Modélisation numérique multi-échelle pour matériaux hautes performances

Multi-scale numerical modelling for high performance materials

• Auteur / Autrice : Mathilde Orselly
• Direction : Patrice Malfreyt, Cédric Loubat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agathe Bouvet-Marchand, Edith Peuvrel-Disdier, Alain Dequidt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fanny Bonnet, Marie-Pierre Gaigeot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux hybrides

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Dynamique Moléculaire

Multi-Échelle

Revêtements Conducteurs

Molecular Dynamics

Multi-scale

Conductives Coatings

Résumé

L’industrie aéronautique voyant l’arrivée des matériaux hybrides pour des applications structurales, les temps de développement de nouveaux aéronefs tendent à augmenter. Il devient donc impératif de raccourcir les temps de développements en utilisant de nouveaux procédés méthodologiques. Les outils numériques, et spécifiquement ici la dynamique moléculaire, ont une carte à jouer pour aider à accélérer ceci. Dans le cadre du projet, on remplace un maillage métallique par de la peinture conductrice afin de réduire la masse de l'aéronef tout en gardant ces propriétés anti-foudre. La première phase de ce projet s'est consacrée sur l'élaboration de résines thermodurcissables, de leur réticulation à leur caractérisation thermo-mécaniques par dynamique moléculaire. Les premiers résultats concernant des résines variées ont montré une bonne corrélation avec l'expérimentale. La seconde phase de ce projet a permis de mettre en évidence les biais numériques qu'entraînent une étude interfaciale solide-liquide. Les différentes tensions interfaciales ainsi que le travail d'adhésion et l'angle de contact ont été calculé numériquement. La dernière phase du projet a mis en avant le passage à une échelle mésoscopique afin de pouvoir déterminer le seuil de percolation influencé par la matrice polymérique. Après une étude analytique de ce dernier, des premières simulations de référence atomistiques ont été réalisés. Pour conclure, la modélisation numérique a permis de développer une nouvelle méthodologie de travail pour l’élaboration de matériaux hautes performances. La notion de conductivité n’a pas été abordée que de manière statistique mais a pris en compte l’influence de la matrice. Cette réflexion est transposable aux autres matériaux hybrides de par la généralisation de la stratégie de modélisation pour des études multi-échelle.

With the arrival of hybrid materials for structural applications in the aeronautical industry, development times for new aircraft tend to increase. It is therefore becoming imperative to shorten development times by using new methodological processes. Numerical tools, and specifically here molecular dynamics, have a card to play to help accelerate this. The project replaces a metal mesh with conductive paint in order to reduce the mass of the aircraft while retaining its lightning protection properties. The first phase of this project focused on the development of thermosetting resins, from their cross-linking to their thermo-mechanical characterisation by molecular dynamics. The first results concerning various resins showed a good reciprocity with the experimental data. The second phase of this project highlighted the numerical biases involved in a solid-liquid interfacial study. The different interfacial tensions as well as the work of adhesion and the contact angle were calculated numerically. The last phase of the project focused on moving to a mesoscopic scale in order to determine the percolation threshold influenced by the polymer matrix. After an analytical study of the latter, first atomistic reference simulations were carried out. In conclusion, numerical modelling has allowed the development of a new working methodology for the elaboration of high performance materials. The notion of conductivity was not only approached in a statistical manner but also took into account the influence of the matrix. This reflection can be transposed to other hybrid materials by generalising the modelling strategy for multi-scale studies.