Piézospectroscopie RQN : jauge de contrainte in-situ et non-destructive pour les liants polymères – Piezo NQR

La Résonance Quadrupolaire Nucléaire (RQN) est une de ces méthodes rf qui sonde le gradient de champ électrique (GCE) autour des noyaux quadrupolaires. Le GCE reflète la distribution des charges dans le cristal et est donc susceptible d’être modifié par une déformation du réseau sous l’effet d’une contrainte extérieure. De fait, l’utilisation de la RQN du cuivre dans le Cu2O a été suggérée dans un polymère en compression ou comme jauge de pression hydraulique. Cependant, les applications envisagées jusqu’ici se limitent à des contraintes hydrostatiques et surtout, la description du couplage entre la contrainte et le GCE reste essentiellement empirique. Nous proposons donc de réexaminer la façon dont une contrainte appliquée à un cristal de Cu2O modifie le GCE au niveau du site du cuivre, ceci tant d’un point de vue théorique grâce à des calculs ab-initio qu’en réalisant des expériences RQN dans des conditions de charge contrôlée grâce à un montage micromécanique dédié. La confrontation entre les résultats obtenus par ce montage original et les prédictions fournies par les codes de calculs ab-initio les plus récents devrait permettre une compréhension complète de la dépendance du spectre RQN avec une contrainte, même non hydrostatique. De plus, cette compréhension fine du phénomène de piezospectroscopie RQN permettra la recherche d’autres cristaux que le Cu2O.
Nous assemblerons ensuite un spectromètre RQN portable afin d’obtenir la distribution des fréquences RQN in-situ provenant d’un polybutadiène réticulé chargé en matériaux ayant des propriétés piezo-RQN et soumis à divers modes de sollicitations. Grâce à la compréhension formelle résultant de l’étape précédente, il sera possible d’interpréter la distribution des fréquences RQN comme une distribution de contrainte dans l’élastomère. Finalement, nous pourrons évaluer l’application de la spectroscopie RQN comme fondement d’un capteur (et peut-être même d’un imageur) de contrainte dans les liants élastomères

Nous avons réussi sonder un champ de contrainte au sein d’un film de PDMS chargé de cuprite, déposé sur un substrat rigide et indenté par un poinçon. Pour ce faire, nous avons utilisé une antenne inductive plate en forme de spirale dite « de surface » placée sous le film d’élastomère. La démarche expérimentale consiste à faire varier sur la surface externe du film la position de l’antenne par rapport au contact. La variation du décalage en fréquence du pic RQN en fonction de la position de l’antenne doit alors renseigner sur la distribution des contraintes hydrostatiques au sein du contact.
Nous avons déterminé au terme d’une étude préalable que la RQN de la cuprite est sensible à la composante hydrostratique de la contrainte et que la dépendance du décalage fréquentiel du 63Cu dans Cu2O à la composante hydrostatique de la contrainte est de 0,38 kHz.MPa-1. La valeur intégrée sur le volume de sensibilité de l’antenne de la pression hydrostatique moyenne peut donc être traduite en un décalage de fréquence RQN. Les expériences montrent un accord satisfaisant entre la prédiction d’un modèle élastique et les valeurs mesurées. Il convient toutefois de préciser que les hypothèses sous-jacentes au calcul mécanique ne correspondent pas tout à fait aux conditions de l’expérience : pour atteindre les niveaux de contrainte requis, la couche de PDMS a été comprimée bien au-delà de son domaine élastique et le contact entre le film d’élastomère et l’antenne n’est pas adhérent.

- Compréhension théorique validée par des expériences sur un macro cristal de Cu2O de la dépendance du Gradient de Champ Électrique (GCE) et du signal de Résonance Quadripolaire Nucléaire (RQN) au champ de contrainte appliqué au cristal d’oxyde de cuivre (I).
- Validation et optimisation de la piezospectroscopie RQN avec de l’oxyde de cuivre (I) sur des polymères tels que le PDMS, le polybutadiène réticulé, l’époxy…
- Exploration d’autres composés ayant des propriétés RQN permettant d’encore améliorer la piezospectroscopie RQN.
- Developpement d' un instrument transportable avec une antenne ayant une pénétration suffisante pour avoir un intérêt pour la recherche académique et dans l’industrie.

1. R.DUBOURGETa, A.CHATEAUMINOISa, L. LE POLLES b, R.GAUTIER b, J-C AMELINE c, H.MONTESa, N.LEQUEUXd, G.LANGd, J-B d’ESPINOSE DE LACAILLERIE « Influence de la contrainte sur le signal RQN : modélisation, expériences et applications envisagées comme jauge de contrainte » Groupe d’Etude de Résonance Magnétique, mai 2015, Sète.

