Thèse soutenue

Propriétés mécaniques et de structure de films formés par évaporation de suspensions colloïdales

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Auteur / Autrice : Arnaud Lesaine
Direction : Véronique LazarusCindy Rountree
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des matériaux
Date : Soutenance le 12/12/2018
Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, automatique et systèmes thermiques (Orsay, Essonne ; 1997-....) - Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
Jury : Président / Présidente : Djimédo Kondo
Examinateurs / Examinatrices : Véronique Lazarus, Cindy Rountree, Djimédo Kondo, Alexander F. Routh, Fabrice Célarié
Rapporteurs / Rapporteuses : Djimédo Kondo, Alexander F. Routh

Résumé

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Le séchage d’une suspension colloïdale produit une couche solide plus ou moins poreuse. Ce processus intervient dans de nombreuses applications, telles que le procédé sol-gel ou la fabrication de laques et de peintures. Durant le séchage, l’évaporation du solvant entraîne la rétraction du matériau ; des contraintes importantes peuvent alors apparaître dans les couches colloïdales, les rendant susceptibles de se fracturer. Il est ainsi crucial de comprendre l’influence de paramètres de contrôle tels que la vitesse de séchage, l’épaisseur de la couche ou la taille de particule sur les propriétés mécaniques et de structure du matériau final. Dans cette thèse, nous avons utilisé des suspensions de Ludox (silice colloïdale) comme système modèle afin d’étudier l’effet de la vitesse de séchage sur les propriétés du matériau solide obtenu. Dans une première partie, nous avons mis en œuvre des mesures de porosité, ainsi que de microscopie à force atomique et de diffraction de rayons X, afin de caractériser l’effet de la vitesse de séchage sur les propriétés de structure des couches sèches. Nous avons mis en évidence l’importance de la polydispersité des suspensions initiales, ainsi que des phénomènes d’agrégation de particules, sur la structure et la compacité du matériau obtenu. Dans une deuxième partie, des mesures de constantes élastiques par propagation d’ultrasons nous ont permis de déterminer l’élasticité tensorielle (i.e. le module de compressibilité et celui de cisaillement) des couches colloïdales. Ces modules élastiques dépendent de la porosité du matériau ainsi que de la taille des particules de silice. Les données expérimentales ont été comparées aux prédictions de deux schémas d’homogénéisation (Mori-Tanaka et auto-cohérent), ainsi qu’au modèle de Kendall pour le module d’Young, qui prend en considération une énergie d’adhésion entre les particules. Enfin, nous avons déterminé la résistance à la fracture des couches colloïdales à l’aide de tests d’indentation Vickers. Cette résistance à la fracture, mesurée à la fin du séchage, est mise en relation avec la vitesse d’évaporation, la porosité du matériau, ainsi que la densité de fractures observées pendant le processus d’évaporation du solvant.