Caractérisation du comportement mécanique local d'élastomères par nanoindentation instrumentée

Characterisation of the Local Mechanical Behaviour of an Elastomer by Instrumented Nanoindentation

• Auteur / Autrice : Hugo Tocqueville
• Direction : Guénhaël Le Quilliec
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Mécanique et Productique
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....)

Mots clés

Mots clés libres

Réduction de modèle

Approches inverses

Caractérisation expérimentale

Elastomères

Comportement mécanique

Indentation instrumentée

Instrumented indentation

Inverse methods

Experimental Characterization

Model reduction

Elastomers

Mechanical Behaviour

Résumé

De par leurs propriétés particulières, les élastomères sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels comme l'automobile ou l'aéronautique pour des applications telles que l'étanchéité, l'amortissement ou encore l'isolation. Parmi les différentes classes de matériaux polymères, les élastomères sont connus, outre le fait d'être incompressible ou presque, pour avoir un comportement mécanique non linéaire aux grandes déformations fortement dépendant de la vitesse de sollicitation et des conditions environnementales. De plus, les élastomères sont sensibles au vieillissement (thermique, oxydatif ...) ce qui crée un gradient de propriétés au sein du matériau. Dans le secteur industriel, les élastomères sont quasi systématiquement chargés dans le but principal d'améliorer leurs propriétés mécaniques. Celles-ci vont donc dépendre de plusieurs facteurs (type d'élastomère et de charges, densité de réticulation, paramètres externes : température, vitesse de sollicitation, atmosphère...). Ces facteurs rendent difficiles la prédiction du comportement mécanique de tels matériaux car il est nécessaire pour cela de prendre en compte des effets qui se produisent à différentes échelles au sein de ce matériau, le plus souvent hétérogène. Un accès à des informations à plus petite échelle est alors primordial. Ainsi l'indentation instrumentée s'avère être un bon candidat pour évaluer des propriétés locales des élastomères dans le cas d'essais non-destructifs. Les avantages de la nano-indentation sont nombreux, dès lors que cette technique permet de venir sonder les propriétés mécaniques à plus petite échelles, mais également sur des types de structure difficilement caractérisables par des méthodes plus conventionnelles (films minces, matériaux hétérogènes...). D'abord développée pour l'étude des matériaux métalliques et céramiques, il est vite apparu que son application aux matériaux polymères présentait certaines difficultés du fait du caractère visqueux de ces matériaux. D'autres problèmes peuvent survenir comme la difficulté à détecter le contact du fait de l'adhésion entre le matériau élastomère testé et l'indenteur ou encore liés à la rugosité de l'échantillon, son alignement par rapport à l'indenteur, ou des effets d'échelle. De ce fait, seuls quelques travaux sur des élastomères modèles ou en microindentation sont disponibles dans la littérature. Malgré ces contraintes expérimentales, les travaux de doctorat menés par C. Valantin (2014) ont mis en évidence tout le potentiel de la nanoindentation pour l'étude du comportement local des élastomères. Cette première étude a été poursuivi au cours de la thèse de doctorat de C. Fradet (2019) qui portait principalement sur le développement d'un protocole expérimental en indentation instrumentée d'élastomères. En complément de ces études expérimentales, les résultats numériques obtenus au cours de la thèse de doctorat de O. Ezzaamari (2022) tendent à démontrer qu'il est possible d'exploiter l'ensemble de la courbe d'indentation afin de caractériser plus finement le comportement des élastomères et d'en identifier les paramètres de la loi de comportement via l'approche par variété de formes (ou shape manifold). Dans ce contexte, le présent projet vise à coupler les approches numériques et expérimentales actuelles et à améliorer la caractérisation mécanique locale en nano-indentation dans le cas particulier des élastomères. L'approche par variété de forme pourra être étendue aux élastomères présentant un important comportement visqueux, ouvrant la possibilité d'en exploiter l'empreinte résiduelle en complément de la courbe d'indentation. Par ailleurs, de nouvelles approches expérimentales particulièrement appropriées à la caractérisation de matériaux polymères, notamment la nano-indentation dynamique seront développées. L'état de surface et donc la préparation de l'échantillon est, aujourd'hui encore, un verrou important dans la qualité des mesures effectuées en nano-indentation. Des solutions sont envisagées et pourront être testées au cours du présent projet.

The global mechanical behavior of an elastomer is quite complex. It has a non linear response in large strains while dissipating energy with a strong dependency to strain rate and environment. This makes it difficult to model due to a large number of involved parameters. The proposed subject will aim to study the local behavior of one or more elastomers, assessing the impact of specimen elaboration (formulation, crosslink density ) and the nanoindentation parameters (type of indents, velocity ). The main characteristics of the materials will first be identified considering general models dedicated to polymers and taken from the literature. A new model dedicated to elastomers of their local behavior will then be established. One of the final objectives is to obtain a multi-scale modeling of this type of materials. The interest is to be able to numerically predict the response (both static and fatigue) of real parts (e.g. human artificial organs) based on experimental local measurements.