microstructure

Microstructures et propriétés des polymères

Responsable : Pierre Gilormini, directeur de recherche au CNRS.

Permanents : Julie Diani, chargée de recherche au CNRS, Gilles Régnier, professeur des universités, Paulo Ferreira, technicien (à mi-temps dans le groupe).

Doctorants : Sophie Versavaud (co-encadrement avec Michel Vincent, du Cemef), Nada Bou-Malhab, Denis Defauchy (co-encadrement avec Patrice Peyre au PIMM), Yannick Merckel (co-encadrement avec Mathias Brieu, à l'Ecole centrale de Lille et à temps partiel au PIMM), Hubert Tesseydre (co-encadrement avec Stefan Landis, au CEA-LETI, Grenoble).

Ce groupe de recherche se donne pour but de relier la microstructure et le comportement mécanique dans le cas des polymères. Cette démarche se décline à différentes échelles illustrées ci-dessous :

 

A l'échelle macroscopique, celle de l'échantillon centimétrique typiquement, la microstructure intervient de façon sous-jacente dans la formulation de lois de comportement en viscoélasticité ou en élasticité en grandes transformations. Par exemple, la connaissance de mécanismes de déformation des polymères guide la définition de temps de relaxation dans le comportement viscoélastique, ou le rôle joué par l'adhésion entre particules et matrice polymérique guide la description de l'effet Mullins dans les élastomères. En plus des modélisations qui sont proposées, des techniques de mesure particulières sont utilisées, comme le chargement biaxial d'élastomères.
Exemple J.Diani, B. Fayolle and P. Gilormini, “A review on the Mullins effect”, European Polymer Journal 45, 601-612 (2009).

A l'échelle microscopique, celle des renforts dans un composite notamment, la fraction volumique, la forme et l'orientation des renforts influent fortement sur le comportement macroscopique du composite. Les méthodes d'homogénéisation peuvent alors être mises en œuvre pour décrire cette relation entre microstructure et comportement. On peut alors, typiquement, prédire les propriétés élastiques et dilatométriques anisotropes qui expliquent le retrait d'une pièce obtenue par injection dans un moule d'une matrice chargée de fibres. Là aussi, des techniques de mesure particulières sont développées pour obtenir, entre autres, la distribution de l'orientation des renforts dans un composite à fibres courtes.
Exemple D. Dray, P. Gilormini and G. Régnier, “Evaluation of the thermoelastic properties of an injection molded short-fiber composite”, Composites Science and Technology 67, 1601-1610 (2007).

A l'échelle nanométrique, celle des lamelles cristallines dans un polymère semi-cristallin, la connaissance de la nature de la microstructure, de la teneur en phase cristalline, de la géométrie des cristallites, peut permettre de comprendre le comportement observé à l'échelle supérieure. Ici encore, les rôles joués par la phase cristalline et par la phase amorphe peuvent être combinés dans des modèles d'homogénéisation, mais avec la difficulté supplémentaire de connaître au préalable le comportement de la phase amorphe. Confinée entre les lamelles cristallines à une échelle nanoscopique, elle ne se comporte pas comme une phase amorphe libre. Des techniques de mesure spécifiques sont ici mises en œuvre pour déterminer la morphologie de la phase cristalline, par diffusion des rayons X aux petits angles et par diffraction aux grands angles.
Exemple J. Diani, F. Bedoui and G. Regnier, "On the relevance of the micromechanics approach for predicting the linear viscoelastic behavior of semi-crystalline poly(ethylene)terephtalates (PET) ", Materials Science and Engineering A475, 229-234 (2008).

A l'échelle des chaînes macromoléculaires, dans un élastomère typiquement, l'arrangement statistique des chaînes permet d'expliquer les propriétés mécaniques. La connaissance de la microstructure peut être alors obtenue de façon indirecte, en simulant la réaction de synthèse d'un réseau polyuréthane notamment, en fonction de la nature des composants, de leur teneur, de l'avancement de la réaction. Des modèles statistiques permettent ensuite de prendre en compte la longueur des chaînes, la densité et la fonctionnalité des points de réticulation, pour déduire le module de cisaillement macroscopique. Cette activité passe, entre autres, par l'utilisation de moyens de synthèse chimique.
Exemple B. Fayolle, P. Gilormini and J. Diani, "An experimental and analytical study of the elasticity of model polyurethane networks crosslinked by tri- and quadriisocyanate", Colloid and Polymer Science 288, 97-103 (2010).

