polymères, verres - stemet matériaux 1 µm 500 nm hétérogènes · t.deplancke) [jauffres acta...
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PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
wet-
ST
EM
ST
EM
-en
-
SE
M
250 nm
1 µm 1 µm
500 nm
1 µm
1 µm
Polymères, VerresMatériaux
hétérogènes
Bilan 2009-2014 et Perspectives
1
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
1) Présentation Générale de PVMH
Quelques données quantitatives
L’équipe (au 1/1/2014):o 8 enseignent chercheurs et chercheurs permanents + 2 prof. émérites( 1+2 Pr, 1 Dr, 1+ 3 MdC dont deux en bi appartenance)1 secrétaire (½ ), ½ + ½ technicienso >6 doctorants, 3 post-docs, + Masters
Production scientifique 2009-2014oPublications RICL >98 oCommunications : Conf. inv. >29, CO >50 o1 brevet déposéo17 Thèses soutenues (+4 codirections >50%)
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects prospectifs
1 µm
2
Section:
CNU: 28
CNRS: 9, 11
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Comprendre les relations entre
• Elaboration et microstructures
• Microstructures et comportement mécanique
• Modifications microstructurales et sollicitations
Procédé Morphologie PropriétésLois de
comportement
CHIMIE MECANIQUE
Optimisation Modélisation basée sur
une approche physique
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects prospectifs
Positionnement scientifique du Groupe PVMH
Matériaux: Polymères amorphes et semi-cristallins, Matériaux (nano)composites,
Verres métalliques, Matériaux méso-poreux
3
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Thématiques transverses
Rec
her
che
am
on
t
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects prospectifs
Principales thématiques de recherche
3 Mécanismes de déformation des polymères semi-
cristallins
2 Structure des élastomères et comportement mécanique
1 Mobilité moléculaire et comportement mécanique des
matériaux amorphes
4
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects prospectifs
1 Mobilité moléculaire et comportement mécaniques des
matériaux amorphes
Quels sont les processus impliqués dans le durcissement structural
(contribution des effets entropiques ) ? Lien entre fragilité et temps de relaxation?
5
Mobilité moléculaire Loi de comportement Calcul de structure
)t,T,(f cne
DQP
DQP activé
MDC
coalescenceDQP créé
Plan de
cisaillement
t
DQP
DQP activé
MDC
coalescenceDQP créé
Plan de
cisaillement
t
a
b c
Rinaldi et al. ,Int. J Non lin. Mech2010a, 2010b
Coll. LAMCOS
Etudes de verres métalliques de différentes
compositions (thèse J.C. Qiao 2013)Coll. SIMAP (Grenoble), Univ. Tohoku (Japon), Univ. Pékin (Chine)
[Qiao et al. Intermetallics 2011a, 2011b, 2012 a, 2012 b] , [Qiao et al. J non Crist Sol.2011] , [Qiao al. Physi. Stat Sol. 2011], [Qiao et al. J. Appl. Phys 2012 a, 2012 b], [Pelletier et al. Acta Mat. 2011]…
Relaxations b influencées par les enthalpies de mélange des différents atomes
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects prospectifs
Thèse C. Souillard (Michelin): lien entre microstructure (chimie), temps de relaxation a/b
dans les élastomères, modélisation par DM (activité transverse)
Maximum de
dissipation à
une fréquence
et température
données
Log(ω)
G’
ou
G’’
G’
G’’
Fréquence au max
Questions ouvertes :-Lien entre les différentes relaxations,(a et b), et entre relaxations et plasticité
-Distribution des temps caractéristiques et hétérogénéités spatiales (effet de T, t, )
1 Matériaux amorphes
- Modélisation performante des amorphes : histoire
thermomécanique, grandes vitesses, fatigue, durabilitéSur le long terme
6
Court et moyen termes:
Recrutement MdC C. Fusco: Simulation par dynamique moléculaire des
amorphes; comparaison de différents systèmes, passage micro-macro (groupe
transverse de modélisation) ; Participation GDR verre.
