Capacité d’arret de fissure dans les PMMA résistant au choc sous chargement dynamique

Crack arrest capability of shock resistant PMMA under dynamic loading

• Auteur / Autrice : Norazrina Binti Mat Jali
• Direction : Patrice Longère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 25/10/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Rafael Estevez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rafael Estevez, Nadia Bahlouli, Hervé Trumel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rafael Estevez, Nadia Bahlouli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyméthacrylate de méthyle

Mots clés libres

Rt-PMMA

Haute vitesse de déformation.

Capacité d’arrêt de fissures

Rt-PMMA

High strain rates

Crack arrest capability

Résumé

Bien que le PMMA possède des bonnes propriétés mécanique et optique, sa fragilité devient un des problèmes à prendre en compte quand on l’utilise. Une méthode consistant à mélanger des nanoparticules de caoutchouc au PMMA a été montrée comme améliorant la résistance àla rupture et aux impacts du matériau composite obtenu. Ce mélange est nommé RT-PPMA(pour rubber toughened PMMA). Lors de cette étude, une classe de RT-PMMA commercial,appelée PMMA Resist est considérée. De manière plus spécifique, la réponse de trois nuances de RT-PMMA différant par leur concentration en particules de caoutchouc est étudiée.La caractérisation thermomécanique consistant en des tests de traction, compression et du cisaillement -compression a été menée sur les trois nuances de RT-PMMA à différentes vitesses de déformation et températures. Les vitesses de déformation s’étalaient entre 10-5s-1et 1200s-1, et les températures étaient comprises entre -50°C et 70°C. Comme attendu,la réponse des nuances de RT-PMMA montre la forte dépendance à la vitesse de déformation,la température et la concentration en particule de caoutchouc. En outre, la sensibilité au blanchiment sous contrainte (stress-whitening) induit par micro-craquelure (crazing) vs.décohésion particule/matrice dépend également des trois paramètres cités précédemment. De plus, une structure complexe de bande de cisaillement est observée sur les nuances de RTPMMA lors de la compression dynamique et du chargement en cisaillement-compression.La capacité d’arrêt de fissures de la classe de RT-PMMA à l’étude a été menée en réalisant des essais d'impact de type Kalthoff and Winkler (KW)-. La vitesse de projectile est comprise entre 50 m/s et 100 m/s. Des plaques avec deux entailles qui servent comme pré-fissures ont été utilisés lors des essais de choc. L’interaction du projectile avec l’échantillon a été enregistré avec une caméra ultra rapide de 105 à 106 images par seconde. L'examen postmortem de la microstructure a été observé en utilisant la microscopie électronique à balayage(SEM). La résistance aux chocs de RT-PMMA dépend fortement de la concentration de particules de caoutchouc. En particulier, une concentration plus élevée de particules en caoutchouc aide à ralentir la fissure et ainsi augmenter la capacité d’arrêt de fissures du matériau structural. Les particules de caoutchouc gênent la propagation de fissures et le blanchiment sous contrainte apparaît le long du chemin de propagation de fissures.Une première tentative de modélisation constitutive pour les trois nuances de RT-PMMA a été réalisée en se basant sur le travail fait par Arruda et Boyce (1995). Les modèles dépendant de la vitesse et de la température ont été calibres en considérant les résultats expérimentaux et la dépendance de quelques paramètres a la concentration de particules en caoutchouc et au trajet de chargement est mise en évidence. Les modèles doivent encore être unifies.

While PMMA possesses good mechanical and optical properties, its brittleness is one of the issues to be accounted for when using it. An approach consisting in blending small rubber nanoparticles in PMMA has been shown to improve the resistance and impact toughness of the resulting composite material. This mixture is called rubber toughened PMMA or shortly RT-PMMA. In the present study, a class of commercial RT-PMMA, namely PMMA Resist,is considered. More specifically, the response of three grades of RT-PMMA differing by their rubber particle concentration is investigated. A thermomechanical characterization consisting of tension, compression and shearcompression tests has been first carried out on the three grades of RT-PMMA at various strain rates and temperatures. The strain rate range was 10-5s-1 to 1200s-1, and the temperature range was from -50°C to 70°C. As expected, the RT-PMMA grades response exhibits a strong dependence on strain rate, temperature and rubber particle concentration. Moreover,the sensitivity of RT-PMMA to crazing vs particle-matrix debonding induced stress whitening under tension loading also depends on the three above mentioned parameters. Additionally, a complex pattern of shear bands is observed on the RT-PMMA grades under dynamic compression and shear-compression loading. Next, the crack arrest capability of the class of RT-PMMA under consideration has been investigated by carrying out Kalthoff and Winkler (KW)-like impact test. The projectile impact velocity range was 50 m/s to 100 m/s. Double-notched plates representing the precracked structures were used for the impact tests. The interaction between the projectile and the plate was recorded by using a high-speed camera at 105 to 106 frames per second. Post mortem microstructure was observed using scanning electron microscope (SEM). Impact resistance of RT-PMMA is seen to strongly depend on the rubber particle concentration. In particular, a higher rubber particle concentration aids to slow down the crack tip velocity and thus to increase the crack arrest capability of the structural material. Crack propagation is hindered by the rubber particles and particle-matrix debonding induced stress whitening appears at the crack propagation path. A first attempt of constitutive modelling for the three grades of RT-PMMA has been donebased on the work by Arruda and Boyce (1995). The rate and temperature dependent models are calibrated by considering experimental results and the dependence of some parameters on the rubber particle concentration and loading path is evidenced. The models have still to be unified.