Micromechanical approach for the analysis of wave propagation in particulate composites

Laser ultrasonic non-destructive testing is widely used for the inspection of mechanical structures. This method uses the propagation of ultrasonic guided waves (UGW) in the media. For this purpose, it has been demonstrated that the addition of a thin composite layer between the laser source and the structure for inspection is necessary. Consequently, this composite is an optoacoustic transducer composed of an absorption material such as carbon for inclusions and an expanding material such as an elastomer for the matrix. Thus, optimal fabrication of this composite should enable the amplification of the signal for inspection. Indeed, experimental research has demonstrated that variation in the volume fraction of carbon inclusions, their shape, and the nature of the matrix, affect the amplification of the signal directly. The aim of this study is to analyse the wave propagation in particulate viscoelastic composites by a dynamic self-consistent approach

Etudes éxprimentale de mélanges thermoplastiques/poudrettes de pneumatiques usagés

L'insertion de poudrettes (< 1 mm) de pneumatiques usagés (PUNR) issues de broyage dans une matrice thermoplastique (PP) est une voie de valorisation. Après formulation du mélange compatibilisé pour cinq taux de PUNR de 5% à 25%, des essais de traction ont été réalisés à trois vitesses de déformation (10-4, 10-3, 10-2 s-1). Des observations post-mortem (MEB et tomographie) permettent de comprendre les modes d'endommagement des éprouvettes. Les modèles micromécaniques, basés sur les opérateurs interfaciaux, sont utilisés pour identifier les critères d'endommagement de ce type de matériaux

Contribution à l’étude du comportement de matériaux présentant des phénomènes de couplage multiphysique : application aux matériaux composites à matrice polymère et aux matériaux adaptatifs

The design of new materials requires an increased expertise of the relationships between their microscopic structure resulting from their elaboration and their macroscopic behavior responsible for their properties. Scale transition methods allow to consider microstructural behavior and the interaction effects between the components in order to obtain the macroscopic effective behavior of a composite. The work developed is dedicated to materials with multiphysics coupling : in polymer composites and in adaptive materials. Thus the problem of viscoelastic coupling is treated by hereditary approaches using elastic symbolic solutions or by introducing variables internal describing the temporal evolution of the microstructure. Physical incompatibilities between phases of a composite occur alternately as interphase or imperfect interface bonding. The influence of their description is studied for ellipsoidal inclusions and for materials with anisotropic behavior exhibiting coupling phenomena viscoelastic or magneto-electroelastic. Thermomechanical properties of polymers can arise from non-linearity phenomena inducing thermal runaway whose development conditions are studied through the growth of small disturbances of solutions of the thermal problem.L’élaboration de nouveaux matériaux ou de nuances parmi des matériaux existants nécessite une maîtrise accrue des relations entre leur structure microscopique issue de leur élaboration et leur comportement macroscopique responsable de leurs propriétés d’usage. Les méthodes par transitiond’échelles permettent de considérer certaines particularités de comportement microstructurale mais également les effets d’interaction entre les composants afin d’obtenir le comportement macroscopique d’un composite. Les travaux développés sont dédiés à la prise en compte de phénomènes de couplage multiphysique se développant dans des composites à matrice polymère et dans des matériaux adaptatifs. Ainsi le problème du couplage viscoélastique inhérent aux polymères est traité par des approches héréditaires utilisant des solutions symboliques élastiques ou par introduction de variables internes décrivant l’évolution temporelle de la microstructure. Les incompatibilités physiques entre les phases d’un composite se manifestent alternativement sous forme d’interphase ou de liaisons imparfaites. L’influence des paramètres les caractérisant est étudiée pour des inclusions de forme ellipsoïdale et pour des matériaux à comportement anisotrope présentant des phénomènes de couplage viscoélastique ou magnéto-électro-élastique. Des propriétés thermomécaniques des matériaux polymères peuvent naître des phénomènes de non-linéarité induisant des phénomènes d’emballement thermique dont les conditions de développement sont étudiées à travers la croissance de petites perturbations de solutions du problème thermique

