Comportement Mécanique des verres sous choc produit par laser, une approche expérimentale et numérique multi échelles. – GLASS

Le Projet GLASS s'intéresse au comportement mécanique des verres aux vitesses de déformation élevées. L'enjeu est très important puisque les objectifs sont :
1. D’identifier, grâce à une expérimentation unique couplée à un ensemble très conséquent de moyens de simulation, une borne supérieure de la loi de comportement multi-échelles (spatiale et temporelle) des verres, sous chargement dynamique, en ne sollicitant pas les mécanismes de relaxation actifs en quasi-statique,
2. D’étudier les mécanismes de déformation et d’endommagement intrinsèque à ces vitesses de déformation et notamment la densification et rupture sous choc;
3. D’explorer une méthode innovante, utilisant les chocs produits par laser, pour solliciter les défauts intrinsèques des verres en s’affranchissant des problèmes de préparation de surface et d’environnement afin de statuer expérimentalement, à la lumière des simulations, sur l’origine de la nucléation de la fissure dans le verre.
La mobilisation unique d’un ensemble de moyens techniques aussi conséquent permettra la mesure de la contrainte à rupture intrinsèque et de l’énergie de création de surface par fissuration des verres.
Le projet propose d'aborder ces questions fondamentales via une stratégie originale couplant approche expérimentale et simulations numériques multi-échelles (espace-temps) du cluster atomique par Dynamique Moléculaire (DM) à l'échelle macroscopique par éléments discrets.
Pour optimiser le dialogue entre simulations multi-échelles et expériences aux temps courts, il est incontournable de choisir des matériaux qui offrent simultanément : un intérêt scientifique fondamental, un caractère applicatif, une possibilité d’être modélisé sans hypothèses trop réductrices, la possibilité d’avoir des mécanismes de déformation actifs majoritairement différents. Notre choix s’est ainsi porté sur la silice, le verre métallique et le verre à vitre.
La silice présente à la fois un intérêt scientifique fondamental, c’est historiquement le verre modèle du physicien, et un caractère applicatif lié à ses propriétés optiques et réfractaires. Ainsi, de nombreuses données expérimentales sont disponibles dans la littérature. Ce verre présente beaucoup de volume libre et se déforme essentiellement par densification (21% en quasi statique, 50% en dynamique par choc de plaque). La simulation de ce matériau par DM est connue mais pas dans les domaines thermodynamiques des chocs laser.
Le verre métallique présente un intérêt applicatif, dans le domaine balistique et le stockage d’énergie mécanique, et fondamental, car il se densifie très peu (<2%), il se déforme essentiellement par création de bandes de cisaillement localisé (iso-volume).
Pour ces deux matériaux, l’idée est de pouvoir comparer le comportement dynamique de deux verres présentant des mécanismes de déformation majoritairement antagonistes.
Le verre à vitre est composé de 70 % molaire de silice, il se densifie beaucoup moins que celle-ci (6,3%) et présente un écoulement par cisaillement important. Ce caractère mixte en terme de déformation lui donne un positionnement intermédiaire entre la silice et le verre métallique. Le verre à vitre est le matériau de l’ingénieur, très largement employé sous forme de vitrage, de structure, de protection…etc conduisant à la production de nombreuses données scientifiques utiles disponibles dans la littérature.
Le consortium GLASS réuni 4 partenaires experts chacun dans leur domaine. Le LARMAUR sur l'étude du comportement mécanique des verres, le PIMM sur l'utilisation des chocs laser, le CEA sur la dynamique moléculaire et I2M sur la modélisation par éléments discrets. Les moyens propres mis en commun tant sur les aspects expérimentaux que des simulations numériques sont révélateurs de l'ampleur de l'enjeu. A n'en pas douter, GLASS permettra de poser des jalons sur des questions fondamentales concernant les propriétés en déformation et à rupture des verres.