Nanoindentation de polymères amorphes, contribution à la détermination des propriétés quasi-statiques et dynamiques

Nanoidentation of amorphous polymers, contribution to the determination of quasistatic and dynamic mechanical properties

• Auteur / Autrice : Moez Beyaoui
• Direction : Michèle Guigon, Pierre-Emmanuel Mazeran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique avancée
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères -- Viscosité

Élasticité

Nanotechnologie

Indentation des matériaux

Propriétés mécaniques

Polymères

Résumé

Ce travail s’articule autour des essais mécaniques mis en place sur un appareil de nanoindentation pour déterminer les propriétés quasistatiques et dynamiques de trois polymères amorphes (PC, PMMA et PS). Dans la première partie du mémoire, l’analyse des courbes d’indentation montre clairement l’influence de la viscosité par l’enfoncement de la pointe lors du plateau de maintien et par la puissance anormalement élevée de l’équation de la courbe de décharge. En conséquence, la mesure des propriétés élastiques peut être fortement influencée par le comportement visqueux du matériau. En développant un protocole original d’indentation et de dépouillement des données, nous montrons qu’il est possible de corriger cette anomalie. Nous obtenons dans ce cas des valeurs calculées du module d’élasticité proches de celles déterminées par des essais de traction. La seconde partie porte sur la caractérisation du comportement visqueux des polymères. Différents modèles analytiques on été développés pour discriminer les différentes composantes mécaniques des matériaux polymériques. Le modèle le plus pertinent est un modèle viscoélastique viscoplastique non linéaire développé en s’inspirant des travaux d’Oyen et Cook*. La technique Continuous Stiffness Measurement (CSM) a également été utilisée pour déterminer les propriétés mécaniques en dynamique. Grâce à cette étude, nous avons pu montrer qu’en quasistatique, on détermine les composantes viscoélastiques avec des constantes de temps élevées. Par contre en dynamique, seules les composantes visqueuses avec des constantes de temps faibles peuvent être caractérisées. Ce phénomène a été expliqué par les différents mouvements moléculaires associés à la viscosité des polymères à l’état vitreux. * Oyen M. L. , Cook R. F. , J. Mater. Res. 18 (2003) 139.

This work deals with nanoindentation mechanical tests established to determine the nanoindentation quasistatic and dynamic properties of three amorphous polymers (PC, PMMA and PS). In the first part of the manuscript, the analysis of indentation curves clearly shows the influence of the viscosity by the increase of indentation depth during hold time and by the abnormally high value of the power low coefficient of the unloading curve. As a consequence, the measurement of elastic properties can be greatly influenced by the viscous behavior of material. By developing an original protocol indentation and of the data processing, we show that it is possible to correct this abnormally. In this case the calculated values of elastic modulus are close to those determined by tensile tests. The second part focuses on the characterization of the viscous behavior of polymers. Different analytical models have been developed to discriminate the different mechanical response of the polymer. The most relevant model is a nonlinear viscoelastic viscoplastic are developed on the work of Oyen and Cook†. Continuous Stiffness Measurement CSM technique was also used to determine the dynamic mechanical properties. With this study, we have shown that with quasistatic experiment, it is possible to determine the viscoelastic components with high time constants. As the opposite, for dynamic experiment, only viscous components with small time constants can be characterized. This phenomenon was explained by the different molecular movements associated with the viscosity of the polymers into the amorphous state. † Oyen M. L. , Cook R. F. , J. Mater. Res. 18 (2003) 139.