Contact of a spherical probe with a stretched rubber substrate

We report on a theoretical and experimental investigation of the normal contact of stretched neo-Hookean substrates with rigid spherical probes. Starting from a published formulation of surface Green's function for incremental displacements on a pre-stretched, neo-Hookean, substrate (L.H. Lee \textit{J. Mech. Phys. Sol.} \textbf{56} (2008) 2957-2971), a model is derived for both adhesive and non-adhesive contacts. The shape of the elliptical contact area together with the contact load and the contact stiffness are predicted as a function of the in-plane stretch ratios $\lambda_x$ and $\lambda_y$ of the substrate. The validity of this model is assessed by contact experiments carried out using an uniaxally stretched silicone rubber. for stretch ratio below about 1.25, a good agreement is observed between theory and experiments. Above this threshold, some deviations from the theoretical prediction are induced as a result of the departure of the mechanical response of the silicone rubber from the neo-Hokeean description embedded in the model

A Simple Analytical Model of Evaporation in the Presence of Roots

Root systems can influence the dynamics of evapotranspiration of water out of a porous medium. The coupling of evapotranspiration remains a key aspect affecting overall root behavior. Predicting the evapotranspiration curve in the presence of roots helps keep track of the amount of water that remains in the porous medium. Using a controlled visual set-up of a 2D model soil system consisting of monodisperse glass beads, we first perform experiments on actual roots grown in partially saturated systems under different relative humidity conditions. We record parameters such as the total mass loss in the medium and the resulting position of the receding fronts and use these experimental results to develop a simple analytical model that predicts the position of the evaporating front as a function of time as well as the total amount of water that is lost from the medium due to the combined effects of evaporation and transpiration. The model is based on fundamental principles of evaporation flux and includes empirical assumptions on the quantity of stoma in the leaves and the transition time between regime 1 and regime 2. The model also underscores the importance of a much prolonged root life as long as the root is exposed to a partially saturated zone composed of a mixture of air and water. Comparison between the model and experimental results shows good prediction of the position of the evaporating front as well as the total mass loss from evapotranspiration in the presence of real root systems. These results provide additional understanding of both complex evaporation phenomenon and its influence on root mechanisms.Comment: 10 pages, 6 figure

Kinetics of Gravity-Driven Water Channels Under Steady Rainfall

We investigate the formation of fingered flow in dry granular media under simulated rainfall using a quasi-2D experimental set-up composed of a random close packing of mono-disperse glass beads. Using controlled experiments, we analyze the finger instabilities that develop from the wetting front as a function of fundamental granular (particle size) and fluid properties (rainfall, viscosity).These finger instabilities act as precursors for water channels, which serve as outlets for water drainage. We look into the characteristics of the homogeneous wetting front and channel size as well as estimate relevant time scales involved in the instability formation and the velocity of the channel finger tip. We compare our experimental results with that of the well-known prediction developed by Parlange and Hill [1976]. This model is based on linear stability analysis of the growth of perturbations arising at the interface between two immiscible fluids. Results show that in terms of morphology, experiments agree with the proposed model. However, in terms of kinetics we nevertheless account for another term that describes the homogenization of the wetting front. This result shows that the manner we introduce the fluid to a porous medium can also influence the formation of finger instabilities.Comment: 13 pages, 7 figure

Mécanismes de collage et de transfert de films monocristallins dans des structures à couches de polymères