Bandes de cisaillement adiabatique : effets géométriques et effets de conduction

Abiabatic shear bands are narrow zones where an intense shear is localized in viscoplastic materials. They result from an instability of the plastic flow, promoted usually by the material thermal softening. The attention is focused on the influence of the sample geometrical and structural defects and of the thermal diffusivity in the final stages of the localization through a one-dimensional model. Asymptotic structural localization criteria are obtained from an abiabatic quasi-static model ; they reveal that the material properties are coupled with the defects shape. The stabilizing influence of rate-sensitivity appears to be enhanced by smooth defects. It is shown that the sharpness and the amplitude of the local defects may help understand the observed scatter in the nominal failure deformation. During the stress collapse, thermal diffusivity effects induce a stabilization and a homogenization of the plastic deformation, they are taken into account in a quasi-static model designed for the study of the band structuration. The observed stabilization of the bandwidth leads to assuming the existence of a steady flow ; though the stationary solutions are found to be unstable in the mechanical conditions of the torsional Kolsky bar test. Therefore an improvement of the stationary hypothesis is proposed by only assuming a steady strain rate distribution. The stress relaxation time is then related to the bandwidth. The model includes the singular material defects and it reveals that the bandwidth decreases as the defect becomes more acute, but that it remains finite for a singular defectLes bandes de cisaillement adiabatique (bca) sont des zones étroites de localisation intense de la déformation plastique observées dans des matériaux viscoplastiques. Elles témoignent de l'instabilité de l'écoulement plastique engendrée généralement par un adoucissement thermique du matériau. Le rôle des défauts géométriques et matériels, ainsi que de la conduction thermique sur la localisation est analyse à travers un modèle unidimensionnel dans les stades terminaux d'évolution. Le modèle de localisation adiabatique quasi statique décrivant l'évolution des bca permet l'établissement de critères structurels de localisation asymptotique mettant en évidence la conjugaison des facteurs rhéologiques et des facteurs structurels dans le processus de localisation : on montre ainsi que les effets stabilisants de la viscosité sont plus efficaces en présence de défauts de faible acuité. Le modèle permet en outre d'interpréter la dispersion des mesures de déformation nominale à la rupture, en termes d'amplitude et d'acuité des défauts géométriques et des inhomogénéités matérielles. Durant la phase de chute brutale de la contrainte de cisaillement, les effets de la conduction thermique jouent un rôle de stabilisation et d'homogénéisation de la déformation plastique ; ils sont donc intégrés à un modèle quasi statique décrivant la structuration de la bande. La stabilisation de la largeur de bande laisse supposer l'existence d'un régime stationnaire ; or les solutions stationnaires sont instables pour les paramètres mécaniques caractérisant l'essai de torsion. Ainsi on est conduit à affiner l'hypothèse de stationnarité en supposant que seule la distribution de la vitesse de déformation reste stationnaire. La résolution permet de corréler la relaxation de la contrainte de cisaillement à la largeur de la bande. Le modèle inclut la notion de défaut matériel, et l'on montre que la bande est d'autant plus étroite que le défaut est plus aigu, mais qu'elle garde une largeur finie pour un défaut ponctue

A new internal variables homogenization scheme for linear viscoelastic materials based on an exact Eshelby interaction law

International audienceA new time-incremental internal variables homogenization scheme for Maxwellian linear viscoelastic heterogeneous materials is proposed. This scheme is based on the exact solution of the ellipsoidal Eshelby inclusion problem obtained in the time domain. In contrast with current existing. methods, the effective behavior as well as the evolution laws of the averaged stresses per phase are solved incrementally in the time domain without need to analytical or numerical inverse Laplace-Carson transforms. This is made through a time-differential equation in addition to the more classic strain rate concentration equation. In addition, the new derived interaction law for the Eshelby inclusion problem is provided in a compact matrix form. It is proved that this is an exact formulation for an arbitrary anisotropic ellipsoidal Maxwellian inclusion embedded in an isotropic Maxwellian matrix. In order to show the interest of the present approach, the results are reported and discussed with a Mori-Tanaka homogenization scheme for two-phase composites in comparisons with other exact or approximate methods

Etude expérimentale et modélisation du comportement de polymères thermoplastiques renforcés : polypropylène chargé de fibres de chanvre

Ces travaux portent sur l'étude du comportement et de l'endommagement d'un thermoplastique, polypropylène, chargé de fibres courtes de chanvre. Des essais de traction à différentes vitesses de déformations (10-4 à 10-1s-1), températures (0°C à 60°C) et taux de chanvres (5% à 20%) ont été effectués. L'endommagement est observé par thermographie IR et tomographie post-mortem. Une modèle éléments finis, basé sur une caractérisation fine 3D de la microstructure du composite à partir de coupes tomographiques, approche le comportement macroscopique du composite

Micromechanical approach for the analysis of wave propagation in particulate composites

Laser ultrasonic non-destructive testing is widely used for the inspection of mechanical structures. This method uses the propagation of ultrasonic guided waves (UGW) in the media. For this purpose, it has been demonstrated that the addition of a thin composite layer between the laser source and the structure for inspection is necessary. Consequently, this composite is an optoacoustic transducer composed of an absorption material such as carbon for inclusions and an expanding material such as an elastomer for the matrix. Thus, optimal fabrication of this composite should enable the amplification of the signal for inspection. Indeed, experimental research has demonstrated that variation in the volume fraction of carbon inclusions, their shape, and the nature of the matrix, affect the amplification of the signal directly. The aim of this study is to analyse the wave propagation in particulate viscoelastic composites by a dynamic self-consistent approach.La inspección de componentes mecánicos por ultrasonido láser es uno de los controles no destructivos (CND) más utilizados en la industria, ya que permite inspeccionar rápidamente piezas de gran tamaño y de formas complejas por medio de la propagación de ondas guiadas. Ha sido demostrado que, para obtener la mejor calidad posible de la señal acústica, es necesario integrar una fina capa de material compuesto entre la placa y la fuente laser. Dicha capa de material compuesto permitiría la amplificación de la señal acústica, esta capa está formada por refuerzos de carbono que dan una característica de absorción térmica y de una matriz elastómera que otorga una característica de expansión volumétrica. Por lo tanto, la fabricación óptima de dicho compuesto permitiría la amplificación de la señal de inspección. De hecho, experimentalmente ha sido demostrado que la variación de la fracción volumétrica del refuerzo, de su forma (esférica o elipsoidal) y del tipo de matriz (silicona o resina), afecta directamente la amplificación de la señal. El objetivo de este trabajo es realizar un estudio micro-mecánico de tipo auto-coherente de la propagación de ondas elásticas en un medio heterogéneo compuesto por una matriz viscoelástica y refuerzos esféricos elásticos