DMA virtuelle et expérimentale, caractérisation mécanique de matériaux hétérogènes visco-élastiques

Virtual and Experimental DMA, Mechanical characterization of heterogeneous viscoelastic materials

• Auteur / Autrice : Nadia Mabrouk
• Direction : Stéphane Andre, Julien Boisse
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Milieux Fluides Rhéophysique

Mots clés

Mots clés libres

Composites

Dissipation

Mecanique des materiaux

Viscoelasticite

Mechanics of materials

Viscoelasticity

Dissipation

Composites

Résumé

La DMA expérimentale ou Analyse Mécanique Dynamique consiste à soumettre un matériau à un essai mécanique avec sollicitation fréquentielle en traction-compression ou torsion, afin d'en caractériser le module complexe en fonction de la fréquence et de la température. Parmi les objectifs de l'étude proposée, il s'agirait dans un premier temps de mettre en confrontation, sur des composites modèles, les résultats issus de la DMA virtuelle et de l'expérimentation réelle. Cette étape est indispensable pour cerner les difficultés inhérentes respectivement à l'idéalisation du matériau et aux biais métrologiques (inerties aux fréquences élevées, dérives aux fréquences basses, sollicitations non idéales…). Elle est fondamentale pour mettre à l'épreuve le concept de fonction de transfert en viscoélasticité linéaire et donc la possibilité d'obtenir une caractérisation parfaite du matériau par dispositif DMA alors qu'il ne s'agit toujours aujourd'hui que d'un outil expérimental qui reste globalement qualitatif, pour étudier la physique des transformations microstructurales. Le second objectif est de développer le code de DMA virtuelle pour prendre en compte les aspects de fonctionnalisation des renforts, présents dans tous les composites élaborés industriellement. Il s'agirait là aussi de comprendre la nature des écarts qui pourraient être rencontrés sur des composites élaborés de manière contrôlée, entre le simulateur et l'expérience réelle. Enfin un objectif serait de fabriquer une base de données des comportements fréquentiels des modules conservatifs et dissipatifs de toute une gamme de matériaux composites à matrice viscoélastique (différentes fractions volumiques, différentes géométries des renforts, différentes propriétés mécaniques des phases en présence…) afin d'identifier de grandes classes de comportements, tester des modèles d'homogénéisation plus robustes et génériques (modèles à Dérivées Fractionnaires), et tester l'hypothèse que l'intelligence artificielle appliquée à cette base de données puisse conduire à identifier les microstructures sous-jacentes à des matériaux homogènes à l'échelle micrométrique mais hétérogènes aux échelles submicrométriques (polymères semi-cristallins par exemple).

Virtual or experimental Dynamic Mechanical Analysis (DMA) consists in subjecting a material to an harmonic mechanical sollicitation, either in traction-compression or torsion, in order to characterize the complex modulus as a function of frequency and temperature. Among the objectives of the proposed study, the first step would be to compare, on ideal or model composites, the results obtained by virtual DMA and real experimentation. This step is essential to identify the difficulties inherent respectively to the idealization of the material and to the metrological biases (inertia at high frequencies, drifts at low frequencies, non-ideal solicitations...). The first goal of this doctoral study is to adress the concept of transfer function in linear viscoelasticity and thus the possibility of obtaining a perfect characterization of the material by a DMA device. Indeed, it is still today only an experimental tool that remains globally qualitative, to study the physics of microstructural transformations. The second objective is to develop the virtual DMA code to take into account the aspects of reinforcements functionalization, adopted in all industrially developed composites. There would also be a challenging question to understand the nature of the differences that could be encountered on composites developed in a controlled manner, between the simulator and the real experiment. Finally, one objective would be to build a database of frequency behaviors of conservative and dissipative moduli of a whole range of composite materials with viscoelastic matrix (different volume fractions, different geometries of reinforcements, different mechanical properties of the phases in presence...) in order to identify large classes of material behaviors, to test more robust and generic homogenization models (Fractional Derivative Models), and to test the hypothesis that artificial intelligence applied to this database could lead to the identification of the microstructures underlying materials that are homogeneous at the micrometric scale but heterogeneous at the submicrometric scales (semi-crystalline polymers for example).