Mousses acoustiques à distributions de tailles de pores et interconnections contrôlées: Relations structures, propriétés, fabrications

par Cong truc Nguyen

Projet de thèse en Mécanique

Sous la direction de Camille Perrot.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) (laboratoire) et de Equipe de Mécanique (MECA) (equipe de recherche) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    1) Contexte. Les exigences accrues en matière de réductions d'émissions de CO2 à l'horizon 2020 impliquent, pour l'industrie automobile et les équipementiers, un effort significatif tourné vers l'allègement des traitements acoustiques - à performances égales ou supérieures. En parallèle, il existe des enjeux en termes de santé publique qui concourent au remplacement progressif des milieux fibreux par des mousses (les fibres dont les diamètres sont inférieurs à 6 µm sont susceptibles d'être cancérigènes si elles ne sont pas biosolubles). Des progrès peuvent être obtenus grâce aux avancées en termes de modélisations multi-échelles et multi-physiques (techniques d'imagerie avancée, méthodes d'homogénéisation, simulations numériques, mesures fines), qui permettent d'établir des liens réalistes et féconds entre structures et propriétés (acoustiques et mécaniques) des matériaux poro-(visco)élastiques. De plus, dans le contexte fortement concurrentiel de l'industrie de l'automobile, la recherche partenariale est un atout qui permet d'identifier les problématiques ou verrous scientifiques et technologiques à lever tout en constituant des équipes de travail interdisciplinaires et complémentaires (chimie et procédés d'une part, matériaux numériques d'autre part). Les développements récents portent notamment sur la compréhension du rôle des membranes comme moyen de contrôler les propriétés d'absorption et d'isolation des mousses. Ces développements ont été réalisés essentiellement sur la base de cellules unitaires périodiques tridimensionnelles. 2) Objectifs et travail envisagé. La prochaine étape clé réside dans le contrôle d'une distribution étendue de tailles de pores et d'interconnections. En d'autres termes, la thèse proposée vise à modéliser des volumes élémentaires représentatifs (VER) d'une complexité accrue; et les principaux objectifs spécifiques identifiés sont les suivants. (a) La modélisation de mousses à gradients de propriétés (gradients de tailles de pores). (b) La modélisation de mousses hétérogènes ou chaotiques (distribution étendue de taille de pores et d'interconnections dans un VER restreint). (b) La modélisation de mousses agglomérées ou composites (coexistence de fibres et résidus de mousses, vers une économie circulaire). Les verrous à lever se situent notamment aux niveaux de la modélisation morphologique de VER complexes (dont le coût de calcul augmente rapidement avec le nombre de cellules traitées), et de la prise en compte de la viscoélasticité dynamique (identification des propriétés de la matrice de base et homogénéisation numérique). Plusieurs stratégies peuvent être envisagées dans un soucis de compromis visant à capturer la physique sans recourir à des temps de calcul prohibitifs. Cela passe par l'utilisation de solveurs et moyens de calcul haute performance, et la réduction de modèles (séries de tubes de sections uniformes et de formes arbitraires, matrices de transferts séries et parallèles).

  • Titre traduit

    Acoustic foams with pore size distributions and controlled interconnections: Relationships between structures, properties, fabrications


  • Résumé

    1) Context. The increased demands on CO2 emission reductions by 2020 mean that the automotive industry and equipment manufacturers will have to make a significant effort to reduce acoustic treatments - with equal or better performances. At the same time, there are public health issues that contribute to the progressive replacement of fibrous media by foams (fibers with diameters below 6 μm are likely to be carcinogenic if they are not biosoluble). Progress can be made thanks to advances in multi-scale and multi-physical modeling (advanced imaging techniques, homogenization methods, numerical simulations, fine measurements), which make it possible to establish realistic and fruitful links between structures and (acoustic and mechanical) properties of porous (visco) elastic materials. Moreover, in the highly competitive context of the automotive industry, partnership research is an asset that makes it possible to identify the scientific or technological problems or locks to be lifted while constituting teams interdisciplinary and complementary work (chemistry and processes on the one hand, and digital materials on the other). Recent developments include the understanding of the role of membranes as a means of controlling the absorption and insulation properties of foams. These developments have been carried out essentially on the basis of periodic three-dimensional unit cells. 2) Objectives and work envisaged. The next key step is to control an extended distribution of pore sizes and interconnections. In other words, the proposed thesis aims at modeling representative elementary volumes (REV) of an increased complexity; and the main specific objectives identified are as follows. (a) Modeling of property gradient foams (pore size gradients). (b) Modeling of heterogeneous or chaotic foams (extended pore size and interconnection in a restricted REV). (b) Modeling of agglomerated or composite foams (coexistence of fibers and foam residues, towards a circular economy). The locks to be lifted are at the level of the morphological modeling of complex REVs (the computational cost of which increases rapidly with the number of cells treated), and taking into account dynamic viscoelasticity (identification of the properties of the matrix of base and digital homogenization). Several strategies can be envisaged in a concern for compromise to capture physics without resorting to prohibitive calculation times. This involves the use of high-performance solvers and calculation means, and the reduction of models (series of tubes with uniform sections and arbitrary shapes, serial and parallel transfer matrices).