Modélisation multi-échelle du comportement mécanique en grandes déformations de systèmes polymères
Auteur / Autrice : | Zhu Yan |
Direction : | Fahmi Zaïri, Ali Zaoui |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Génie civil |
Date : | Soutenance le 14/12/2022 |
Etablissement(s) : | Université de Lille (2022-....) |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : LGCgE - Laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement |
Jury : | Président / Présidente : Jean-Marc Lefebvre |
Examinateurs / Examinatrices : Francisco Antonio Gilabert Villegas, Amine Bouibes | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Siham Kamali, Rafael Estevez |
Résumé
La présente thèse de doctorat porte sur la modélisation multi-échelle du comportement mécanique de systèmes polymères en utilisant la description au niveau moléculaire via la dynamique moléculaire et à l'échelle du continuum via la mécanique des milieux continus.Dans une première partie, des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour étudier les propriétés physiques et mécaniques de systèmes en polyéthylène (PE) et en cis-polyisoprène (cis-PI) vulcanisés et renforcés en noir de carbone. Nous montrons d'abord le rôle déterminant de la composition structurelle (c'est-à-dire la longueur et le nombre de chaînes) et de la température sur la cristallinité de systèmes en PE, obtenue par deux méthodes de mesure générales (à savoir les paramètres d'orientation des liaisons et d'ordre global). Nous mettons particulièrement en évidence la forte influence de ces derniers facteurs sur la réponse mécanique biaxiale en grandes déformations et ce, jusqu'à la rupture, la cristallisation de l'orientation provoquant un effet directionnel significatif. Nous montrons ensuite que la composition de la chaîne de ramification a un effet important sur les capacités de mémoire de forme des systèmes en PE ramifiés. Enfin, les mécanismes de vulcanisation et de renforcement par des nanocharges dans le cis-PI sont étudiés à l'échelle nanométrique. En outre, nous quantifions la réponse mécanique lors de séquences d'étirement-rétraction et les caractéristiques non linéaires et inélastiques associées sont étudiées. Les interactions entre les fullerènes et les atomes de cis-PI et la configuration d'agrégation des atomes de cis-PI autour des fullerènes sont analysées en détail en introduisant la densité de nombre local et la force moyenne potentielle par le biais de la fonction de distribution radiale.Dans une deuxième partie, nous abordons le problème de la représentation constitutive de divers systèmes polymères, notamment le PE, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le cis-PI enchevêtrés. Nous développons d'abord un modèle multi-échelle pour représenter l'anisotropie morphologique induite par la déformation dans le PE semi-cristallin, formulé dans un cadre micromécanique. Le cisaillement cristallographique dans les lamelles cristallines et l'alignement/relaxation moléculaire de la phase amorphe sont deux processus inélastiques sous-jacents intégrés dans la représentation constitutive. L'accumulation de l'endommagement par cavitation liée à la nucléation progressive et à la croissance anisotrope de cavités de taille nanométrique dans la phase amorphe est également intégrée. Le couplage entre les différentes phases est effectué au moyen d'une approche basée sur l'homogénéisation multi-échelle dans laquelle l'interaction interfaciale est prise en compte. Les résultats du modèle sont comparés aux observations expérimentales en traction de PE contenant une large gamme de cristallinités, obtenues sous des séquences de chargement en traction monotones et oligo-cycliques lors de grandes déformations plastiques. Nous examinons également le comportement endommageable lors de séquences d'étirement et d'étirement-rétraction-récupération à différentes vitesses de déformation et températures. Nous enrichissons ensuite le modèle constitutif à l'application du PVDF semi-cristallin en reliant la réponse macroscopique à la transition de phase α → β induite par la déformation. Certains paramètres fondamentaux issus de simulations de dynamique moléculaire sont transférés à l'échelle du continuum. En complétant la méthode de transfert d'échelle par l'identification des autres paramètres du modèle, les résultats de ce dernier sont trouvés en bon accord avec les expériences de traction existantes d'un PVDF lors d'une grande déformation plastique. Enfin, nous examinons les capacités biaxiales d'un modèle constitutif hyperélastique grâce aux données de dynamique moléculaire de systèmes cis-PI enchevêtrés obtenues pour différents modes de déformation.