Sujet de Thèse (2016-19) Identification du comportement

Sujet de Thèse (2016-19)
Identification du comportement viscoélastique-viscoplastique de polymères en
couches minces par nanoindentation. Effets de la température et de l’hygrométrie.
Financement :
Contrat doctoral UFC
Unité de recherche :
Département Mécanique Appliquée, Institut FEMTO-ST, UMR CNRS 6174
Spécialité :
Mécanique des matériaux
Encadrement :
F. Amiot (CR CNRS, HDR), Y. Gaillard (MdC UFC), A. Lejeune (IR UFC),
F. Richard (MdC UFC)
Equipe de recherche :
Cette thèse s’inscrit dans le thème de recherche Propriétés Mécaniques des Matériaux en Couches
Minces (PMMCM) du Département Mécanique Appliquée (120 personnes) de l’Institut FEMTO-ST
(650 personnes) qui compte 7 départements. Le thème PMMCM a vocation à comprendre les
phénomènes pilotant le comportement mécanique de matériaux (cristallin, amorphe, organique,
composite, adaptatif, …) en couches minces (entre 10 nanomètres et 10 micromètres) fabriqués
par différentes techniques, à l’aide de modélisations et d’expérimentations sur des instruments
dédiés (nanoindenteur, microscope à force atomique, microscope à pointe vibrante, …). Trois
chercheurs permanents et deux doctorants sont rattachés actuellement à ce thème.
Contexte :
Les matériaux en couches minces sont couramment utilisés dans l’industrie. En polymère pur ou
en assemblage composite, on les retrouve dans les applications sous forme de membrane ou
couches de surface avec pour objectif technologique de conférer des propriétés particulières
(mécaniques, géométriques, physico-chimiques). Depuis une vingtaine d’années, les polymères en
couches minces participent pleinement au développement des microsystèmes [1]. Pour assurer
une fiabilité suffisante à ces microsystèmes, une meilleure compréhension des liens existant entre
le procédé d’élaboration, la microstructure et le comportement mécanique de la couche est
primordiale. Les questions soulevées relèvent à la fois de l’intérêt industriel et de la recherche
fondamentale : si l’objectif industriel est d’être capable de s’appuyer sur des données fiables pour
la conception de microsystèmes intégrant des couches minces, l’objectif scientifique est une
meilleure compréhension des phénomènes non linéaires à cette échelle. Les réponses aux
questions soulevées se heurtent à des difficultés liées aux dimensions mêmes de l’objet d’étude.
Si la nanoindentation s’impose comme une technique indispensable à la caractérisation
mécanique des polymères à l’échelle sub-micrométrique [2], de nombreuses questions se posent
concernant la méthode d’analyse des données de l’essai et les possibilités d’extraction de
propriétés thermo-hygro-mécanique du matériau.
 La complexité de l’analyse des données de nanoindentation lorsque les matériaux exhibent un
comportement viscoélastique-viscoplastique (VEVP) pose la question fondamentale de
l’identifiabilité des propriétés du matériau. La possibilité d’extraire ces propriétés n’est en
effet pas prouvée mathématiquement. La tendance actuelle consiste à utiliser des lois de
comportement sur-paramétrées dans lesquels les paramètres ne sont que des coefficients de
recalage et ne peuvent donc pas être aisément reliés à la microstructure et au procédé
d’élaboration. Ce problème d’identifiabilité paramétrique, généré par l’instabilité de la
solution du problème inverse, est bien connu en indentation élastoplastique (EP) et a donné
lieu à quelques publications depuis 15 ans [3] qui l’ont quelque peu clarifié. Il est en revanche
assez peu abordé en viscoélasticité (VE) [4], très peu en élasto-viscoplasticité (EVP) [5] et pas
du tout à notre connaissance lorsque les deux phénomènes sont couplés (VEVP) comme cela
peut être le cas pour les polymères [6].
 L’arrivée en 2014 au laboratoire d’un ultra-nanoindenteur (CSM) permettant des mesures en
température et humidité contrôlées (le premier de sa génération) offre l’opportunité
d’aborder la problématique avec un dispositif d’ores et déjà opérationnel pour une validation
expérimentale des méthodes numériques élaborées pour l’extraction des propriétés VEVP.
