Offre de thèse – Equipe MMP

Titre : Caractérisation du comportement mécanique local d’élastomères par nanoindentation instrumentée

Mots clefs :
Indentation instrumentée, Elastomères, Caractérisation expérimentale, Comportement mécanique, Approches inverses, Réduction de modèle

Contexte :
Le sujet proposé s’inscrit dans la thématique de l’équipe MMP concernant la compréhension du comportement mécanique des polymères et s’appuie sur les moyens expérimentaux du Centre d’Etudes et de Recherche sur les Matériaux Elastomères (CERMEL). Ce centre, animé par des enseignants-chercheurs du LaMé, a pour objectif, outre les aspects scientifiques abordés, de développer les échanges entre l’université et l’industrie afin d’améliorer leur pouvoir d’innovation.

Description du sujet :
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 nanoindentation 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.

Profile du candidat :
Le ou la candidat(e) devra avoir de bonnes connaissances sur les matériaux polymères au sens large que ce soient leurs propriétés physico-chimiques ou leurs comportements mécaniques (viscoélasticité, hyperélasticité …). Le ou la candidat(e) devra posséder des appétences pour la conduite d’études expérimentales. Une bonne connaissance de l’indentation instrumentée serait appréciée. Il ou elle devra aussi avoir de l’expérience dans le domaine de la modélisation par éléments finis et de la réduction de modèle ou en analyse inverse. Ainsi, le ou la candidat(e) devra montrer un intérêt marqué pour la confrontation modélisation et expérience.

Informations :
Localisation : LaMé – 7 avenue Marcel Dassault 37200 Tours et CERMEL 29 rue des Martyrs 37300 Joué-lès-Tours La thèse débutera en septembre/octobre 2022.

Contact :
indentation.phd2022@univ-tours.fr
Le candidat devra joindre un CV, une lettre de motivation, un relevé de notes du dernier semestre ainsi qu’une lettre de recommandation à l’adresse mentionnée ci-dessus.