L'unité d'enseignement est obligatoire.
Les cours sont dispensés en anglais.

 

Descriptif de l’Unité d’Enseignement

3 ECTS / 30 h

 Cours magistral : 13h30

 Travaux dirigés : 4h30

 Travaux pratiques : 8h

Equipe pédagogique
Coord. Xavier Colin (xavier.colin@ensam.eu, ENSAM Paris)

Xavier  Colin , ENSAM Paris, Xavier.COLIN@ensam.eu
Lucien Laiarinandrasana, PSL, lucien.laiarinandrasana@mines-paristech.fr
Bruno   Fayolle, ENSAM Paris,  bruno.fayolle@ensam.eu



Objectifs

Donner aux étudiants une vue générale des outils théoriques de prédiction de durée de vie de structures en polymère dans leurs conditions d’utilisation.

Présenter une application de ces outils au travers d'études de cas.

Aborder le problème du recyclage des polymères.

Applications

Dans un premier temps conçus pour résister aux chargements mécaniques statiques et dynamiques, les structures en polymère sont maintenant envisagées pour des applications à long terme (typiquement plusieurs dizaines d’années) dans des conditions environnementales de plus en plus sévères. Les concepteurs, familiarisés avec le domaine de la modélisation mécanique, sont de plus en plus demandeurs de modèles cinétiques leur permettant de faire entrer le facteur temps dans la conception. Les approches classiques, fondées sur l’utilisation (souvent infondée) de l’équation d’Arrhenius ou d’autres modèles totalement empiriques, sont de moins en moins compatibles avec les exigences actuelles de la conception et l’on observe une forte pression industrielle en faveur du développement de modèles de prédiction de durée de vie. Les actions récentes auxquelles les laboratoires des différents intervenants ont participé traduisent bien ce regain d’intérêt.

Thèmes abordés

Ce cours n’a pas la prétention de décrire tous les types de vieillissement susceptibles de se produire en pratique. Il a pour ambition de présenter une démarche générale de prédiction de durée de vie, applicable à tout problème de vieillissement d‘une structure en polymère, et de montrer le bien fondé de cette démarche aux travers de quelques études de cas soigneusement choisies. Pour ce faire, le cours sera divisé en trois grandes parties. Dans une première partie, on s’attachera à décrire les mécanismes de vieillissement chimique les plus courants (oxydation, hydrolyse) ainsi que leurs cinétiques correspondantes. Dans une seconde partie, une attention particulière sera apportée aux mécanismes de fragilisation aux échelles locale et globale en l’absence de tout chargement mécanique. Une fois l’état de fragilisation structural clairement défini, ses conséquences sur les caractéristiques mécaniques seront ensuite décrites. Les lois de comportement ainsi établies permettront d'aborder les outils de la mécanique de la rupture adaptés afin de prédire la durée de vie résiduelle de la structure. Cette démarche sera mise en œuvre aux travers de quelques études de cas ayant fait l’objet de recherches dans les laboratoires des différents intervenants.

Le plan du cours sera donc :

Mécanismes d’oxydation, hydrolyse.

Propriétés de transport des réactifs moléculaires.

Couplage diffusion/réaction.

Mécanismes de stabilisation.

Coupures de chaîne et des actes de réticulation.

Retrait « contrarié » de la couche superficielle dégradée.

Conséquences sur les propriétés mécaniques.

Mécanismes de fissuration fragile lente dans les polymères.

Mécanique de la rupture en viscoplasticité : approche globale et notion d'approche locale.

Fragilisation de tuyaux PE utilisés pour le transport de l’eau potable.

Endommagement et fissuration en fluage de tube extrudé travaillant sous pression interne.

• Mécanismes de vieillissement chimique, aspects cinétiques - CM 4h30, TD 3h00
• Fragilisation locale et globale - CM 4h30 TD 1h30
• Application de la mécanique de la rupture aux polymères - CM 6h TD 3h
• Introduction au recyclage des polymères - CM 1h30
• Etudes de cas - TP 6h

Exemples de stages de Master et de thèses liés à l'unité d'enseignement :

Vieillissement thermique de composites à matrice époxy (EADS, 2006/09).

Vieillissement thermique de propergols à matrice PBD (SNPE, 2004/07).

Propriétés à long terme de gaines de PEhd utilisées pour les ponts à haubans (LCPC, 2007/10).

Vieillissement thermique de joncs composites hybrides pour le renfort de ligne aérienne (EdF, 2007).

Développement de modèles de durée de vie des câbles synthétiques (EdF, 2008/11).

Vieillissement d’isolants de câbles électriques en PE et copolymères éthylène/propylène en ambiance nucléaire (EdF, 2003/06).

Le PET recyclé en emballage alimentaire : approche expérimentale et modélisation cinétique (2005/08).

Impact de la qualité de l’eau sur le vieillissement de produits innovants de robinetterie en matériau de synthèse (CSTB, 2008/11).

Endommagement et fissuration en fluage de polyéthylènes extrudés : approche locale – approche globale (GdF 2000/03).

Effet du vieillissement sur l'amorçage et la propagation de fissure par fluage dans le PEHD (2010/09).

• Aéronautique et espace :
• Génie Civil :
• Electricité :
• Nucléaire :
• Emballage alimentaire :
• Transport de fluides :

Evaluation

Travail Personnel de développement ou d'analyse d'articles : Rapport formaté (2 pages A4) + présentation orale (15 min)

Bibliographie

• X. Colin, B. Fayolle, L. Audouin, J. Verdu & X. Duteurtre, dans « Vieillissement et durabilité des matériaux », Série Arago 28, édité par G. Pijaudier-Cabot, OFTA, Paris, Chap. 3, p. 65, 2003.
• H.B.H. Hamouda, M. Simoes-Betbeder, F. Grillon, P. Blouet, N. Billon, R. Piques, "Creep damage mechanisms in polyethylene gas pipes", Polymer 42 (2001) 5425-5437.
• H. Ben Hadj Hamouda, L. Laiarinandrasana, R. Piques, "Fracture mechanics global approach concepts applied to creep slow crack growth in a medium density polyethylene (MDPE)", Engineering Fracture Mechanics 74 (2007) 2187-2204.