| Contribution à l’étude des couplages dans les interfaces, les polymères et les milieux poreux |
Les travaux de mon HDR relèvent du domaine de la modélisation et concernent la formulation de couplages multiphysiques dans les matériaux. Le point de départ de cette recherche est lié à une problématique d’endommagement sur un produit industriel : le phénomène de cavitation par décompression explosive de gaz dissous dans les polymères d’étanchéïté des conduites flexibles sous-marines. Par extension, il s’adresse aussi à tous les milieux poreux qui sont soumis à des effets de transfert de masse, de chaleur, de plasticité ou d’endommagement, comme les supports de catalyseur ou les milieux naturels du sous-sol.
Dans ce cadre, certains couplages entre plasticité et endommagement ont également été abordés et ce, sous différents prismes : celui d’une approche bi-phasique viscoplastique et celui des zones cohésives1.
La démarche générale que j’ai suivie a consisté à se placer dans le cadre théorique de l’approche Thermodynamique des Processus Irréversibles (TPI)2 afin de déduire des lois de comportement couplées qui soient en accord avec les principes fondamentaux de la thermodynamique. Les résultats obtenus sont issus d’une forte collaboration avec des partenaires académiques3.
Cette démarche a permis d’apporter un éclairage sur les processus de couplage existants entre les transferts de masse et les phénomènes de déformation et d’endommagement des polymères semi-cristallins4 [1,2]. Plus spécifiquement, la nature mixte, à la fois Fickienne et Darcéenne, de ces transferts induit des efforts internes pouvant générer des phénomènes de cavitation localisés a priori contre-intuitifs (le matériau étant en compression). La Figure 1 illustre un exemple de simulation de cavitation obtenue dans un polymère PolyVynil-Di-Fluoré (PVDF) soumis à une forte pression externe d’eau.
Au-delà de cet exemple, le cadre théorique obtenu permet de proposer une forme explicite pour une contrainte chimio-mécanique, en introduisant le potentiel chimique comme moteur principal des couplages. Cette formulation peut, par exemple, être étendue à la description de lois de sorption dans les milieux poreux nano-confinés (comme les zéolites5) ou à la croissance de dendrites dans les batteries à électrolytes solides. Sur ce dernier thème, un travail est en cours pour adapter le formalisme du modèle à la présence de champs électriques et de phénomènes électrochimiques.
La démarche a été récemment utilisée pour développer de nouvelles architectures de matériaux poreux par optimisation topologique [3] et nous prévoyons de la déployer sur le cas des échangeurs à concentration solaire pour les procédés énergivores ou pour la production de carburants solaires (voir Figure 1). Un dernier cas d’application à venir concerne le design d’aimants optimisés afin augmenter l’efficacité des machines électriques.
1 Le formalisme des zones cohésives permet de traiter le comportement mécanique des discontinuités d’interface entre deux milieux de propriétés différentes par le biais des sauts de déplacement
2 Par opposition à la thermodynamique « classique » (transformations réversibles), le cadre permet de décrire les systèmes hors-équilibre qui évoluent par une suite d'états d'équilibre
3 En particulier l’Institut P’ et l’Université de Poitiers
4 Aluminosilicates cristallins d'intérêt pour la fabrication des supports de catalyseurs
Références :
- C. Baudet · J.-C. Grandidier · L. Cangémi (2011). A damage model for the blistering of polyvinylidene fluoride subjected to carbon dioxide decompression. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 09/2011; 59(9):1909-1926
>> https://doi.org/10.1016/j.jmps.2011.04.010
- Castro-Lopez, C., "Modélisation du comportement diffuso-mécanique d’un polymère semi-cristallin sous pression d’eau". Thèse de l’Université de Poitiers, soutenue le 11 septembre 2015
- G. O. Agyekum, L. Cangémi and François Jouve (2022). Homogenization based topology optimization of fluid-pressure loaded structures using the Biot–Darcy Model. Optim Eng 25, 459–490 (2024)
>> https://doi.org/10.1007/s11081-023-09811-1
A contacter : Laurent Cangémi