Development of a multiscale approach for the characterization and modeling of heterogeneous materials : application to polymer nanocomposites

par Majid Baniassadi

Thèse de doctorat en Mécanique des matériaux

Sous la direction de Saïd Ahzi et de René Muller.

Soutenue en 2011

à Strasbourg .

  • Titre traduit

    Développement d'une approche multi-échelle pour la caractérisation et la modélisation des matériaux hétérogènes : application aux polymères nanocomposites


  • Résumé

    Dans ce projet de recherche, une étude approfondie a été effectuée en utilisant des fonctions de corrélation à deux points (TPCF) pour la reconstruction et l'homogénéisation de nanomatériaux composites. Des fonctions de corrélation d'ordre supérieur N (NPCF) doivent être calculées ou mesurées si l’on souhaite augmenter la précision de l'approche de la méthode statistique. Pour ce faire, une nouvelle méthodologie d’approximation est utilisée pour obtenir des NPCF pour les matériaux hétérogènes multiphasiques. Les TPCF ont été mesurées à partir de techniques différentes et exploitées pour reconstituer la microstructure des milieux hétérogènes. Dans la suite de ce travail, une nouvelle méthodologie Monte Carlo est développée comme outil pour la reconstruction en 3D de la microstructure des matériaux hétérogènes, fondée sur les fonctions statistiques à deux points (TPFC). La caractéristique principale de cette méthodologie est la capacité de réaliser la microstructure 3D à partir de son image SEM 2D pour un milieu à trois phases extensible à n-phases. Enfin, la théorie de la statistique des milieux continus est utilisée pour prédire la conductivité thermique effective ainsi que le module d'élasticité des composites polymères. Des fonctions de probabilité à deux points et à trois points, utilisées comme descripteurs statistiques des inclusions (renfort) ont été exploitées pour résoudre le problème de l’homogénéisation à fort contraste des propriétés thermiques et mécaniques effectives des composites à base de polymère/ nano-argile (CPnA). Pour valider notre approche de modélisation, nous avons mené plusieurs mesures expérimentales pour les (CPnA). La comparaison de nos prédictions avec les résultats expérimentaux sont en bon accord ce qui confirme la qualité et la précision de la méthodologie proposée.


  • Résumé

    In this research, A comprehensive study has been performed in the use of two-point correlation functions for reconstruction and homogenization in nano-composite materials. Higher order correlation functions must be calculated or measured to increase the precision of the statistical continuum approach. To achieve this aim a new approximation methodology is utilized to obtain N-point correlation functions for multiphase heterogeneous materials. The two-point functions from different techniques have been measured and exploited to reconstruct microstructure of heterogeneous media. A new Monte Carlo methodology is developed as a mean for three-dimensional (3D) reconstruction, of the microstructure of heterogeneous materials, based on two-point statistical functions. The salient feature of the presented reconstruction methodology is the ability to realize the 3D microstructure from its 2D SEM image for a three-phase medium extendable to n-phase media. Finally, Statistical continuum theory is used to predict the effective thermal conductivity and elastic modulus of polymer composites. Two-point and three-point probability functions as statistical descriptor of inclusions have been exploited to solve strong contrast homogenization for effective thermal and mechanical properties of nanoclay based polymer composites. To validate our modeling approach, we conducted several experimental measurements for nanoclay /polymer of composite. Comparison of our predictions with the experimental results led to a good agreement. This allows us to conclude that the proposed methodlogy is accurate.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (188 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Notes bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2011;1338
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