Etude thermomécanique à haute fréquence de matériaux hétérogènes avec des interfaces

High frequency thermomechanical study of heterogeneous materials with interfaces

• Auteur / Autrice : Haoming Luo
• Direction : Anne Tanguy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Mécanique Multiéchelle pour les solides MIMESIS
• Jury : Président / Présidente : Georges Jacquet-Richardet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Tanguy, Georges Jacquet-Richardet, Benoît Ruffle, Jérôme Vasseur, Valentina Giordano, Haozhe Liu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Ruffle, Jérôme Vasseur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Émission acoustique

Nanophotonique

Matériaux hybrides

Mécanique appliquée

Mots clés libres

Mécanique analytique

Nanocomposite

Nanophotonique

Matériau amorphe

Atténuation

Transfert thermique

Transfert acoustique

Simulation numérique

Méthode par éléments finis

Matériau hétérogène

Inclusion

Applied Mechanics

Nanocomposite

Nanophotonics

Amorphous material

Attenuation

Acoustic emission

Acoustic transmission

Numerical simulation

Finite element method

Heterogeneous material

Inclusion

Résumé

Le transfert de chaleur est intimement lié à la propagation du son (transfert acoustique) dans les matériaux, par exemple dans les isolants et les semi-conducteurs, les principaux vecteurs d’énergie sont des phonons acoustiques. Le concept de présence d’interfaces a été largement exploité pour manipuler efficacement les phonons des longueurs d’onde macroscopiques aux longueurs d’onde nanométriques. Les derniers correspondent aux fréquences en régime THz, qui sont responsables du transport thermique à température ambiante. Dans cette thèse, la méthode des éléments finis est utilisée pour effectuer des analyses transitoires de la propagation des paquets d’ondes dans différents milieux à 2D. Elle est commencée par une étude paramétrique de l’atténuation des paquets d’ondes dans un système élastique semi-infini avec des interfaces circulaires périodiques. Trois paramètres clés sont étudiés, notamment le contraste de rigidité, la densité d’interface et la longueur d’onde des phonons. Différents régimes de transfert (propagatif, diffusif et localisé) sont identifiés, qui permettent d’identifier la contribution des phonons à la conductivité thermique. Outre les interfaces circulaires, la réponse mécanique et l’atténuation acoustique pour différents types d’interfaces sont également étudiées, telles que l’inclusion de forme dendritique, l’inclusion d’Eshelby, et les matériaux poreux avec des pores ordonnés / désordonnés. Afin d’étendre l’étude aux matériaux amorphes, j’ai également considéré un milieu hétérogène avec des rigidités aléatoires réparties dans l’espace selon une distribution gaussienne basée sur la théorie de l’élasticité de cisaillement hétérogène des verres. Enfin et surtout, deux versions de lois de comportement viscoélastiques sont proposées pour prendre en compte l’atténuation intrinsèque des phonons dépendant de la fréquence dans les verres, dans le but qu’un milieu visqueux homogène puisse reproduire cette atténuation intrinsèque. La simulation par éléments finis confirme qu’un modèle continu peut suivre strictement l’atténuation atomistique (G) avec une loi de comportement viscoélastique linéaire macroscopique bien calibrée. Par rapport aux données expérimentales de a-SiO2, notre deuxième loi de comportement reproduit qualitativement et quantitativement les trois régimes d’atténuation acoustique en fonction de la fréquence : successivement Γ ∝ ω^2,ω^4,ω^2.

Heat transfer is actually intimately related to the sound propagation (acoustic transfer) in materials, as in insulators and semi-conductors the main heat carriers are acoustic phonons. The concept of the presence of interfaces has been largely exploited for efficiently manipulating phonons from long-wavelength to nanometric wavelengths, i.e., frequencies in THz regime, responsible for thermal transport at room temperature. In this thesis, the finite element method is used to perform transient analysis of wavepacket propagation in different mediums. I started with a parametric study of attenuation of acoustic wave-packets in a 2D semi-infinite elastic system with periodic circular interfaces. Three key parameters are investigated, including rigidity contrast, interface density and phonon wavelength. Different energy transfer regimes (propagative, diffusive, and localized) are identified allowing to understand the phonon contribution to thermal transport. Besides the circular interfaces, mechanical response and acoustic attenuation for different types of interfaces are also investigated, such as Eshelby’s inclusion, dendritic shape inclusion and porous materials with ordered/disordered holes. In order to extend the study to amorphous materials, I also considered a heterogeneous medium with random rigidities distributed in space according to a Gaussian distribution based on the theory of heterogeneous shear elasticity of glasses. Finally yet importantly, viscoelastic constitutive laws are proposed to take into account the frequency-dependent intrinsic phonon attenuation in glasses, with the aim of reproducing such intrinsic attenuation using a homogeneous viscous medium. Finite element simulation confirms that a continuum model may strictly follow the atomistic attenuation (G) for a well-calibrated macroscopic linear viscoelastic constitutive law. Compared with the experimental data in a-SiO2, our second constitutive law reproduces qualitatively and quantitatively the three regimes of acoustic attenuation versus frequency : successively Γ∝ω^2,ω^4,ω^2.