Création d’une thématique transverse « verres métalliques », Collab. avec Univ.
Tohoku (Japon), Univ. Pékin (Chine), ILM.
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
2 Structure des élastomères et comportement mécanique
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects prospectifs
[Gherib et al. JPSP tB 2010]
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
510 kG y
300 kG y
165 kG y
50 kG y
0 kG y
Tru
e s
tre
ss
(M
Pa
)
True stra in
T>Tfusion
[Planes et al. Polymer 2009]
Rupture ? Différents paramètres:
architecture, chaines
pendantes?
Role de la cristallisation sous
tension dans le comportement
mécanique, en rupture, aspects
dynamiques ?
CPR Copola, thèse CIFRE Nexans/EDF
7
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
[Candaul et al. Polymer 2012, Macromolecules 2014]
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects prospectifs
2 ElastomèresDynamique de la cristallisation sous tension
Thèse N. Candau (cifre Michelin)
Etude WAXS in situ sous sollicitation
dynamique (ESRF/Soleil)
Mise en évidence d’un temps
caractéristique de cristallisation
8
[Candaul et al. Polymer 2012, Macromolecules 2014][Candaul et al. Polymer 2012, Macromolecules 2014]
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
2 Elastomères
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects prospectifs
Questions ouvertes :- Mécanismes de cristallisation: nucléation? croissance? couplage avec la mécanique? heterogénéités
spatiales? …
- Rôle des hétérogénéités de réticulation et des enchevêtrements dans la rupture des élastomères
Modélisation par Elements discrets
Court et moyen terme Modélisation par champ de phase (thèse R. Laghmach Region -> collab. LPMCN-ILM)
Etude expérimentale de réseaux élastomères dégradés par irradiation (thèse A. De Almeida
(soutenue en 2014) -> thèse F. Grassland (Michelin, début 2015))
Modélisation par éléments discrets et dynamique moléculaire des élastomères (thèse M.
Mahaud EDF /activité transverse)
Modélisation de la rupture / fissuration des élastomères
(cristallisables ou non)A plus long terme
9
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Approche expérimentale
Lien entre la microstructure et
les processus de déformation
(plasticité, endommagement)?
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects
Tie molecule
Entanglement
Cilialocal
Cavitation?
Crystallite
Shearing ?
Lamella scale (equatorial zone) spherulite scale
local
local?
Amorphous
Behaviour ?
Mechanical
coupling ?
Tie molecule
Entanglement
Cilialocal
Cavitation?
Crystallite
Shearing ?
Lamella scale (equatorial zone) spherulite scale
local
local?
Amorphous
Behaviour ?
Mechanical
coupling ?
3 Mécanismes de déformation des polymères semi-cristallins
O (110)
O (200)
O (110)
O (200)
TransformationMartensitique
Cavitation
SAXS
WAXS
Lp
b
Cisaillement
Faits marquants:
Prédiction de la compétition cavitation/cisaillement
Quantification du rôle des molécules lien
[Humbert et al. Polymer 2009, JPS Pt B 2010, Macromolecules 2010], European Polym J. 2012]
Essais in situ (Thèse S. Humbert)
10
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Etude par modélisation
Glassy phase
deformation
Tie chains
and
cut chains.
Glassy
Glassy
Rubbery
Augmentation du nb
des molécules liens
Effet des molécules liens
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects
3 Semi-cristallins
Limite élastique
Résistance à la cavitation
[Macke et al. J. Chem. Phys. 2009, Macromol. Theory Simul 2011, Macromolecules 2012, Proc.Nat.Acad Sci. 2012]
Modélisation par
dynamique moléculaire
(collaboration LPMCN-ILM)
Activité transverse
(Thèse A. Makke)
Faits marquants:
11
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Questions ouvertes :-Mécanismes locaux : initiation de la plasticité, fragmentation des cristallites?
