Modélisation micromécanique du comportement d'élastomères chargés

par Benoît Omnès

Thèse de doctorat en Mécanique et matériaux

Sous la direction de Clotilde Berdin-Meric.

Soutenue en 2007

à Lorient .


  • Résumé

    La motivation de cette étude est de développer un modèle de comportement mécanique d’élastomères chargés constitués d’une matrice de caoutchouc naturel chargée de noir de carbone, dans le domaine des déformations modérées. L’objectif est de pouvoir prendre en compte la fraction volumique et la surface spécifique du noir de carbone et d’intégrer la loi de comportement dans un code éléments finis industriel. Les élastomères chargés sont considérés dans cette étude comme des matériaux hétérogènes et une approche micromécanique est retenue. On se propose d’introduire les relations entre la microstructure et les propriétés mécaniques des élastomères chargés au travers d’une étude bibliographique consacrée aux matériaux. La caractérisation des mélanges a montré que la présence du noir de carbone complexifie la microstructure. Une certaine quantité de gomme est occluse entre les agrégats de noir de carbone et une autre liée sur les charges renforçantes, qui dépend de la surface spécifique du renfort. De plus, un réseau percolant peut apparaître lorsque la distance entre les agrégats devient inféieure à une valeur critique. La caractérisation mécanique montre que le noir de carbone modifie le comportement global du matériau. La raideur, l’hystérésis, la viscosité ainsi que la déformation rémanente augmentent en fonction de la fraction volumique et de la surface spécifique de la charge renforçante. On constate que l’effet Payne et la rigidification dynamique sont d’autant plus importants que la fraction volumique et la surface spécifique du noir de carbone sont élevées. L’approche micromécanique est abordée au travers d’une seconde étude bibliographique. Les outils nécessaires pour modéliser le comportement des matériaux hétérogènes sont introduits dans le cadre de l’élasticité linéaire ainsi que quelques méthodes permettant l’extension en non linéaire. Un premier modèle autocohérent généralisé (ACG) à "2+1-phases" est proposé pour modéliser les élastomères chargés. Il s’appuie sur une vision simplifiée de la microstructure supposée être constituée d’une phase de gomme libre plongée dans une phase renforçante. L’intérêt de la loi de comportement obtenue est d’avoir un nombre limité de paramètres tout en donnant des résultats intéressants permettant une utilisation industrielle. Un second modèle proposé, (3')2, s’appuie sur une description fine de la microstructure en intégrant un nombre plus important de phases. La particularité de ce modèle est de traiter le problème à l’échelle de l’agrégat (0. 1 μm) et à celle du réseau percolant (100. 0 μm). Les premières simulations obtenues sur les essais quasi-statiques sont encourageantes car le comportement mécanique pour les fractions volumiques jusqu’à 18% est bien reproduit et un seul jeu de paramètres est utilisé pour décrire les deux types de noir de carbone. La validation industrielle sur une pièce complexe a permis de comparer les résultats numériques obtenus avec le modèle ACG à "2+1-phases" à ceux obtenus avec une loi de Ogden et également aux résultats expérimentaux. Cette application industrielle a mis en évidence les avantages et les limites de cette loi de comportement.

  • Titre traduit

    Micromechanical modelling of behaviour of filled elastomers


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Informations

  • Détails : 1 vol. (VI-180 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'au 31 décembre 2008
  • Annexes : Bibliogr. p 152-159

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Bretagne-Sud (Lorient). Bibliothèque universitaire.
  • Disponible pour le PEB
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