Etude du comportement dynamique de matériaux sous choc laser sub-picoseconde

Investigation of the dynamic behavior in materials sub-picosecond laser driven shock

• Auteur / Autrice : Jean-Paul Cuq-Lelandais
• Direction : Michel Boustie, Laurent Berthe, Laurent Soulard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique moléculaire

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Lasers femtoseconde

Ondes de choc

Mots clés libres

Ondes de choc

Lasers femtosconde

Ecaillage

Endommagement dynamique

Dynamique moléculaire

Propagation d'ondes 2D

Test d'adhérence

Revêtements micrométriques

Résumé

Le travail présenté a pour objectif d'étudier le comportement de métaux soumis à un choc laser femtoseconde, amenant à des sollicitations dynamiques extrêmes (>107s-1). Dans ces conditions, on peut découpler les phénomènes en 3 parties : l'interaction laser-matière ultra-brève donnant naissance à l'impulsion en pression, la propagation de l'onde et sons atténuation dans la cible, très prononcée en raison de la brièveté du chargement et l'endommagement en face arrière par écaillage. Les modèles utilisés pour restituer ce comportement ont été validés dans ce régime par comparaison avec des données expérimentales de tirs effectués sur le laser fs 100TW du LULI (VISAR, post-mortem). En raison des ordres de grandeurs expérimentaux impliqués, proches de ceux employés en Dynamique Moléculaire (μm et ps), une étude microscopique de l'écaillage ductile a été effectuée au CEA-DAM. Les résultats obtenus, cohérents avec la physique des chocs et de l'endommagement, permet d'explorer des régimes ultra-dynamiques (>109s-1) où le seuil d'endommagement approche la force théorique de décohésion interatomique. Toutes les données déduites permettent de décrire le comportement d'un modèle en fonction de la vitesse de déformation, dans notre cas Kanel. L'ensemble de l'étude a ensuite été généralisé à des configurations 2D, permettant notamment de caractériser l'évolution du diamètre d'écaille, source complémentaire d'informations sur l'endommagement. Ce type d'approche peut être transposé à des cibles multicouches pour déterminer l'adhérence de revêtements (Procédé LASAT). Les sources ultra-brèves ont permis de provoquer la décohésion des couches sub-micrométriques et mesurer leur adhérence.

This work consists in studying the behavior of metals submitted to femtosecond laser driven shocks, leading to highly dynamic solicitations (>107s-1). In these conditions, phenomena can be separated into 3 parts : ultra-short laser matter interaction which generates the pressure pulse, wave propagation and decay, very strong because of brief loading duration, and finally damage mechanics induced by spallation close to the target free surface. The numerical models used to reproduce this behavior have been validated in this regime by comparison with experimental data obtained on the LULI 100TW fs laser facility (VISAR, sample microscopy. . . ). By considering the involved space-time characteristic scales, close to those actually available in molecular Dynamic approach (μm and ps), a microscopic study of ductile spallation has been performed with CEA-DAM. The related results are consistent with both shock and damage physics. Moreover, they allow to explore ultra-dynamic regimes (>109s-1) where the damage threshold is close to the theoretical interatomic decohesion force limit. All the data obtained make possible to describe a damage model behavior in function of strain rate, Kanel in this work. The study has been then generalized for 2D configurations, giving access in particular to the spall diameter evolution characterization which constitutes a complementary information source about damage mechanisms. This kind of approach can be transposed to multilayer targets in order to determine coatings adhesion (LASAT process). The ultra-short lasers allowed to debond sub-micrometric layers and then deduce their adhesion strength.