Objectifs :
Ce projet de thèse s’inscrit dans la continuité de ce qui se pratique au sein du thème Propriétés
Mécaniques des Matériaux en Couches Minces [7-11] et s’appuie sur les compétences historiques
du Département Mécanique Appliquée dans le domaine des modèles à variables internes. Les
objectifs de cette thèse sont :
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l’intégration d’une loi de comportement VEVP à l’échelle du matériau couplant viscoélasticité
et viscoplasticité dans le modèle éléments finis de l’essai de nanoindentation,
l’analyse de l’identifiabilité des paramètres de la loi VEVP à travers la stabilité de la solution
de l’inversion du modèle de l’essai de nanoindentation
le développement d’une méthode de recherche de l’expérience optimale pour une extraction
fiable des propriétés VEVP : choix de la sollicitation temporelle, de la topographique
d’empreinte (microscopie à force atomique), du champ cinématique (microscopie optique),
la caractérisation expérimentale VEVP par nanoindentation, en température et humidité
contrôlées, d’un matériau test d’épaisseur 200 nm-20 µm (ex : PMMA, PDMS, SU8), et la
comparaison avec les résultats issues d’autres techniques – traction cyclique (DMA) et
microscopie à pointe vibrante (SMM) [8],
l’analyse du lien propriétés–microstructure-procédé, de l’effet de la température et de
l’humidité.
En associant expérimentation, modélisation et inversion numérique pour la détermination de
propriétés VEVP d’un polymère en couche mince en fonction de la température et de l’humidité,
le candidat participera pleinement à la mise en place d’une méthode contemporaine d’extraction
par indentation des propriétés non linéaires des matériaux à l’échelle sub-micrométrique.
Profil du candidat :
Etudiant(e) en master 2 ou élève-ingénieur(e) en dernière année ayant une formation en
mécanique des matériaux, ainsi qu’un savoir-faire en modélisation et simulation numérique et/ou
dans la conduite d’essais de caractérisation. Une certaine maîtrise des outils de programmation et
de calcul numérique sera appréciée, mais la position du curseur des compétences entre la
modélisation et l’expérimentation n’est pas figée. Un goût prononcé pour l’interaction modèleexpérience est cependant nécessaire.
Modalités de candidature :
Le dossier de candidature sous forme de fichier unique en PDF est à envoyer avant le 29 mai 2016
à l’adresse [email protected]. Il devra contenir :
-
[1]
[2]
une lettre de motivation et un CV détaillé
les relevés de notes M1 et M2 (ou 4ème et 5ème année d’école d’ingénieurs)
C. Liu, “Recent Developments in Polymer MEMS,” Adv. Mater., vol. 19, no. 22, pp. 3783–3790, Nov. 2007.
R. F. Gibson, “A review of recent research on nanoindentation of polymer composites and their constituents,”
Compos. Sci. Technol., vol. 105, pp. 51–65, Dec. 2014.
[3]
Z. S. Ma, Y. C. Zhou, S. G. Long, X. L. Zhong, and C. Lu, “Characterization of stress-strain relationships of
elastoplastic materials: An improved method with conical and pyramidal indenters,” Mech. Mater., vol. 54, pp.
113–123, Nov. 2012.
[4]
Y.-T. Cheng, “Obtaining Viscoelastic Properties from Instrumented Indentation,” in Time Dependent Constitutive
Behavior and Fracture/Failure Processes, Volume 3, T. Proulx, Ed. Springer New York, 2011, pp. 119–120.
[5]
G. Rauchs and J. Bardon, “Identification of elasto-viscoplastic material parameters by indentation testing and
combined finite element modelling and numerical optimization,” Finite Elem. Anal. Des., vol. 47, no. 7, pp. 653–
667, 2011.
[6]
A. Krairi and I. Doghri, “A thermodynamically-based constitutive model for thermoplastic polymers coupling
viscoelasticity, viscoplasticity and ductile damage,” Int. J. Plast., vol. 60, pp. 163–181, Sep. 2014.
[7]
M. Qasmi, P. Delobelle, F. Richard, C. Brun, and M. Fromm, “Viscoelastic mechanical properties determined by
nanoindentation tests and its numerical modelling of polypropylene modified by He+ particle implantation and
e− irradiation,” Prog. Org. Coat., vol. 51, no. 3, pp. 195–204, 2004.
[8]
J. Le Rouzic, P. Delobelle, B. Cretin, P. Vairac, and F. Amiot, “Simultaneous measurement of Young’s modulus and
Poisson’s ratio at microscale with two-modes scanning microdeformation microscopy,” Mater. Lett., vol. 68, pp.
370–373, Feb. 2012.
[9]
F. Richard, M. Villars, and S. Thibaud, “Viscoelastic modeling and quantitative experimental characterization of
normal and osteoarthritic human articular cartilage using indentation,” J. Mech. Behav. Biomed. Mater., vol. 24,
pp. 41–52, 2013.
[10] M. Girard, Y. Gaillard, A. Burr, E. Darque-Ceretti, and E. Felder, “Nanoindentation of bio-sourced adhesive 75%
rosin/25% beeswax: Experimental results and modelisation,” Mech. Mater., vol. 69, no. 1, pp. 185–194, Feb.
2014.
[11] C. Poilâne, Z. E. Cherif, F. Richard, A. Vivet, B. Ben Doudou, and J. Chen, “Polymer reinforced by flax fibres as a
viscoelastoplastic material,” Compos. Struct., vol. 112, pp. 100–112, 2014.