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Thèse : Effet de taille dans les polymers nano-chargés : Caractérisation aux échelles nanométriques et modélisations

Objectif :

Les propriétés macroscopiques, ainsi que les lois de comportement mécanique des polymères nanochargés sont particulièrement difficiles à déterminer. La raison principale en est leur dépendance de la morphologie, de la texture et de l’état de confinement de la matrice due à la présence des nanoparticules.
Ce dernier paramètre (effet de confinement) est intimement lié à la taille des particules ajoutées. On parle ainsi d’effet de taille, une des spécificités les plus marquantes du comportement macroscopique des matériaux nano-renforcés.
Dans le cadre de l’élasticité, la mise en évidence de ces phénomènes nécessite une caractérisation fine des matériaux. Cependant, dans la majorité des cas, la caractérisation du comportement mécanique des polymères se fait à des échelles supérieures à celles qui caractérisent la microstructure nanostructure et n’aboutit pas à la mise en évidence de l’interaction matrice taille du renfort. Les lois de comportement qui s’en déduisent s’avèrent peu pertinentes pour prédire correctement les comportements mécaniques observés. Sur un tout autre plan, les tentatives récentes de modélisations par changement d’échelle, allant au-delà des modèles micromécaniques usuellement considérés pour les matériaux composites, nécessitent d’être nourries par des données d‘entrés décrivant l’interaction entre taille de particules et la matrice.
Ce constat se trouve amplifié dans le cas de la viscoélasticité des matériaux polymères nano-chargés, pour lequel l’effet de taille se conjugue avec l’effet de la température et du temps. Il convient de
souligner que dans un tel cas, on s’attend à ce que l’apport des charges nanométriques modifie la mobilité moléculaire locale autour des particules modéles. L’effet de changement local qui en résulte est de nature à induire dans certain cas un comportement opposé à ce que l’intuition puisse suggérer.
Faute de quantification de ces phénomènes, les propriétés viscoélastiques des matériaux nanochargés sont difficilement prédites par les outils micromécaniques disponibles et qui sont encore dans
un état embryonnaire.
Le but de cette thèse est alors d’apporter des éléments de réponses à ces questionnements en procédant comme suit :

  • Elaboration des polymères nanorenforcés en utilisant des tailles de renforts sphériques de différentes tailles, allant de 15 à 1000 nm.
  • Mener une compagne expérimentale à différentes échelles :
    • Echelle macroscopique
      • -Comportement élastique en intégrant la mesure de champs pour une bonne estimation des déformations axiales et transversales
      • -Comportement viscoélastique : quantification de l’interaction taille de particule / facteur d’amortissement du matériau.
    • Echelle nanoscopique
      • -Observation TEM/AFM : Quantification de la dispersion des charges dans la matrice
      • -Rayon-X à température variable pour la mise en évidence de l’effet de l’interaction mobilité moléculaire taille de particules.
  • Développement de modèles incorporant des effets de surfaces aux très petites échelles, et capables donc de prédire l’effet de taille des particules sur les propriétés et comportements mécaniques. Confrontation modèle/expérience. On abordera prioritairement les cas de :
    • L’Elasticité
    • La Viscoélasticité

Cet ensemble de modélisations pourra être soutenu par des simulations atomistiques (dynamique moléculaire), avec comme double objectif : i) de compléter la compréhension des phénomènes en jeu aux échelles pertinentes, ii) de permettre des validations supplémentaires des modélisations proposées.

Pour en savoir plus :