Microstructures et propriétés mécaniques de céramiques poreuses

Les céramiques à forte porosité (supérieure à 30 vol%) sont utilisées dans une très large gamme d'applications industrielles : matériaux de construction, membranes de filtration, substituts osseux, matériaux pour la production d'énergie... Leur comportement mécanique, et notamment à la rupture, est souvent peu connu en comparaison aux céramiques denses d'une part et aux matériaux poreux à base de polymère ou de métal d'autre part. Ces matériaux doivent cependant supporter des sollicitations mécaniques complexes en usage

Reply to the correspondence: "On the fracture toughness of bioinspired ceramic materials"

This is a reply to the correspondence of Prof. Robert Ritchie: "On the fracture toughness of bioinspired ceramic materials", submitted to Nature Materials, which discusses the fracture toughness values of the following papers: Bouville, F., Maire, E., Meille, S., Van de Moort\`ele, B., Stevenson, A. J., & Deville, S. (2014). Strong, tough and stiff bioinspired ceramics from brittle constituents. Nature Materials, 13(5), 508-514 and Le Ferrand, H., Bouville, F., Niebel, T. P., & Studart, A. R. (2015). Magnetically assisted slip casting of bioinspired heterogeneous composites. Nature Materials, 14(11), 1172-1172.Comment: 5 pages, 2 figure

Damage law identification of a quasi brittle ceramic from a bending test using digital image correlation

International audienceAlthough ceramics are generally considered as to be elastic brittle solids, some of them are quasi brittle. These ceramics show a non linear mechanical behaviour resulting most of the time in a difference between their tensile and compressive stress-strain laws. The characterization of their fracture strengths might be biased if elastic linear formulae are used to analyze classical tests like bending tests. Based on Digital Image Correlation (DIC), an efficient technique to measure full field displacements, a methodology is proposed to characterize and model materials with dissymmetric behaviours between tension and compression. Applying specific basis functions for DIC displacement decompositions for bending, compressive and tensile tests, a stress-strain model and its damage law are identified and then validated for aluminium titanate, a damageable micro cracked ceramic at room temperature. This identification method using DIC can obviously be applied to other quasi brittle materials

Instrumented Indentation of Super-Insulating Silica Compacts

International audienceHighly porous silica compacts for superinsulation were characterized by instrumented indentation. Samples showed a multi-scale stacking of silica particles with a total porous fraction of 90 vol %. The two main sources of silica available for the superinsulation market were considered: fumed silica and precipitated silica. The compacts processed with these two silica displayed different mechanical properties at a similar porosity fraction, thus leading to different usage properties, as the superinsulation market requires sufficient mechanical properties at the lowest density. The measurement of Young's modulus and hardness was possible with spherical indentation, which is an efficient method for characterizing highly porous structures. Comparison of the mechanical parameters measured on silica compacts and silica aerogels available from the literature was made. Differences in mechanical properties between fumed and precipitated compacts were explained by structural organization

In-situ X-ray tomographic monitoring of gypsum plaster setting

International audienceThe first in-situ monitoring of plaster hydration using X-ray tomography is reported in this paper. Dissolution of hemihydrate particles and formation of a network of gypsum needles can be observed in 3D. A 3D quantitative analysis based on the microstructure evolution allows the determination of the degree of reaction. In particular, the size of hemihydrate particles is shown to have an influence both on the hydration kinetics and on the final microstructure of the set plaster. This work paves the way to the understanding of the relationship between microstructure evolution, chemical degree of reaction and mechanical strength development for material processed through a setting reaction

Respective roles of organic and mineral components of human cortical bone matrix in micromechanical behavior: An instrumented indentation study

International audienceBone is a multiscale composite material made of both a type I collagen matrix and a poorly crystalline apatite mineral phase. Due to remodeling activity, cortical bone is made of Bone Structural Units (BSUs) called osteons. Since osteon represents a fundamental level of structural hierarchy, it is important to investigate the relationship between mechanical behavior and tissue composition at this scale for a better understanding of the mechanisms of bone fragility. The aim of this study is to analyze the links between ultrastructural properties and the mechanical behavior of bone tissue at the scale of osteon. Iliac bone biopsies were taken from untreated postmenopausal osteoporotic women, embedded, sectioned and microradiographed to assess the degree of mineralization of bone (DMB). On each section, BSUs of known DMB were indented with relatively high load (∼500 mN) to determine local elastic modulus (E), contact hardness (Hc) and true hardness(H) of several bone lamellae. Crystallinity and collagen maturity were measured by Fourier Transform InfraRed Microspectroscopy (FTIRM) on the same BSUs. Inter-relationships between mechanical properties and ultrastructural components were analyzed using multiple regression analysis. This study showed that elastic deformation was only explained by DMB whereas plastic deformation was more correlated with collagen maturity. Contact hardness, reflecting both elastic and plastic behaviors, was correlated with both DMB and collagen maturity. Norelationship was found between crystallinity and mechanical properties at the osteon level

