Etude Spectroscopique des Propriétés Mécaniques de Verres à base de Silica-based Glasses – MECASIL

Le projet MecaSil se situe à l'interface entre optique et mécanique. Il se propose de combiner des mesures physiques de haute performance avec des simulations numériques atomistiques pour identifier la réponse mécanique à petite échelle de matériaux amorphes modèles, et si possible développer des outils prédictifs in situ de la déformation plastique dans ces matériaux. L'ANR (2011) a conseillé de resoumettre le projet tel quel. MecaSil bénéficie de l'expertise combinée de 5 partenaires différents bien reconnus dans ce domaine (SVI Saint-Gobain, LPCML univ Lyon 1 et L2C-CVN univ Montpellier 2 pour la partie expérimentale, et LPMCN univ Lyon 1, PMMH - ESPCI pour la partie théorique).
Plus précisément, le but du projet MecaSil est d'utiliser des méthodes très sensibles de spectroscopie vibrationnelle (micro-Raman, micro-HyperRaman, micro-Brillouin) pour étudier la réponse mécanique à petite échelle d'une large classe de matériaux amorphes, à savoir des verres silicates de différentes composition, soumis in situ à des chargements mécaniques haute performance (compression hydrostatique en cellule Diamant-Anvil, déformation de cisaillement, compression uniaxiale de micro-piliers...). Les silicates amorphes sont un excellent exemple pour l'étude des mécanismes de la déformation plastique dans les solides amorphes du fait qu'ils exhibent une large gamme de comportements plastiques différents en fonction de leur composition: comme une densification, ou non, sous forte pression locale. Une telle différence de réponse en fonction de la composition est idéale pour comprendre le rôle joué par la microstructure sur la réponse mécanique de matériaux désordonnés. Ce dernier sujet étant jusqu'à maintenant peu compris, du fait de l'absence d'ordre à longue portée et de la difficulté d'identifier expérimentalement un défaut responsable de la plasticité, contrairement aux dislocations dans les cristaux. Les propriétés mécaniques des verres silicates sont remarquables (très grande dureté, fracturation à grande échelle mais déformation plastique à l'échelle du micron). Elles ont été mesurées par exemple en nanoindentation. En fonction de la composition, la déformation plastique peut se localiser le long de bandes de cisaillement, ou montrer des variations locales de volume comme dans les verres de silice pure.
La réponse mécanique à petite échelle de ces matériaux transparents peut être explorée expérimentalement par les techniques de spectroscopie vibrationnelle (diffusion Raman, hyper Raman, Brillouin) et leurs récents développements avec une résolution à l'échelle du micromètre. Il est bien connu que le comportement mécanique de ce type de verre "fort" implique des réarrangements plastiques collectifs à l'échelle du nanomètre. Cependant, la relation entre ces réarrangements plastiques et la microstructure, ou encore leur organisation progressive en bande de cisaillement puis propagation de fracture à plus large échelle ne sont pas bien comprises. Une description théorique adaptée de la réponse spectroscopique nécessite donc dans ce contexte d'effectuer des calculs sur des systèmes de taille au moins nanométrique (quelques dizaines de milliers d'atomes). Dans ce projet, nous proposons d'effectuer des calculs semi-classiques des spectres vibrationnels, avec une comparaison expérimentale directe. De plus, afin d'améliorer notre compréhension du comportement plastique de ces matériaux, nous proposons d'effectuer des mesures spectroscopiques originales en présence de différents chargements in situ (pression hydrostatique, déformation de cisaillement, compression uniaxiale de micro-piliers en réseau..) et avec une sensibilité suffisante sur les déformations imposées pour envisager non seulement de mesurer mais aussi de prédire l'endommagement plastique, ainsi que d'identifier des initiateurs de fracture.
Les mesures expérimentales seront étroitement combinées à une étude théorique atomistique de la réponse mécanique et des spectres associés.