Analyse du comportement mécanique des mousses polymères : apport de la tomographie X et de la simulation numérique

Polymeric foams mechanical behavior analysis : x-ray tomography and numerical simulation contribution

• Auteur / Autrice : Mouhamadou Dabo
• Direction : Patrick Kékicheff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des polymères
• Date : Soutenance le 16/12/2015
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Hoarau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Lenoir
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Marco, Moussa Naït Abdelaziz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Tomographie

Polymères

Propriétés mécaniques

Mousses (matériaux)

Mots clés libres

Mousse polymère

Modélisation éléments finis

Microstructure

Micro-tomographie RX

Polymer foam

Finites elements modeling

Microstructure

X-ray tomography

Résumé

Les matériaux polymères à structures cellulaires allient des propriétés mécaniques, thermiques, chimiques et optiques intéressantes aux regards des contraintes d’allègement des systèmes et des structures. Toutefois, pour diversifier leurs applications et les rendre toujours plus performants dans les domaines de la santé, du transport ou encore du bâtiment, une étude fine des relations qui lient les procédés de fabrication à la microstructure générée et aux propriétés qui en découlent, doit être menée. Ces propriétés mécaniques dépendent étroitement des propriétés de la matière dont les mousses sont faites mais aussi de la morphologie de leurs microstructures (orientation, distribution et taille des pores, épaisseur des parois). Il est donc crucial de pouvoir quantifier et mesurer ces paramètres pour tendre vers une compréhension fine des propriétés mécaniques et définir des modèles capables de relier le comportement macroscopique du matériau cellulaire vis-à-vis de son « équivalent » massif et de la microstructure. En collaboration étroite avec la direction recherche et développement de l’entreprise INTEREP, leader européen du caoutchouc cellulaire étanche, une caractérisation expérimentale du comportement mécanique de mousses de différentes natures polymériques et de différentes topologies à d’abord été effectuée. Ensuite un ensemble de modélisations géométriques a été développé à partir d’observations microstructurales de vraies mousses en micro-tomographie RX et à partir de microstructures générées virtuellement par le biais d’une description physique du processus de fabrication de mousses polymères. Finalement, une simulation numérique éléments finis en 2D et en 3D de ces microstructures couplées à la caractérisation expérimentale du matériau massif des parois a permis de reproduire et d’étudier finement les mécanismes de déformations observés expérimentalement sur des mousses polymères et d’affiner les lois de comportement empiriques avec la prise en compte d’un paramètre supplémentaire caractéristique de la statistique de distribution des cellules dans l’espace, c'est-à-dire de leurs localisations et de leur distribution de taille et de forme.

Polymer foams materials combine mechanical, thermal, chemical and optical interesting properties going with light weighting structures problems. However, to diversify their applications and make them even more efficient in health field, transportation or building, a fine study of the relationships between manufacturing processes to generated microstructures and resulting properties must be conducted. These mechanical properties are highly depending on the properties of material with which foams are made but also on the morphology of their microstructures (orientation, distribution and pore size, wall thickness). Thus it is crucial to quantify and measure these parameters to strive for a detailed understanding of the mechanical properties and define models capable of linking global behavior of cellular materials to bulk materials and microstructures. Working closely with research and development division of INTEREP, European leader in waterproof cellular rubber, an experimental characterization of the mechanical behavior of polymer foams of different natures and different topologies has been performed first. Then geometrical modeling was developed from micro structural observations of real foams in x-ray micro-tomography and from virtually generated microstructures through a physical description of polymer foams manufacturing process. Finally finite element simulation in 2D and 3D of these microstructures were coupled with the experimental characterization of bulk material allowing thus to reproduce and finely study deformation mechanisms experimentally observed on polymer foams and refine empirical behavior laws by taking into account additional characteristic parameter of cells statistical distribution in space like their location and their size distribution and shape.