Identification d'une loi d'endommagement de plâtre à partir de mesures de champs de déplacements

Le plâtre est aujourd’hui le matériau le plus utilisé en construction. Il est crucial pour les producteurs de plaques de plâtre de fabriquer des panneaux de gypse qui soient légers et qui satisfassent aux tests normatifs. Il faut donc connaître les mécanismes d’endommagement et de rupture de la plaque de plâtre, par exemple lors d’un essai de flexion. Des plaques de plâtre ont été testées en flexion 4 points jusqu'à la rupture. La corrélation d’images numériques (CIN) est utilisée pour suivre la cinématique de l’essai et la dégradation progressive associée. Il est proposé d'identifier le comportement de la plaque de plâtre grâce à une description continue et homogénéisée (de type poutre) où la dégradation progressive de la rigidité de la plaque est décrite par un paramètre d’endommagement. Plusieurs formes algébriques qui décrivent l’évolution de l’endommagement en fonction de la courbure locale de la poutre ont été testées, conduisant à une évaluation comparable de la loi d’endommagement. Une forme algébrique simple avec seuil est choisie pour illustrer les résultats de l'identification. Une procédure d’identification spécifique est présentée où les imperfections expérimentales sont prises en compte. Le processus de rupture de la plaque de plâtre en flexion 4 points est discuté en relation avec la courbe effort-déflexion et les différents champs de déplacement mesurés par CIN. La fissuration du plâtre dans la zone tendue de la poutre est détectée comme étant le premier événement de la séquence conduisant à la rupture de l’échantillon, mais la fissure ne se propage pas dans toute l’épaisseur et ne conduit pas à la rupture brutale de l’échantillon car le papier tendu est capable de supporter le transfert de charge. Juste avant rupture, l’échantillon contient de multiples fissures plus ou moins parallèles à la direction de chargement

Etude du comportement mécanique du plâtre pris en relation avec sa microstructure

Le plâtre pris est couramment utilisé en construction, sous forme d\u27enduits ou d\u27éléments préfabriqués. Ses bonnes propriétés d\u27isolation thermique et acoustique, ainsi q\u27une grande légèreté, le rendent particulièrement adapté à un emploi en intérieur. Peu d\u27études sont actuellement publiées sur le comportement mécanique du plâtre pris, seule la forte sensibilité de sa tenue mécanique avec la porosité est bien établie. Ce travail a pour objectif d\u27étudier les propriétés mécaniques du plâtre pris et de les relier à ses caractéristiques microstructurales. Le plâtre pris présente une microstructure complexe, formée d\u27un enchevêtrement de cristaux de gypse. Une grande variation de propriétés mécaniques est mesurée en fonction de la porosité et de la cristallisation. La description de la microstructure est effectuée par un modèle numérique de déplacement de barres dans un volume. Le calcul des propriétés élastiques par la méthode numérique des éléments finis sur ces modèles est en très bon accord avec les résultats expérimentaux. La loi de comportement du plâtre pris sec est linéaire, mais l\u27étude de la propagation de fissure met en évidence des mécanismes de dissipation d\u27énergie dans le matériau. Un modèle de propagation est développé, basé sur l\u27interaction de la fissure avec les différents éléments de la microstructure, permettant d\u27interpréter le comportement expérimental. L\u27influence de l\u27eau sur le plâtre pris est considérée dans la dernière partie. L\u27eau entraîne une diminution des propriétés mécaniques, pouvant s\u27expliquer par un affaiblissement de la qualité de la liaison entre cristaux. Des essais originaux de frottement intérieur permettent de caractériser l\u27apparition de glissements entre cristaux de gypse, à l\u27origine de la non-linéarité du comportement mécanique. La sensibilité de la déformation du matériau à la vitesse de sollicitation est établie et interprétée par un modèle du comportement mécanique des contacts