Enfin, à l'échelle atomique, la chaîne macromoléculaire peut être décrite atome par atome, ce qui permet de comprendre, par la simulation, le rôle joué par différents paramètres sur le comportement à la transition vitreuse d'un polymère, par exemple. La dynamique moléculaire permet alors, au moyen de potentiels d'interaction adéquats et en résolvant les équations de la mécanique newtonienne, de suivre l'évolution d'un ensemble de macromolécules sous l'effet, typiquement, d'un changement de température ou de pression. Si ce thème de recherche privilégie la simulation numérique intensive, les activités expérimentales n'en restent pas moins indispensables pour calibrer les calculs.
Exemple J. Diani, B. Fayolle and P. Gilormini, "Study on the temperature dependence of the bulk modulus of polyisoprene by molecular dynamics simulations", Molecular Simulation 34, 1143-1148 (2008).

 

L'ensemble de ces travaux est mené par quatre permanents, dont deux chercheurs CNRS, un enseignant-chercheur et un technicien à mi-temps dans l'équipe, et sept doctorants cette année. Les compétences de chacun sont complémentaires et souvent partagées. Elles couvrent les domaines très variés du comportement des élastomères, de la viscoélasticité, des grandes transformations, des méthodes d'homogénéisation, de la dynamique moléculaire, de la caractérisation microstructurale, de la mise en forme des polymères, de la relation entre mise en forme et propriétés, des essais mécaniques. Les thèses sont souvent co-encadrées avec des membres d'autres équipes du PIMM ou d'autres laboratoires, en France ou à l'étranger. Les collaborations avec d'autres chercheurs à l'étranger concernent essentiellement la Pologne et les Etats-Unis.

Un thème de recherche qui nous tient à cœur pour les années qui viennent porte sur les polymères à mémoire de forme. Ces matériaux, prometteurs et en plein développement, permettent de grandes déformations, ils sont biocompatibles, peu coûteux, faciles à mettre en forme et réutilisables. La température à laquelle le changement de forme s'opère peut être ajustée en modulant la formulation et la microstructure du polymère utilisé. Nous envisageons des applications originales qui exigeront de relever de nouveaux défis pour mieux comprendre la transition vitreuse, les propriétés viscoélastiques et la résistance à la fatigue de ces nouveaux matériaux.

Rayons X

Responsables: 
Vincent MICHEL

Techniques de Diffraction et de Diffusion centrale – Contrôles non-destructifs

Structure cristalline et microstructure des matériaux

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Utilisation de grands instruments (synchrotrons, sources de neutrons)

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CoMet : Comportement et microstructure des Métaux


Responsables : Olivier Castelnau (DR) et Zehoua Hamouche (MDC)


Les travaux de recherche de l’équipe CoMet se basent sur des approches multi-échelles expérimentales, théorique, et numériques, en vue de décrire et de relier de manière systématique les mécanismes élémentaires de déformation, la microstructure du matériau et son évolution, le comportement effectif d'un Volume Elémentaire Représentatif, et le procédé d'élaboration ou de transformation. Notre activité principale est focalisée sur les métaux, purs ou alliés, mais elle s'ouvre également vers d'autres types de matériaux polycristallins (céramiques, minéraux), de nouvelles structures (matériaux architecturés), et à l'étude de comportements multi-physiques. Les activités expérimentales s’appuient sur les Centres de Ressources du laboratoire, en particulier Rayons X, Microscopies, Essais Mécaniques, et Laser, au sein desquels l’équipe a impulsé des développements importants (ex. : démonstrateur technologique pour une fabrication additive à grande échelle, diffraction résolue en temps pour la fatigue ultrasonique (20 KHz) en collaboration avec le synchrotron SOLEIL, …).

Nos activités de recherche propres s’articulent autour des quatre grands thèmes spécifiques décrits ci-dessous. L’équipe est également largement impliquée dans des thématiques transverses au laboratoire (la fabrication additive, le comportement aux très grandes vitesses de déformation – choc laser, et le comportement des matériaux architecturés).

La liste des thèses préparées actuellement dans l’équipe est disponible ici (rechercher le mot clé 'comet'). La liste des thèses soutenues est disponible ici (classement par année).

 

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