Micromechanisms and macroscopic behaviour of a highly-filled elastomer
Micromécanismes et comportement macroscopique d'un élastomère fortement chargé
Résumé
The main goal is to study the mechanical behaviour of the propellant, an energetic material used in propulsion. In order to model correctly this mechanical behaviour, it seems necessary to understand the relationships between the physics of the propellant (highly-filled elastomer) and its macroscopic properties. An experimental and numerical multi-scale approach is emphasized in this work. The design of experiment method is applied to formulate 22 materials. The microstructure of these materials is characterized by physico-chemical tests. Numerical modeling of the strained microstructure enables us to examine the heterogeneity of the mechanical fields. Nuclear magnetic resonance tests are performed for the analysis of the segmental mobility evolution of the polymer chains as the material is strained. At a macroscopic scale, dynamic mechanical analysis (DMA) tests are performed. The influence of prestrain is measured at room temperature and as a function of temperature. A strong nonlinearity is observed in the material behaviour and micromechanisms are suggested. Finally, the isotropy of the micromechanisms is analysed using multiaxially prestrained DMA tests.
Le principal objectif de la thèse est d'étudier le comportement du propergol, matériau énergétique utilisé dans la propulsion. Dans le but de modéliser de façon cohérente le comportement mécanique, il est nécessaire de comprendre les liens entre la physique du propergol (élastomère fortement chargé) et ses propriétés macroscopiques. Une analyse expérimentale et numérique multi-échelles est privilégiée dans notre étude. Un plan d'expérience est construit et conduit à la fabrication de 22 compositions, dont la microstructure est caractérisée grâce à des essais d'analyse physico-chimique. Une simulation numérique de la déformation de la microstructure permet de plus d'étudier la répartition hétérogène des contraintes dans celle-ci. Un essai de résonance magnétique nucléaire (RMN) sous contrainte est mis en place et réalisé de façon à analyser l'évolution de la mobilité des segments de chaînes de polymère lorsque le matériau est déformé. A l'échelle macroscopique, le comportement viscoélastique est caractérisé par plusieurs essais d'analyse mécanique dynamique (DMA). L'influence de la prédéformation est examinée à température ambiante puis en fonction de la température. Une forte non linéarité du comportement mesuré est observée en fonction de cette prédéformation et des micromécanismes de déformation sont mis en évidence. Enfin, l'isotropie de ces micromécanismes est analysée grâce à des essais de DMA sous prédéformations multiaxiales.