Écouter pour comprendre et caractériser la plasticité et l’endommagement des polymères semi-cristallins – POLYCOUSTIC

Le présent projet est basé sur l’idée que les techniques d’analyses de signaux acoustiques pourraient être très utiles dans le domaine de polymères notamment en ce qui concerne la plasticité et la rupture. En effet, cette technique est classiquement utilisée pour caractériser les mécanismes de rupture des composites, des métaux ou céramiques. En revanche, elle n’a jamais été vraiment testée sur les polymères car ceux-ci sont réputés trop absorbants. Or, la compréhension de l’initiation de la plasticité, de l’endommagement (cavitation) et de la rupture des polymères semi-cristallins reste un challenge important même pour le polymère le plus connu : le polyéthylène. Dés lors, l’emploi d’une nouvelle technique expérimentale est une approche qui pourrait permettre de dépasser les difficultés actuelles. Notamment, une meilleure compréhension pourrait provenir de la différenciation des différents phénomènes survenant de manière concomitante, à savoir le cisaillement des cristallites, la cavitation, la rupture des fibrilles et également la transformation martensitique.
Une étude préliminaire a montré la faisabilité d’une telle approche. Plusieurs éprouvettes de traction ont été instrumentées afin d’enregistrer l’activité acoustique en simultanée, et des signaux ont été enregistrés bien avant le seuil d’écoulement. Ces premiers résultats encourageants justifient déjà en partie ce projet dans la mesure où maintenant il s’agit de se lancer dans une étude beaucoup plus vaste et systématique permettant de relier la microstructure du matériau aux signaux acoustiques et ce aussi bien pour l’initiation de la plasticité que pour la rupture par propagation de fissure. Pour atteindre cet objectif, nous bénéficieront de l’expertise acquise au laboratoire concernant d’une part l’obtention de polyéthylènes modèles à microstructures très contrôlées et d’autre part le domaine de l’émission acoustique (EA), des ultrasons (US) et de l’analyse statistique des signaux. Il s’agira d’abord de réaliser une étude complète sur des éprouvettes de traction en EA et US, ce qui permettrait de séparer la partie élasto-plastique de la partie endommagement. Enfin, il s’agira d’instrumenter et d’analyser la réponse d’une éprouvette dédiée au test EWF, particulièrement adapté à l’analyse de la rupture car les énergies mises en jeu pour propager une fissure et celles mises en jeux dans la plasticité peuvent être séparées. Les informations obtenues par EA et US devraient nous permettre, par une étude statistique et quantitative des signaux, de proposer un (ou plusieurs) mécanisme local d’endommagement et de plasticité ainsi que l’ordre d’apparition de ces évènements. Par ailleurs, il est à noter que cet ordre d’apparition peut être modifié par la température car cette dernière active la plasticité dans les cristaux ou peut renforcer l’interface entre la phase amorphe et cristalline. Le dispositif expérimental nous permettant de modifier la température, nous proposerons différents scénarii à différentes températures. Finalement, grâce à la discrimination des différents phénomènes, nous pourrions proposer un scénario global menant à la rupture. Outre l’intérêt fondamental évident d’une telle étude, il faut replacer ce projet dans son contexte. Actuellement, de nombreuses équipes de recherche travaillent sur des polymères du futur, c'est-à-dire des polymères biosourcés ou au moins recyclables. Ces-derniers, comme le PLA ou le PHB, sont souvent décevants d’un point de vue des propriétés à rupture or ils sont tous semi-cristallins. On voit bien alors l’intérêt de mieux comprendre les mécanismes d’endommagent des semi-cristallins de la plasticité à la rupture pour pouvoir ensuite envisager une explication scientifique sérieuse des causes de l’endommagement précoce de polymères moins bien connus. La fin de ce projet sera dédiée à l’extrapolation des concepts proposés sur les matériaux modèles aux semi-cristallins qui ont vocation à remplacer les polymères issus du pétrole.