-Module du polymère confiné dans un empilement (// avec matrice confinée dans les
élastomères chargés)
-Couplage mécanique, passage micro/macro : lamelle-spherolite-ensemble de sphérolites
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects
Court et moyen termes : Expériences fines et originales pour identifier les mécanismes:
-par SAXS et WAXS (thèse B. Xiong, thèse C. Millot (Rhodia) )
-exploration du potentiel de l’émission acoustique (thèse N. Casiez)
Modélisation par dynamique moléculaire (Activité transverse, collab J.L. Barrat)
recrutement MdC C. Fusco
3 Semi-cristallins
A plus long terme Modélisation du comportement et de la durabilité
des semi-cristallins
12
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
1 Mobilité moléculaire et comportement mécanique des
matériaux amorphes
3 Mécanismes de déformation des polymères semi-
cristallins
2 Architecture des élastomères et comportement mécanique
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects
Principales thématiques
de recherche
Rec
her
che
am
on
t
Thématiques transverses
Pro
céd
és
inn
ova
nts
Maté
riau
x a
rch
itectu
rés
Du
rab
ilit
é d
es
maté
riau
x
13
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Principales thématiques de recherche
Thématiques transversesP
rocéd
és
inn
ova
nts
Maté
riau
x a
rch
itectu
rés
Du
rab
ilit
é d
es
maté
riau
x
•Dégradation d’élastomères chargés (thèse A. De
Almeida, F; Grassland)
[Planes et al. Polym Deg Stab 2010, CST 2010, JPS PtB2010]
•Matériaux biodégradables(postdoc T. Muoz, R. Cretois)Activité transverse
[Peroglio et al. 2011] [Calvao et al. Polym Int 2011] [Magdallanes-Perdo et al. 2012] [Ginsac et al J. Bio Mat Res 2010].
• Pour une réponse mécanique optimisée
(Recrutt MdC R. Rinaldi)
-Nanocomposites (recrutt MdC F.
Dalmas, coll. C2P2)
- Polymères auto-associatifs (postdoc C. Vechambre, ANR Supradhesion, coll. SIM)
- Elastomères architecturés (thèse A. Stricher, coll. IMP)
- Multimatériaux (thèse L.
Guillemot, M. Michelin-Jamois, Coll. liphy), M. Zehard (coll. LVA)
• Multifonctionnels(thèse M. Jomaa, J.P. Jose, ANR SLIM coll. ICG)
[
[Masenelliet al. 2009] [Calvao et al. 2011] , [Magdallanes-Perdo et al. 2012] , [Ginsac et al J. Bio Mat Res 2010], [Faucheux et al. Polymer 2010, Polymer 2010, , Langmuir 2009]. …
[Wongtimmoi et al. CST 2011, Diguet et al. J. Mat Mag Mag Mat 2009, Smart Mat Struct. 2012, JAP 2012],]
•Optimisation du frittage et autres procédés (CGV, SPS…), coldspray(POM, UHMWPE…)Activité transverse(thèses N. Doucet 2012 Tiana Deplancke 2013, postdoc P. Bizi-bandoki,
T.Deplancke)[Jauffres Acta Mat 20009Dupin et al. European Polym J.,2012]
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
-Comment concevoir une architecture pour
optimiser une propriété: Compréhension et optimisation
des couplages? Quel VER, modélisation multiéchelle? Quelle
loi de comportement ?
- mieux caractériser : Quel VER? Nouvelles techniques?
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects
Matériaux architecturés
Exemple:
matériaux électrostrictifs
ExpériencesModélisation
Forces résultant
du gradient de
champ dû au
gradient de
composition
chimique
Forces
résultant du
gradient de
champ dû à la
courbure de
l'interface.
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Questions ouvertes :Compréhension et optimisation des couplages? Quel VER pour une modélisation multiéchelle? Quelle loi de
comportement ?
Quel VER et quelles techniques pour la caractérisation ?
