Analyse expérimentale et numérique multi-échelles des champs mécaniques dans un polymère semi-cristallin

Multi-scale experimental and numerical analysis of mechanical fields in a semi-crystalline polymer

• Auteur / Autrice : José Teixeira-Pinto
• Direction : Sylvie Castagnet, Carole Nadot-Martin, Fabienne Touchard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopes électroniques à balayage

Viscoélasticité

Polymères cristallins

Mots clés libres

Semi-cristallins

VER statistique

VER déterministe

Amorphe confiné

Corrélation d'images numériques in-situ

Sphérolite

Lldpe

Résumé

Le présent travail est consacré à l'analyse du comportement mécanique des polymères semi-cristallins à deux échelles : celle de l'empilement lamellaire et celle des structures sphérolitiques. A l'échelle de l'empilement, des simulations en champs complet dans le domaine des petites déformations sont réalisées sous ABAQUS®. L'influence des paramètres sur la réponse macroscopique lors de sollicitations long-terme en relaxation et cyclage est analysée : le choix du comportement viscoélastique de la phase amorphe d'une part, et les effets de microstructure et d'hétérogénéités induites d'autre part. Les résultats obtenus avec une microstructure simplifiée permettent de mettre en évidence plusieurs effets de microstructure. A l'échelle sphérolitique, la technique de corrélation d'images numériques est mise au point in-situ sous MEB pour la mesure de champs cinématiques. Les champs de déformation obtenus en traction uniaxiale sur deux polymères semi-cristallins montrent l'existence d'une déformation hétérogène en lien avec la microstructure sphérolitique. Des méthodes déterministe et statistique de la littérature sont mises en œuvre à partir des mesures de champs pour identifier la taille d'un domaine sur lequel la déformation moyenne mesurée coïnciderait avec la déformation macroscopique. En l'absence de toute information sur la taille d'un Volume Elémentaire Représentatif (VER) dans les polymères semi-cristallins, une telle estimation constitue une avancée notable. Enfin, des perspectives sont données pour la modélisation en transition d'échelles du comportement mécanique de ces matériaux via une combinaison d'outils numériques et expérimentaux.

This work is devoted to the analysis of the mechanical behaviour of semi-crystalline polymers at two scales: the lamellar stack scale and the spherolitic scale. At the lamellar stack scale, full-field microstructure simulations are performed in the small strain range using the ABAQUS® software. The influence of parameters of the macroscopic response during long-term stress relaxation and cycling is analyzed: the choice of the viscoelastic behaviour of the amorphous phase on the one hand, and the effects of microstructure and induced heterogeneities on the other. The results obtained with a simplified microstructure highlight several microstructure effects. At the spherolitic scale, the digital image correlation technique (DIC) is developed inside the SEM to perform in-situ displacement field measurements. The strain fields obtained in uniaxial tension of two semi-crystalline polymers show the existence of an heterogeneous deformation related to the spherolitic microstructure. Deterministic and statistical methods of the literature are applied to the field measurements, in order to identify the domain size over which the average measured strain corresponds to the macroscopic strain. In the absence of any information on the size of the Representative Volume Element (RVE) for this kind of materials, such estimation constitutes a significant step. Finally, prospects are given for the modeling of the mechanical behaviour of this kind of materials with scale transition, through a combination of numerical and experimental tools.