analyze the modal properties of the composites. The Young's modulus and loss factor are determined at resonance peaks based on frequency, allowing evaluation of the effectiveness of the viscoelastic layer in damping vibrations. The effect of temperature variation on the mechanical behavior of all composites is studied in static, fatigue, and vibration scenarios. The results of the various tests show that the mechanical characteristics are highly dependent on temperature. This effect is more pronounced in composites with viscoelastic layers. The final part of this work examines the impact resistance of the composites under different energy levels. Analysis of internal and external damage shows that composites with viscoelastic layers have better energy absorption capacity but higher deformation levels compared to composites without viscoelastic layers.