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects
Court et moyen termes :
Matériaux électostrictifs: Thèse M. Jomaa (nouveaux matériaux électrostrictifs),
Nouveaux équipements diélectriques, nouveaux matériaux
Etudes de nouveaux matériaux:
(i) Nanocomposites (collab U. Kerala ; ANR Polydhraft)
(ii) Adhésif nanostructurés (ANR Supradhésion Post C. Vechambre)
(iii) Elastomères architecturés (ANR SAMBA Thèse A. Stricher)
Recrutement MdC R. Rinaldi (Conception, modélisation/ lien Plasturgie), et F.
Dalmas (caractérisation SNMS): BQR Vivarium, participation GISMAT
(dépôt ANR Japon, ANR MATAMOR, ANR sms),
Matériaux architecturés
Sur le long termeDéveloppement d’outils d’analyse et de modélisation de
matériaux multi-échelles et multifonctionnels
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
500 nm
Une recherche fondée sur une caractérisation fine des matériaux
Activité transverse à MATEIS
- Essais in situ sous déformation
Ex: traction grande vitesse sous rayons X
microscopie sous déformation…
- WET-STEM et STEM…
Développement constant des moyens de caractérisation microstructurale
Perspectives dans le domaine
de la caractérisation :
Développement de la tomographie électronique des matériaux polymères
(thèse Yang Liu 2013-> Recrutement F. Dalmas)
Utilisation des nouveaux équipements (tomographe X, nouveau microscope)
[Faucheu et al. Langmuir 2009]
PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Nouveaux procédés:
• CETIM: 2 thèses soutenues
Comportement et durabilité des élastomères:
• Michelin: 2 thèses en cours, 2 soutenues en 2014,
• Nexans et EDF: 1 thèse soutenue, 1 thèse en cours
Comportement mécanique des semi-cristallins et de leurs composites:
• Rhodia: 1 thèse soutenue, 1 en cours
• Arkema: 1 thèse en cours
•+ contrat court terme: Mecaplast, INEOS
Dissipation d’énergie:
• DGA et Astrium: 1 thèse soutenue, 1 thèse en cours
• Renault: 1 thèse en cours
Des thématiques en lien avec les problématiques industrielles (2009-2014)
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects
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PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Financements (2009-2014)
Des financements industriels mais aussi:Europe : PI NapoleonFrance : ANR (Thommi, SLIM, Supradhesion, Napoleco, polycoustic, SAMBA), CPR (Coppola), ADEME (Boreve), FUI (PVCLin, Hobbit), Institut Carnot I@Lyon (Polymems) , Cluster Macodev/Arc Energie (bourses de thèse)
Présentation Générale de PVMH Présentation thématique Autres aspects prospectifs
Collaborations internationales (2009-2014)
Université Tohoku Japon : « ELyT lab » : groupe PolymIrrad, groupe BulkMetGlass,
groupe PolymCoatCavitation, Proactive Specialist Committee deTohoku Hokkaido Cluster
USP Bresil (carnot Ardent)Inde: Université du Kerala
Europe : Projet Intégré NAPOLEONChine: Université de Pekin, Université de Hong Kong.
USA: US navy Research
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PVMH Bilan 2009-2014 et Perspectives
Positionnement spécifique dans un environnement favorable aux polymères (ICL, GRPP, poles de comp. Axelera et Plastipolis): Expériences originales identification mécanismes, intégration de la physique dans la modélisation des propriétés physiques et mécaniques
Conclusion
Challenge : progresser au niveau amont
(thématiques scientifiques) sans négliger les
thématiques transverses
Bilan 2009-2014:
Baisse temporaire des effectifs sur la période …sans diminution de l’activité
scientifique (et toujours forte implication des chercheurs: co-direction ELyT, vice
président CNU section 28, responsabilités de la physique 1er Cycle INSA, direction Ecole Doctorale Matériaux, CA INSA, CS INSA, CE INSA… ) ; intégration déjà très
forte des nouveaux MdC
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