Thèse en cours

Modélisation multi-échelle et propriétés mécaniques de structures cristallines anisotropes typiques à l'échelle nanoscopique
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Triangle exclamation pleinLa soutenance a eu lieu le 03/03/2016. Le document qui a justifié du diplôme est en cours de traitement par l'établissement de soutenance.
Auteur / Autrice : Jia Fu
Direction : Fabrice Bernard
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Doctorat Science et Technologie,Sciences des Matériaux et Génie Civil
Date : Inscription en doctorat le 09/10/2012
Soutenance le 03/03/2016
Etablissement(s) : Rennes, INSA
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)

Résumé

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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.