Micromechanics of cavitation in confined soft polymer layers - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Access content directly
Theses Year : 2022

Micromechanics of cavitation in confined soft polymer layers

Micromécanique de la cavitation dans des films d'élastomères confinés

Abstract

Every second, 29 Tb of data are exchanged on the internet, and more than 90% of it travels through fiber-optic cables. The glass fibres are protected by several layers of polymer resins of different mechanical properties. The rapidity of the coating process leads to a build up of internal stresses that can eventually provoke cavitation in the first coating, decreasing the fibre protection. To shed some light on this cavitation behaviour, we investigated elastomer networks based on di-(meth)acrylate functionalized oligomers (PPG8000) and acrylate monomers (EHA and PEA) polymerised in a flash (less than 1 second at high UV intensities). Both the formulation and the polymerisation protocol are comparable to the industrial coatings, making it a representative model system. After an investigation of the influence of the polymerisation process on the network structure, we characterized the material properties (elasticity, strain hardening, toughness) in uniaxial traction test and bulge inflation.Finally, we designed and built an original set-up to test thin confined layers of one to several hundreds of micrometers under mainly hydrostatic traction in a sphere against flat geometry. With this set-up we could observe the nucleation and growth of the cavities as a function of load in real time. From finite element simulations we also determined the local hydrostatic pressure at the location of the first cavitation event. For all formulations and tested thicknesses, the cavitation resistance was well above the theoretical limit of 5E/6. However, reduced thicknesses also led to an increased dispersion to high values of measured pressures for the first cavitation event. The difference in confinement showed a reproducible effect on the cavitation behaviour. Thick samples (500 µm) presented one cavitation event that transitioned to a mode I fracture over the whole sample: decreasing the confined thickness led to multiple cavitation events that appeared to be stabilized over a longer range of applied load. The transition of these multiple cavitation events into mode I fracture processes was observed and analysed. We saw marked differences between the different model formulations and suggest that both toughness and a high level of strain hardening of the elastomer have an effect on the cavities morphology during their growth.
Chaque seconde, 29 To de données sont échangées sur Internet et plus de 90% d'entre elles transitent par fibre optique. Les fibres de verre sont protégées par plusieurs couches de résines polymères de propriétés mécaniques différentes, la vitesse de production des câbles conduit à une accumulation de contraintes internes, pouvant mener à un phénomène de cavitation dans la première couche de protection de la fibre de verre. Afin d'étudier ce phénomère, nous avons synthétisé des réseaux élastomères à base d'oligomères fonctionnalisés di-(méth)acrylates (PPG8000) et de monomères acrylates (EHA et PEA) en polymérisation radicalaire par illumination UV flash (1s) de haute intensité. Par leur formulation et leur procédé de polymérisation, nos réseaux sont des systèmes modèles représentatifs des revêtements industriels. Après avoir étudié l'influence du processus de polymérisation sur la structure du réseau, nous avons caractérisé les propriétés mécaniques du matériau (élasticité, énergie de fracture, raidissement) au travers de tests de traction uniaxiale et de gonflement de membrane.Enfin, nous proposons un montage innovant et original pour tester des couches minces confinées de une à plusieurs centaines de micromètres d'épaisseur sous traction principalement hydrostatique dans une géométrie sphère/plan. Le montage, conçu en interne, permet d'observer en temps réel la nucléation et la croissance de cavités pendant le test. Une analyse par éléments finis a permis de relier la force macroscopique mesurée à la pression hydrostatique locale où le premier événement de cavitation se produit. Toutes les formulations et les épaisseurs testées ont montré une résistance à la cavitation bien supérieure à la limite théorique de 5E/6, la diminution de l'épaisseur conduit à une dispersion accrue vers des pressions élevées pour le premier événement de cavitation. La différence de confinement produit un effet reproductible sur le comportement de la cavitation. Les échantillons épais (500 µm) présentent un événement de cavitation critique qui transite vers une fracture de mode I sur l'ensemble de l'échantillon, la diminution de l'épaisseur conduit à des événements de cavitation multiples qui semblent être stabilisés sur une plus grande gamme de pressions appliquées. L'impact de la formulation du réseau sur la transition de ces cavités multiples en fracture de mode I est analysée. Nous suggérons un effet de l'énergie de fracture et du raidissement des différents matériaux sur la morphologie des cavités pendant leur croissance.
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Dates and versions

tel-04026010 , version 1 (13-03-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04026010 , version 1

Cite

Flora-Maud Le Menn. Micromechanics of cavitation in confined soft polymer layers. Material chemistry. Université Paris sciences et lettres, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPSLS044⟩. ⟨tel-04026010⟩
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