Les matériaux polymères sont à l'heure actuelle peu considérés dans le vaste domaine des micro et nano technologies. Ils présentent toutefois certaines propriétés remarquables en comparaison des matériaux traditionnels de la microélectronique. Par exemple leur déformabilité et leur légèreté permettent d'envisager des fonctions de supports flexibles pour des composants électroniques. Par ailleurs, ils offrent des solutions d'assemblage de matériaux de diverses natures. Cette étude porte précisément sur ces deux thématiques. En premier lieu, nous avons étudié les mécanismes de collage impliqués dans l'assemblage de substrats de type silicium par une couche de polymère. D'autre part, nous avons proposé des modèles de mécanisme de transfert de films monocristallins sur polymère. Les propriétés mécaniques des matériaux considérés, principalement du silicium monocristallin et des polymères de type vitreux et caoutchoutique, ainsi que leurs épaisseurs, peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur selon la configuration considérée. L'originalité de l'étude est de déterminer et d'aborder des configurations expérimentalement favorables, par des modèles mécaniques simples, élaborés à partir de lois d'échelle. Nous avons proposé, dans un premier temps, ces modèles pour expliquer des résultats liés à des configurations particulières et ainsi démontrer la pertinence de cette approche. Le cœur de notre étude porte sur le transfert de films monocristallins, aussi fins qu'une centaine de nanomètres d'épaisseur, sur polymère par adaptation du procédé Smart-CutTM (transfert par implantation ionique et fracture). En comparaison d'une configuration standard de cette technologie, nous avons notamment étudié l'impact des propriétés mécaniques propres aux polymères (de types vitreux ou caoutchoutique). Les méthodes en loi d'échelle nous ont ainsi permis de proposer des mécanismes de transfert, de l'échelle du nanomètre jusqu'à la fracture macroscopique. Nous avons également exposé un exemple d'application concret par la réalisation d'objets microélectroniques modèles sur et dans un film monocristallin de silicium. La structure, composée d'un film de quelques micromètres d'épaisseur supporté par un polymère, constitue ainsi une structure flexible d'un point de vue mécanique.Polymers are little considered at the moment, in the wide domain of micro- and nano- technologies. They present however certain remarkable properties by comparison with the materials used in microelectronics. For example their flexibility and their lightness allow thinking to polymers as flexible supports for microelectronic components. Besides, they offer solutions for assembling various materials.This study concerns exactly these two items. First of all, we studied bonding mechanisms implied in the assembly of silicon wafers via polymer layers. Then we proposed models for mechanism of single-crystalline layer transfers onto polymers. The mechanical properties of the considered materials (mainly single-crystalline silicon and glassy or rubber polymers) as well as their thicknesses can vary on several orders of magnitude according to the application.The originality of the study is to determine favorable experimental configurations, by simple mechanical models developed from scale laws, and to realize demonstrators. The heart of our study concerns the transfer of single-crystalline layers as thin as about hundred nanometers onto polymers by tuning of the Smart-CutTM technology (based on ion implantation and splitting for transfer). By comparison with a standard configuration of this technology, we studied the impact of the specific mechanical properties of polymers (glassy or rubber types). The methods in scale laws allowed us proposing transfer mechanisms, from the nanometer scale up to the macroscopic one. Finally we reported on a realization of micro-technology devices, made in and on single-crystalline thin silicon membranes. The stacked structures, consisting in silicon membranes thick of a few micrometers supported by polymer films, may be considered as very flexible structures.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Frottement et adhésion d’élastomères dans des contacts en torsion

Les interactions entre adhésion et frottement sont un sujet encore largement ouvert en Tribologie. Ces phénomènes interviennent de façon cruciale lors de la mise en frottement – ou striction – de contacts mettant en jeu des élastomères. Nous avons récemment développé une approche expérimentale permettant d’appréhender ces phénomènes à partir d’une mesure du champ de cisaillement local à l’interface. Par imagerie de contacts formés entre un élastomère et une lentille en verre, nous avons pu obtenir une mesure spatialement très résolue du champ de déplacement induit par des sollicitations mécaniques. L’inversion de ce champ de déplacement par des théories de mécanique du contact élastique fournit alors le champ de cisaillement correspondant à l’interface. Cette méthodologie a été appliquée à une configuration originale de contact en torsion permettant l’étude de la rupture d’adhésion dans des conditions de mode III pur plus simples à analyser que les modes mixtes inhérents au glissement linéaire. Les observations révèlent que la rupture de l’adhésion met en jeu la propagation d’une zone de micro-glissement de la périphérie vers le centre du contact. L’analyse des champs de cisaillement au niveau de la zone de fracture séparant les domaines adhésif et frottant permet de discuter des effets de l’adhésion. Les résultats expérimentaux seront discutés en s’appuyant sur un modèle de zone cohésive intégrant les effets du frottement

Forces capillaires (une solution d'avenir pour les microsystèmes)

PARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF

Morphologies et gradients de concentration induits par le séchage dans des solutions polymères et des gels

Cette thèse présente l étude de morphologies de surface induites, à la surface de films polymères et de gels, par le séchage. La première partie porte sur la séparation de phases induite par évaporation du solvant dans des films réalisés à partir d un mélange de deux polymères immiscibles, l un vitreux, l autre cristallin à température ambiante, en solvant commun. La morphologie obtenue dépend des conditions de séchage et des propriétés physicochimiques du système. Nous avons mis en évidence, en fonction de la composition du mélange, une inversion de morphologie. L étude d une composition donnée permet de distinguer, en fonction de la vitesse de séchage, différents régimes. La seconde partie traite de la formation, à la surface de gels chimiques de polyalcool vinylique, d instabilités de plissement dépendant des conditions de séchage et de synthèse. Cette morphologie est attribuée à la formation d une peau vitreuse qui subit, lors de la contraction du gel, une force de compression relaxée par la formation de plis. Nos travaux confirment expérimentalement l existence de cette peau vitreuse (microscopie à force atomique) et estiment son épaisseur par simulation.PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Déformations locales et structuration des charges dans les nanocomposites étirés

PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Viscoélasticité et plasticité de polymères confinés dans des contacts

PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF