thesis

Propriétés mécaniques et effets d'échelle

Defense date:

Jan. 1, 1999

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Institution:

Ecully, Ecole centrale de Lyon

Disciplines:

Mechanical engineering

Authors:

Directors:

Abstract EN:

This dissertation tries to conjugate the comprehension and measurement work to decrypt mechanical properties of solids at micrometric and nanometric scales. The underlying questions are both to locate the limits of bulk properties (frontier of continuous medium mechanic) when the analysis window is narrowed and furthermore to describe new properties related to the decrease in measurement scale, if any. The non-linear mechanical analysis of Intermittent Contact Mode in AFM enables the monitoring of local mechanical properties of polymer such as storage and loss modulus or adherence. The surprising result of this analysis concerns the loss modulus whose measured value is greater than the macroscopic bulk one by one order of magnitude. The nanoindentation tests operated at a constant strain rate confirm and enrich this result : a 'characteristic heterogeneity length' has been introduced to define for this material the dimension under which the mechanical response differs from the one of homogeneous matter. This concept is canonical for heterogeneous materials at micrometer scale (i. E. Polymer blends) and is extended to material which are homogeneous in composition. Beyond this characteristic length, materials can only be described through statistical means. Another development of this study concerns the macroscopic description of materials using bulk constitutive equations. A particular effort has been held to describe viscoplastic behavior of glassy polymers (PMMA and PS). The viscoplastic data obtained by nanoindentation experiments and scratch tests may be interpreted with the help of Eyring molecular theory of activation energy. The results obtained at small strain rate (<0. 1 Hz) enables the computation of an activation volume of the polymeric material (lnm3 for PMMA et 0. 4nm3 for PS). These activation volumes are in good agreement with the theoretical ones and those obtained by macroscopic analytical methods. The scratch test experimental data are showing that at high strain rate (>0. 1Hz) the viscoelastic loss in contact increases and the calculated activation volume decreases. The phenomenon is interpreted as a transition to a B type relaxation of the polymeric material. The origin of the characteristic homogeneity length is still to be enlighten. Should this be understood as an evolution of the mechanical properties due to the narrowing of the analysis window? Is this length related to intrinsic properties of surface? In this case, surface mechanical properties would thus be heterogeneous.

Abstract FR:

Ce travail s'inscrit dans l'effort de compréhension et de mesure des propriétés mécaniques des solides aux échelles nanométrique et micrométrique. Les questions sousjacentes sont d'une part de cerner la limite des propriétés volumiques (limite de la mécanique des milieux continus) lors de la diminution de la fenêtre d'analyse et d'autre part, de décrire les nouvelles propriétés, si elles existent, liées à cette réduction d'échelle. L'analyse mécanique non-linéaire du mode Contact Interrnittent en AFM, donne accès à la mesure des propriétés mécaniques locales de polymère comme les modules de restitution et de perte, l'adhérence. Le résultat surprenant de cette analyse concerne le module de perte dont la valeur mesurée est supérieure d'un ordre de grandeur à celle issue d'essais volumiques macroscopiques. Les essais de nano-indentation, menés à vitesse de déformation constante, confirment et enrichissent ce résultat. Nous proposons d'introduire la notion de longueur caractéristique d'hétérogénéité, qui définit la dimension pour un matériau, en dessous de laquelle la réponse mécanique diffère de celle de la matière "homogène". Cette notion canonique pour un matériau hétérogène est étendue aux matériaux homogènes en composition. En deçà de cette dimension, le matériau ne peut plus être décrit qu'à l'aide d'outils statistiques. Un autre axe de ce travail est la description macroscopique des matériaux à l'aide des lois de comportement volumique. Un effort particulier est mené sur la description à l'aide des lois de comportement viscoplastique de matériaux polymères vitreux (PMMA et PS). Les données viscoplastiques obtenues par indentation et par le test de résistance à la rayure peuvent s'interpréter dans le cadre d'une théorie moléculaire d'activation de Eyring. Les résultats issus des essais menés à petite vitesse de déformation (< 0. 1 Hz) permettent de définir un volume d'activation du matériau polymère (lnm3 pour le PMMA et 0. 4nm3 pour le PS). Les données issues des tests de résistance à la rayure montrent qu'à grande vitesse de déformation (> 0. 1 Hz), la dissipation viscoélastique augmente dans le contact et que le volume d'activation déduit diminue. Ce phénomène est interprété comme une transition vers une relaxation de type (3 du matériau polymère. L'origine de la longueur caractéristique d'hétérogénéité reste à éclaircir. S'agit-il bien d'une évolution des propriétés mécaniques, liée à la diminution de la fenêtre d'analyse? S'agit-il d'une longueur liée aux propriétés intrinsèques de la surface? Cette dernière rendrait, par conséquent, les propriétés mécaniques d'une surface hétérogènes.