Multiscale modeling and mechanical properties of typical anisotropic crystals structures at nanoscale

par Jia Fu

Thèse de doctorat en Doctorat Science et Technologie,Sciences des Matériaux et Génie Civil

Sous la direction de Fabrice Bernard.

Thèses en préparation à Rennes, INSA , dans le cadre de Sdlm depuis le 09-10-2012 .

  • Titre traduit

    Modélisation multi-échelle et propriétés mécaniques de structures cristallines anisotropes typiques à l'échelle nanoscopique


  • Résumé

    Avec le développement des technologies de modélisation, les recherches sur les matériaux se sont d’abord étendues de l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique, puis de l’échelle microscopique à l’échelle nanoscopique. Le développement d'outils de modélisation moléculaire pour décrire et prédire les propriétés mécaniques des matériaux se révèlent être d’une importance pratique indéniable. A l’échelle nano, les matériaux présentent des propriétés anisotropes. La modélisation à l'échelle nanoscopique et la détermination des propriétés mécaniques, en utilisant la théorie de la densité fonctionnelle (DFT), la Méthode des Eléments Finis Atomiques (AFEM), et la méthode classique de la Dynamique Moleculaire (MD) sont particulièrement concernées. Cette thèse est dédiée à la modélisation et aux calculs des propriétés mécaniques (module de Young en particulier), par les trois méthodes présentées ci-dessus, de structures cristallines anisotropes typiques (structures cubiques: CaO et MgO; structures hexagonales: CH et Calcite; structures monocliniques: tobermorite 11 Å et gypse). Par ailleurs d’autres structures sont étudiées pour valider les outils développés: structures monolithique de C-S-H(I) (Ca/Si = 0,67) et C-S-H(II) (Ca/Si =1,67); les nanotubes de carbone (CNT) et le graphène). Les modules élastiques sont ensuite calculés soit par homogénéisation soit par calcul de la courbe contrainte -déformation. Finalement, des expériences de nanoindentation, des analyses au Microscope Electronique à Balayage (MEB) et des simulations de nanoindentation sont effectuées pour déterminer et valider les modules élastiques de plusieurs phases des pâtes de ciment hydratées. Pour les 10 structures cristallines mentionnées ci-dessus, les résultats correspondants sont les suivants: (1) Pour les CNT, le graphène et la portlandite CH, en utilisant la méthode AFEM, les modules de Young sont respectivement 1.05TPa, 996.49GPa et 43,13GPa. (2) Pour les structures cubiques et hexagonales, utilisant la méthode DFT (par GGA) et la technique d’homogénéisation analytique par le paramètre Y, les modules de Young de CaO, MgO, CH et calcite sont respectivement 175.76GPa, 293.17GPa, 45.46GPa (par LDA) et 84.54GPa. (3) Pour les structures monocliniques de la tobermorite 11 Å et du gypse, utilisant la méthode DFT (par GGA) et la méthode d’homogénéisation Reuss-Voigt-Hill, les modules de Young sont de 79.51GPa et 54.30GPa. (4) Pour les structures de C-SH(I) et C-S-H(II), en utilisant la vitesse de déformation de 10-3 ps-1 par MD, les modules de Young sont de 59.37GPa et 60.95GPa. Des tests de nanoindentation et leur simulation, couplés à des analyses par MEB, ont permis de valider les simulations menées à l’échelle nanoscopique: ainsi les modules élastiques expérimentaux des phases CH, LD C-S-H et HD C-S-H, sont en moyenne de 44.7GPa, 22.05GPa et 33.52GPa. L’ensemble de ces données fournissent des paramètres utiles pour la construction de la plateforme MuMoCC. En résumé, en plus des méthodes traditionnelles de DFT et de MD, la méthodologie de modélisation par AFEM à l'échelle atomique ou nanométrique peut également être une méthode efficace dans les modèles spécifiques. Les méthodes multi-échelles, incluant la méthode AFEM, relie la modélisation à l'échelle nanoscopique aux aspects continus du comportement mécanique en identifiant les paramètres pertinents des petites échelles à transmettre aux plus grandes échelles. La méthodologie a donc des perspectives d'applications importantes.


  • Résumé

    With the development of the modeling technology, the scale of material has expanded from macro to micro, also from micro to nano-scale. The development of molecular modeling tools to describe and predict the mechanical properties of materials reveals an undeniable practical importance. At the nanometer scale, materials exhibit anisotropic properties. Nanoscale modeling and mechanical properties by using the Density Functional Theory (DFT), a so-called Atomic Finite Element Method (AFEM), and the classical Molecular Dynamics (MD) method are especially concerned. This thesis is committed to model and to calculate mechanical properties (Young’s modulus especially) of typical anisotropic crystals structures (cubic crystals: CaO and MgO; hexagonal crystals: CH and Calcite; monoclinic crystals: 11Å tobermorite and gypsum; In addition, other structures are studied to validate the tools developed: monolithic structures: C-S-H(I) (Ca/Si=0.67) and C-S-H(II) (Ca/Si=1.67); CNT and graphene) by programming with using three methods above. Elastic moduli are separately calculated by either homogenization or stress-strain curve by the corresponding numerical simulations. Finally, nanoindentation experiments, Scanning Electron Microscope (SEM) and nanoindentation simulations are carried out to determine elastic moduli of several phases in cement pastes. For these 10 kinds of crystals structures, the corresponding results are as follows: (1) For the structure of CNT, graphene and CH using AFEM method, the Young’s moduli are separately 1.05TPa, 996.49GPa and 43.130GPa. (2) For the cubic crystals and hexagonal crystals, using DFT calculation (GGA method) and Y-parameter homogenization, Young’s moduli of CaO, MgO, CH and Calcite are separately 175.76GPa, 293.17GPa, 45.46GPa (by LDA) and 84.54GPa. (3) For the monoclinic crystals of 11Å tobermorite and gypsum, using DFT calculation (by GGA method) and classical Reuss-Voigt-Hill homogenization, Young’s moduli are separately 79.51GPa and 54.30GPa. (4) For the C-S-H(I) and C-S-H(II) structures, using MD simulation, Young’s moduli at the strain rate of 10-3 ps-1 are separately 59.37GPa et 60.95GPa. Nanoindentation tests and simulation, coupled with SEM analysis, are used to validate the simulations conducted at the nanoscale: the experimental elastic moduli of CH, LD CSH and HD CSH phases, are averaged to 44.7GPa, 22.05GPa and 33.52GPa, respectively. These investigations provide useful parameters for the construction of the MuMoCC platform (Multi-scale Modelling of Computational Concrete). In short, in addition to the traditional DFT and MD methods in the application of typical crystals structures mentioned above, AFEM simulation methodology at the atomic scale (or nanoscale) can also be an effective method in the specific models. Multiscale methods, including the AFEM method, therefore connects nanoscale modeling and continuous pattern of deformation behavior by identifying relevant parameters from small scales to larger scales. The methodology therefore has the prospect of significant applications.