Propriétés élastiques et viscoélastiques de matériaux composites adaptatifs : du traitement de surface des charges au comportement magnétorhéologique

Elastic and viscolelastic properties of smart composite materials : from the surface coating of the particles to the magnetorheological behaviour

• Auteur / Autrice : Eric Coquelle
• Direction : Georges Bossis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Viscoélasticité

Élastomères

Résumé

Les élastomères magnétorhéologiques sont des matériaux composites actifs, aux propriétés mécaniques contrôlées par un champ magnétique. Ils sont composés de particules magnétiques, structurées en chaînes unidirectionnelles au sein d’une matrice élastomère silicone. Les essais sous champ ont révélé un fort accroissement des propriétés mécaniques : jusqu’à 35kPa pour un module de 62kPa en traction statique, et en dynamique un gain sur E��� de 600kPa à ε=1%, qui atteint même 21MPa à ε=10-5 ! Dans ce dernier cas, la structuration en chaînes va de pair avec une nette augmentation de l’effet Payne et de la dissipation d’énergie, encore accentuée en présence d’un champ, même modeste (15kA/m). L’hypothèse avancée est un décollement progressif de l’élastomère des charges sous l’effet des fortes contraintes locales, entre deux particules (en quasi-contact). Pour faciliter l’étude, un traitement de surface à base de molécules couplantes, fonctionnelles, a été mis au point. La modélisation a d’abord été effectuée sur un système macroscopique (où tous les paramètres sont contrôlés), et validée par des simulations par éléments finis (FEM). Une méthode de milieu effectif prédit le comportement du composites aux charges greffées (avant décollement), tandis qu’une approche semi-analytique, utilisant un critère de décollement de Griffith, calcule le comportement viscoélastique du composite MR. La complexité de la microstructure et son évolution ont été évaluées, sous champ, par des cycles quasi-statiques (aboutissant à des σ de -40kPa à ε=0) et des mesures de magnétostriction. D’autres propriétés originales peuvent être obtenues : piézorésistivité, bandes périodiques (guides magnétiques).

Magnetorheological elastomers are smart composite materials, whose properties can be controlled by a magnetic field. They are made of magnetic particles, structured in unidirectional chains inside a silicone elastomer. Under field, the tests have revealed a high increase of the mechanical properties: up to 35kPa for a modulus of 62kPa in quasistatic tension, and in dynamic solicitation a raise of E’ of 600kPa at ε=1%, which can even reach 21MPa at ε=10-5! In this latest situation, the structuring of the particles in chains also results in a sharp increase of Payne effect and the energy dissipation, much more pronounced under field, even a tiny one (15kA/m). We assume that the bonds between the polymer and the particles progressively break due to the high local stresses between two particles (in quasi-contact). To ease the study, a chemical treatment of the surface of the particles has been set up thanks to functional molecules. The modelling has firstly been built on a macroscopic system (where all the parameters are controlled), and validated by finite elements simulations (FEM). An effective medium method can predict the behaviour of a composite with grafted particles (before debonding), whereas a semi-analytical approach, using a Griffith debonding criteria predicts the viscoelastic behaviour of the MR elastomer. The complexity of the microstructure and its evolution have been evaluated, under field, by quasi-static cycles (leading to a σ of -40kPa at ε=0) and magnetostriction measurements. Other properties can be obtained, such as: piezzoresistivity, periodic stripes (magnetic guides).