Mécanique des milieux fibreux auto-enchevêtrés : application à un alliage à mémoire de forme de type Nickel-Titane

Auto-entangled fibrous materials mechanics : application to a shape memory alloy NiTi

• Auteur / Autrice : Benjamin Gadot
• Direction : David Rodney, Laurent Orgéas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 10/03/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble) - Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Boisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Rodney, Laurent Orgéas, Sabine Rolland du Roscoat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Poquillon, Eric Maire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode des éléments discrets

Microtomographie

Composites à fibres

Alliages nickel-titane

Mots clés libres

Alliage à mémoire de forme NiTi

Matériaux fibreux

Matériaux architecturés

Propriétés mécanique

Microtomographie X

Méthode des éléments discrets

NiTi shape memory alloy

Fibrous materials

Architectured materials

Mecanical properties

X-ray microtomography

Discrete element method

Résumé

L’objectif de ce travail est d’élaborer et de caractériser pour des applications biomédicalesun matériau auto-enchevêtré à base d’une seule fibre d’alliage à mémoire deforme de type Nickel-Titane. Nous avons optimisé un procédé de fabrication consistantà enchevêtrer et figer un ressort par des traitements thermiques. Les échantillonsont été caractérisés en compression et traction, avec suivi par caméra optique ettomographie in-situ. Les structures obtenues sont homogènes, isotropes, superélastiquesà température ambiante jusqu’à des déformations d’au moins 30%, et peuventdevenir ferroélastiques avec un effet mémoire d’au moins 16% par un traitement thermiqueadditionnel. Leur comportement en compression est consolidant puis dilatantet en traction, légèrement auxétique. Une comparaison avec des milieux similairesconstitués de fils ductiles et viscoélastiques, ainsi qu’avec des simulations par élémentsdiscrets sur des milieux élastiques sans frottement, montre que les propriétésmécaniques des structures auto-enchevêtrées sont contrôlées par leur architecturesingulière, à mi-chemin entre milieux continus et discrets.

The aim of this work is to process and characterize for biomedical applications,self-entangled structures made of a single NiTi shape memory fiber. We have optimizeda processing route consisting in entangling and shape-setting a spring bythermomechanical treatments. The samples were characterized in compression andtension, using optical and x-ray tomographic observations. The structures thus obtainedare homogeneous, isotropic, superelastic at room temperature up to strains ofat least 30%, and can become ferroelastic with a shape memory effect up to at least16% strain by an additional heat treatment. The mechanical behavior in compressionis first consolidating and then dilating, while in tension, the samples are slightlyauxetic. A comparison with similar media made of ductile and viscoelastic fibers,as well as with discrete element simulations on friction-free elastic fibers, show thatthe mechanical properties of these self-entangled structures are controlled by theirunique architecture, in-between continuous and discrete media.