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Projet 1 : Confrontation de différentes techniques expérimentales de caractérisation et de modélisation à l'étude des propriétés mécaniques et physique de matériaux

Participants :

Dans le cadre des travaux développés par le LaBPS sur les thématiques du comportement adaptatif des tissus vivants et de la rhéologie des matériaux nouveaux à bases de polymères, des approches théoriques et notamment micromécaniques ont permis de développer des modèles originaux. Il est cependant nécessaire d’intégrer dans ces modèles, des grandeurs physiques souvent difficiles d’accès et que seule l’expérience permet d’obtenir.

Le LaBPS, par son laboratoire de caractérisation multi-physique des polymères (situé à Faulquemont), et les différents laboratoires de la fédération GI2M disposent des équipements qui permettent d’obtenir des informations sur les principales propriétés mécaniques et physiques des polymères. Ces caractérisations peuvent être réalisées au cours de chargement mécanique. Les propriétés des polymères dépendent, en grande partie de la micro-structure des polymères (orientation des chaînes des phases cristallines et/ou non-cristallines), de la structure à l’échelle mésoscopique (taille des cristallites ou des sphérolites, bunddles, clusters, ..). Selon l'information désirée, la mise en œuvre de techniques différentes et complémentaires de caractérisation est nécessaire.

La Laboratoire LMOPS développe des outils de caractérisations optique en particulier par spectroscopie Raman, avec comme objectif de montrer que la spectroscopie Raman est capable de fournir une information microstructurale précise d’un matériau polymère ou vivante  au même titre que d’autres techniques de laboratoire éprouvées comme la diffraction des rayons X ou la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). L’étude par spectroscopie Raman de l’influence des conditions de mise en forme sur la microstructure d’un polymère semi-cristallin (degré de cristallinité, teneur des phases en présence, orientation, phénomène différentiel cœur/peau…) doit répondre à cet objectif.

Le LETAM dispose des outils classiques de caractérisation des matériaux par diffraction des rayons X (contrainte interne, orientation cristalline, analyse quantitative de phase ...).  Dans le cas des polymères, la phase amorphe, comme la partie cristalline, peut être analysée. En effet, la modélisation de la diffraction de la phase amorphe permet d’obtenir une information pertinente sur sa structure (rayon de giration, degré de compacité, orientation des chaînes …).

Concernant le comportement des tissus vivants, les outils de caractérisation actuels ne semblent pas adaptés et il est nécessaire d’innover dans ce domaine.

C’est dans cette optique de caractérisation et de suivi des propriétés de matériaux vivants ou polymères qu’une collaboration commune entre ces trois laboratoires est  envisagée.

Action 1 : Application de capteur optique Raman dans le suivi de l’évolution des propriétés des matériaux polymère et vivant

La première action envisagée porte sur l’une des thématiques développée par le laboratoire LaBPS concernant le  comportement adaptatif des tissus vivants. Ces études visent à reproduire le comportement évolutif des tissus vivants en fonction des chargements thermomécaniques qui leurs sont appliqués, ou de traduire l’évolution microstructurale en fonction de l’état de déformation et de contrainte.

L’intérêt d’une telle approche est bien évidemment de s’appuyer sur la physique des phénomènes, mais pour confronter et alimenter le modèle, il est nécessaire de pouvoir accéder à la mesure expérimentale de l’évolution des paramètres du modèle.

Ce travail porte plus précisément sur le remodelage osseux dans le cas de la reconstruction faciale suite à un accident balistique (thèse Cifre en cours) et sur l’évolution des propriétés de l’os à l’interface os/implant. Une thèse a été soutenue en janvier 2008 sur ce dernier thème appliqué à l’implantologie dentaire. L’intérêt d’une telle approche est bien évidemment de s’appuyer sur la physique des phénomènes, mais pour confronter et alimenter le modèle, il est nécessaire de pouvoir accéder à la mesure expérimentale de l’évolution des paramètres du modèle. C’est dans ce cadre qu’est envisagée une collaboration avec les deux autres laboratoires. En effet les compétences du laboratoire LMOPS  sur la caractérisation Raman et la conception de capteurs optiques, en particulier Raman, et celle du LETAM sur le  suivi des caractéristiques micro-structurales ouvrent des perspectives très intéressantes de suivi des propriétés de l’os ou des implants en fonction du temps ou des sollicitations mécaniques.

Action 2 : Application des techniques expérimentales RX et Raman à la caractérisation fine des polymères, confrontation avec la modélisation

Le LaBPS travaille également sur le développement d’un modèle micromécanique et physique du comportement des polymères. Il a été appliqué dans le cas du polycarbonate aux grandes vitesses de déformation (dans le cadre d’une thèse : Dreistadt, 2007).

Une démarche identique à celle qui a été évoquée précédemment est envisagée, mais son champ d’application se limitera aux polymères ou alliage de polymères.

Il s’agira dans cette action de proposer et de développer les outils  nécessaires à la détermination des grandeurs physiques susceptibles d’être intégrés dans les modèles micro-mécaniques développés, et d’autre part de confronter les résultats attendus aux résultats issus de l’expérience. Il s’agira également de confronter les résultats obtenus par les diverses techniques sur des objets physiques identiques (tenseur des contraintes et orientation des chaînes polymériques par DRX et par spectrométrie RAMAN,  par exemple).

Publications :

Thèses soutenues :

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