Conception de composites quasi-fragiles tenances et résistants par des approches multi-échelles. – DURABLE

Au cours de leur évolution, les organismes vivants ont mis au point des microstructures hiérarchiques conférant une résistance et une robustesse remarquables aux biomatériaux. Transférer ces propriétés aux matériaux de l'ingénieur pourrait équiper divers secteurs avec des composites haute-performance. Cependant, dans un monde où la soutenabilité est plurifactorielle, maximiser la résistance à la rupture d'un composite ne peut constituer notre seul objectif de durabilité. Les normes françaises RE2020 ont fixé des seuils de CO2eq/m2 au niveau structurel, imposant ainsi des exigences strictes à l'échelle du matériau. Le défi consiste alors à assurer des propriétés de rupture optimales, même lorsque la résistance à la rupture est une préoccupation secondaire. Les solutions biomimétiques, qui sont le résultat de processus évolutifs, ne sont pas nécessairement adaptées pour répondre aux contraintes environnementales. DURABLE vise à répondre à une question fondamentale : peut-on concevoir des matériaux composites résistants et durables, au-delà du biomimétisme ?

La croissance de fissures peut être décrite de l'échelle nanométrique à partir de mécanismes intrinsèques de rupture, jusqu'à l'échelle macroscopique à partir de la réponse de la structure. Toutefois, une théorie unifiée de la rupture quasi-fragile, couvrant toutes les échelles, reste à construire. Pour lever ce verrou scientifique, notre projet s'appuie sur une théorie perturbative de la rupture cohésive récemment établie. Cette dernière allie de façon unique la prise en compte des effets de taille par les modèles cohésifs avec les capacités de mise à l'échelle des approches perturbative en mécanique de la rupture.

L'objectif de DURABLE est de mettre au point des stratégies multi-échelles pour la conception de composites durables. Pour l'atteindre, nous développerons deux outils innovants :
1. Un formalisme d'homogénéisation pour les propriétés de rupture en tension. Ce formalisme analytique constitue le pendant en mécanique de la rupture des approches traditionnelles de type champ moyen pour les composites non-linéaires. Il autorisera le passage à l'échelle de lois cohésives, dérivées de l'échelle nanométrique à l'aide de simulations de dynamique moléculaire, jusqu'à l'échelle macroscopique. Cet outil de prédire la résistance à la rupture et de l'énergie de rupture effectives d'un composite, à partir d'une description statistique de sa microstructure hiérarchique.
2. Une nouvelle méthode de calcul pour simuler la rupture des composites quasi-fragiles avec une efficacité numérique inégalée. Cette méthode, nommée eXpanded Discontinuity-Displacement Method (XDDM), permettra de simuler la croissance de fissures coplanaires en 3D dans des matériaux cohésifs hétérogènes à partir de deux discrétisations 1D. Elle reposera sur une formulation énergétique de la rupture cohésive.

Pour tenir compte des nouvelles contraintes environnementales et dépasser les seules solutions biomimétiques, nous combinerons ces outils à travers une stratégie d'optimisation en deux étapes :
• En étape 1, nous utiliserons notre formalisme d'homogénéisation pour parcourir efficacement l'espace compositionnel des composites hiérarchiques. Nous obtiendrons une microstructure initiale, au sein de laquelle des inclusions sont introduites à différentes échelles pour accroître la résistance à la rupture sous des contraintes de performance et de soutenabilité.
• En étape 2, nous affinerons la microstructure initiale avec notre modèle numérique XDDM. Plus précisément, nous maximiserons le renforcement induit par les détails de la microstructure au sein de chaque échelle, par optimisation topologique, et tiendrons compte de l'impact d'échelles d'hétérogénéité concurrentes, par des simulations numériques directes.

DURABLE pourrait révolutionner la conception des composites au-delà du biomimétisme, en mettant l'accent sur le rôle décisif de l'organisation spatiale des hétérogénéités sur plusieurs échelles.