La dégradation thermique qui accompagne inévitablement l'étape de mise en oeuvre, et l'utilisation des polymères de plus en plus importante dans des secteurs exigeants du point de vue de la durabilité (nucléaire, aérospatiale, aéronautique), où les polymères sont soumis à de fortes contraintes thermiques, chimiques (radiations, oxygène...), mécaniques, nous conduisent à nous impliquer fortement dans l'étude de la durabilité de ces matériaux. Notre objectif est de développer des modèles multi-échelle et multi-physique permettant la prédiction de la durée de vie des polymères et des composites. 

                                                                                                           

                                                                                                                       Approche multiéchelle du vieillissement

 

1. A l'échelle moléculaire, nous étudions les mécanismes de dégradation avec pour objectif de proposer des modèles cinétiques permettant de prédire la vitesse à laquelle la structure du polymère va évoluer sous l'effet de son environnement:

- dans le cas de vieillissements "chimiques" (hydrolyse, photo-, thermo- et radio-vieillissement), où l'objectif est de prédire les vitesses de coupures ou de soudures de chaines pour chacun de ces mécanismes. Nous sommes en particulier spécialisés dans la mise au point de schémas cinétiques simulant la vitesse de ce type de dégradation en fonction des conditions extérieures.

                                                                  

                                                                                                            Exemple de mécanismes de coupures de chaines dans les polymères

 

- dans le cas des processus "physiques" comme la diffusion et l'eau et d'autres produits chimiques dans un polymère, ou dans les cas où ces phénomènes de transfert sont couplés avec ceux du vieillissement chimique (par exemple dans le cas du couplage entre diffusion et réaction de l'oxygène, qui conduit à l'apparition de couches oxydées, ou dans le cas de couplage entre diffusion, évaporation et réaction des antioxydants), .

                                                                             

                                                                         Corrélation entre diffusion et solubilité de l'eau dans le cas de la diffusion non Fickienne de l'eau.

 

2. A l'échelle macromoléculaire, nous cherchons à établir des relations structure-propriétés permettant de prédire les modifications des propriétés physiques et en particulier mécaniques (élasticité dans les réseaux élastomères, plasticité dans les polymères linéaires, ténacité dans les réseaux thermodurs...) à partir du niveau d'endommagement (quantités de soudures et/ ou de coupures de chaines) estimées à partir de l'étude de la dégradation à l'échelle moléculaire et simulée par les modèles cinétiques.

 

Quelques exemples de dégradationd es réseaux: Variationd e la dose de dégel de réseaux à base de PMMA en fonction de la longueur des chaines élastiquement actives (a), diminution de la concentration en chaines léastiquement actives dans des réseaux polyester-uréthane pour différents scénario s d'auto-catalyse de la réaction par des acides carboxyliques (b) et effet de la cristallisation sous contrainte sur la ténacité d'un polychloroéthylène (c)

 

3. A l'échelle macroscopique, nous cherchons ensuite à établir les dommages induits par le vieillissement et en particulier prédire les variations des propriétés à la rupture des polymères et des composites  :  

- perte de plasticité et de ténacité dans les réseaux thermodurs:

                                                                                      

                                                         Prédiction de la contrainte maximale induite par le retrait dans des réseaux époxy-amine thermo-oxydés.                              

 

- Modélisation multiéchelle de l'endommagement des composites soumis à différents types de chargements afin de prendre en compte les phénomènes de dégradation locale dans les lois de comportement et dans les critères de fin de vie, afin de prédire la réponse mécanique du matériau en fonction de las microstructure. Nous effectuons par exemple des études de l'endommagement sous des chargements rapides ou des sollicitations répétées. L'étude d'essais interrompus (typiquement effectués dans une gamme de vitesse allant de (10^-4 - 400 s^-1) permet d'identifier la nature de l'endommagement (densité de fissure, délamination) puis de l'intégrer dans des lois de comportement qui ont vocation à être implantées dans des codes de calcul industriel.

                                                                       

                                                                                      Etude multi-échelle de l'endommagement d'un composite produit par SMC.