2. R. DUBOURGET, J.-C. AMELINE, A. CHATEAUMINOIS, R. GAUTIER, G. LANG, L. LE POLLES, C. ROILAND, J.-B. d’ESPINOSE DE LACAILLERIE ”Influence of Stress on the Nuclear Quadrupole Resonance Signal: Modeling, Experiments and Potential Applications as a Strain Gauge” International Conference on Advanced Materials Modelling (ICAMM), Rennes (France), septembre 2016

3. R. DUBOURGET, J.-C. AMELINE, A. CHATEAUMINOIS, R. GAUTIER, H. MONTES, G. LANG, L. LE POLLES, N. LEQUEUX, C. ROILAND, J.-B. d’ESPINOSE DE LACAILLERIE ”Influence of Stress on the Nuclear Quadrupole Resonance Signal: Modeling, Experiments and Potential Applications as a Strain Gauge” 5th Annual Practical Applications of NMR in Industry Conference (PANIC), Hilton Head, Caroline du Sud (USA), février 2017

4. R. DUBOURGET, J.-C. AMELINE, A. CHATEAUMINOIS, R. GAUTIER, H. MONTES, G. LANG, L. LE POLLES, N. LEQUEUX, C. ROILAND, J.-B. d’ESPINOSE DE LACAILLERIE “Stress influence on Nuclear Quadrupole Resonance: Experiments, Modeling and Application as a Strain Gauge” 59th Experimental Nuclear Magnetic Resonance Conference, Asilomar, Californie (USA), mars 2017

La détermination des champs de déformation et de contraintes est essentielle à la prédiction du comportement d’une pièce en termes de résistance et de fatigue. Souvent, la combinaison de géométries complexes et de charge multiaxiales résulte en un champ de contrainte fortement hétérogène. Il en résulte des concentrations locales de contraintes qui peuvent induire la nucléation et la propagation de fractures. Par ailleurs, les élastomères chargés et plus généralement tous les matériaux composites sont des matériaux très hétérogènes. Dans de tels matériaux, le champ de contrainte peut rarement être modélisé efficacement par des moyens numériques. En conséquence, une méthode expérimentale fournissant la distribution de contrainte dans un matériau composite serait d’un grand avantage tant comme outil de contrôle sur site qu’au laboratoire pour valider et calibrer les modèles numériques.
Pourtant, il existe peu de moyens expérimentaux pour mesurer à petite échelle un champ de contrainte de façon non-destructive et résolue dans l’espace. Les mesures de contraintes et de déformation sont habituellement réalisées grâce à des jauges électriques ou optiques requérant un réseau de capteurs et de câbles. De plus, la résolution spatiale de ces capteurs est faible.
Les propriétés photoélastiques de certains polymères ou la piézospectroscopie de fluorescence d’alumines dopées permettent la réalisation d’images de contrainte à petite échelle. Dans un autre registre, la corrélation d’image permet la détermination de champs de déplacement par comparaison des niveaux de gris de la surface avant et après la déformation. Ces deux méthodes sont limitées à l’analyse de champs dans des matériaux optiquement transparents ou à l’analyse de phénomènes de surfaces.
Il est donc souhaitable de développer d’autres méthodes piézométriques dans la gamme des radiofréquences (rf) afin de prendre avantage de la bonne pénétration de ces dernières dans les matériaux faiblement conducteurs. La Résonance Quadrupolaire Nucléaire (RQN) est une de ces méthodes rf qui sonde le gradient de champ électrique (GCE) autour des noyaux quadrupolaires. Le GCE reflète la distribution des charges dans le cristal et est donc susceptible d’être modifié par une déformation du réseau sous l’effet d’une contrainte extérieure. De fait, l’utilisation de la RQN du cuivre dans le Cu2O a été suggérée dans un polymère en compression ou comme jauge de pression hydraulique. Cependant, les applications envisagées jusqu’ici se limitent à des contraintes hydrostatiques et surtout, la description du couplage entre la contrainte et le GCE reste essentiellement empirique. Nous proposons donc de réexaminer la façon dont une contrainte appliquée à un cristal de Cu2O modifie le GCE au niveau du site du cuivre, ceci tant d’un point de vue théorique grâce à des calculs ab-initio qu’en réalisant des expériences RQN dans des conditions de charge contrôlée grâce à un montage micro-mécanique dédié. La confrontation entre les résultats obtenus par ce montage original et les prédictions fournies par les codes de calculs ab-initio les plus récents devrait permettre une compréhension complète de la dépendance du spectre RQN avec une contrainte, même non hydrostatique. De plus, cette compréhension fine du phénomène de piezospectroscopie RQN permettra la recherche d’autres cristaux que le Cu2O.
Dans une deuxième étape, nous assemblerons un spectromètre RQN portable afin d’obtenir la distribution des fréquences RQN in-situ provenant d’un polybutadiène réticulé chargé en matériaux ayant des propriétés piezo-RQN et soumis à divers modes de sollicitations. Grâce à la compréhension formelle résultant de l’étape précédente, il sera possible d’interpréter la distribution des fréquences RQN comme une distribution de contrainte dans l’élastomère. Finalement, nous pourrons évaluer l’application de la spectroscopie RQN comme fondement d’un capteur (et peut-être même d’un imageur) de contrainte dans les liants élastomères.