Contribution à l'élaboration, l'expérimentation et la modélisation de composites architecturés AMF NiTi/élastomère silicone

Contribution to the elaboration, experimentation and modeling of architectured shape memory alloy Nickel-Titanium/silicone rubber composites

• Auteur / Autrice : Thierry Rey
• Direction : Denis Favier, Jean-Benoît Le Cam, Gregory Chagnon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 16/09/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Recherche translationnelle et innovation en médecine et complexité (La Tronche, Isère, France ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Rio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gregory Chagnon, Patrick Terriault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yinong Liu, Jean-Yves Cavaillé
• DOI : 10.70675/1d41a976z8ed5z4b38z8174z6f6ce132437c

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux architecturés

Alliages

Mots clés libres

Élastomère silicone

Alliage à mémoire de forme NiTi

Matériaux architecturés

Adhésion

Hystérésis

Température

Silicone rubber

NiTi shape memory alloy

Architectured materials

Adhesion

Hysteresis

Temperature

Résumé

Les alliages à mémoire de forme Nickel-Titane sont connus pour leurs propriétés de superélasticité associées à une transformation martensitique élastique, de ferroélasticité liées à la réorientation de variantes de martensite et enfin de mémoire de forme. Les propriétés des matériaux architecturés NiTi, tels que des tricots, des matériaux cellulaires,… dépendent de celles de l'alliage NiTi constituant et de la structure géométrique. L'étude porte sur des matériaux architecturés composites constitués par des matériaux architecturés NiTi saturés par des élastomères silicones. De tels matériaux possèdent potentiellement une gamme étendue de propriétés dépendant à la fois des matériaux constitutifs, mais également des interfaces et de la topologie.La première partie du travail porte sur l'étude de l'interface NiTi silicone. Parmi les solutions testées, le traitement de surface par plasma a été particulièrement étudié. L'influence des paramètres du traitement plasma sur la qualité des interfaces a tout d'abord été étudiée grâce à des essais de pull-out réalisés sur des fils de NiTi enrobés dans des silicones. Les paramètres optimaux de traitement par plasma ont ensuite été appliqués pour élaborer des matériaux architecturés tubulaires constitués d'un tricot NiTi enrobé d'élastomère. Le comportement mécanique du composite ainsi obtenu a été caractérisé par des essais de traction et de gonflement.La deuxième partie de l'étude porte sur le comportement de l'élastomère silicone. Une campagne expérimentale a été menée afin de déterminer l'influence de la température sur le comportement mécanique du silicone, en particulier sur l'accommodation du matériau après la première charge (effet Mullins), l'hystérésis mécanique et la relaxation. Une loi de comportement prenant en compte l'hystérésis mécanique a ensuite été proposée. Inspirée par de nombreux travaux en mécanique des élastomères, l'approche utilise une décomposition de l'espace en un nombre fini de directions. Une loi monodimensionnel incluant les effets d'hystérésis est écrite pour chacune des directions. Ce modèle a été implémenté dans un code de calculs par éléments finis (Abaqus) et a été testé avec des calculs de structures.Dans la troisième partie de l'étude, le formalisme précédent a été utilisé afin de proposer un modèle pour le comportement mécanique du NiTi, en se restreignant dans cette première contribution à la superélasticité. La confrontation des résultats de simulation avec ceux de tests expérimentaux de la littérature sur des plaques isotropes et anisotropes montre les perspectives prometteuses d'une telle approche.

Shape memory alloys Nickel-Titanium are well known for their superelastic properties associated with a martensitic elastic transformation, ferroelasticity due to the reorientation of martensite and finally shape memory effects. The properties of architectured NiTi materials, such a knitted NiTi, cellular materials,… depend on the constituting NiTi and of the geometry. The study deals with architectured composite materials made of architectured NiTi materials and silicone rubber elastomer. Such materials present numerous different properties, depending on the constituting materials and also on the interfaces and the topology.The first part of the study focuses on the interface between NiTi and silicone rubber. Among the tested solutions, plasma treatments were especially studied. The influence of treatment parameters on the interface resistance was firstly investigated by means of pull-out tests carried out on NiTi wires embedded in a silicone rubber matrix. Optimized parameters for plasma treatment were then applied in order to elaborate a tubular architectured material made of knitted NiTi and silicone rubber. The mechanical behavior of this composite was characterized by means of tensile and swelling tests.The second part of the study deals with silicone rubber behavior. Experiments were performed in order to evaluate the influence of temperature on the mechanical behavior of silicone rubbers, especially on the stress softening (Mullins Effect), mechanical hysteresis and stress relaxation. A model taking into account the mechanical hysteresis was then proposed. Based on numerous works in the field of rubber mechanics, the approach used a decomposition of the space in a finite number of directions. A monodimensional constitutive equation including hysteresis effects is written for each direction. This model was implemented in a finite elements software (ABAQUS) and was tested with structure simulations. In the third part of the study, the previous formalism was used model the mechanical behavior of NiTi, only In case of superelasticity. The results of the simulations carried out are in good agreement with those reported in the literature for tests on isotropic and anisotropic NiTi plates, which highlights the great interest of such an approach.