Soutenance mémoire
Dans notre étude des polymères, on s’intéresse à la détermination des propriétés mécaniques de ces macromolécules. Le module de Young et le coefficient de Poisson ainsi que les autres paramètres qui s’en déduisent comme le module de Coulomb G et le module de compressibilité K seront déterminés. La plupart des caractéristiques mécaniques des polymères varient beaucoup en fonction de la vitesse de déformation de la température et de la nature chimique du milieu (présence d’eau, d’oxygène, de solvants organiques etc.). Ces caractéristiques sont parfois nécessaires pour la mise en forme du matériau.
Pour le cas des polyimides on note une plage de travail très large, comprise entre -269 et 400°C. Nous allons nous intéresser à leur élasticité pour voir si leurs effets est à l’origine de ce comportement spécifique. Un simple essai de traction permet de déterminer ces paramètres mais on note de légères modifications des éprouvettes et des machines de traction par rapport aux métaux. Des méthodes non destructives de vibrations ou par ultrasons seront décrites. L’intérêt des matériaux macromoléculaires réside dans leur faible densité (comprise entre 0,9 et 1,5) [1] et leur facilité de mise en œuvre.
Matériaux polymères
Les polymères sont des matériaux constitués de molécules de grande dimension (macromolécule) construites par répétition d’un motif monomère[1]. La polymérisation est basée sur deux procédés : condensation et addition. La polycondensation est la réaction entre corps à plusieurs fonctions pour former des macromolécules avec élimination d’une petite entité en général l’eau et la polyaddition est une répétition d’un très grand nombre de molécules insaturées (monomères) [2,3]. Un monomère est une suite d’atomes de carbone liés entre eux et avec d’autres éléments (H, N, Si, Cl,….). La structure d’un polymère est linéaire et/ou ramifiée, à liaisons transversales ou réticulées. Les polymères sont classés en fonction de leurs propriétés en trois catégories : les thermoplastiques, les thermodurcissables et les élastomères[1,2].
Les thermoplastiques
Les thermoplastiques (Fig. 1a) se ramollissent à chaud et peuvent être moulés en conservant leur forme après refroidissement. Ce sont des macromolécules linéaires constitués de longues chaînes de molécules reliées par des liaisons covalentes fortes et éventuellement des liaisons latérales faibles de Van der Waals ou hydrogène[1,3]. Plusieurs polymères [polyméthacrylate de méthyle (PMMA), polyamide 6 (PA 6), polyamide 6-6 (PA 6-6 ou nylon), polyéthylène (PE), polystyrène (PS),…] sont classés dans les thermoplastiques. Les polymères thermoplastiques sont soit amorphes (polycarbonate PC, PS, PMMA ; acrylonitrile butadiène styrène ABS,…) et ne présentent pas d’arrangement intermoléculaires ou interatomiques à longue distance ; soit semi-cristallin (PE, polypropène PP, le nylon, …) et possèdent des zones cristallines et amorphes [4,5]. Le taux de cristallinité varie de 20% à 80% en fonction des produits. Le polyétheréthercétone (PEEK) par exemple: est cristallin à 30% et amorphe à 70%. Quant un thermoplastique est chauffé, il se ramollit et se transforme en liquide plus ou moins visqueux. Cependant ; les polymères amorphes chauffés passent de manière progressive d’un état solide à un état fluide sans palier de changement d’état. La température à laquelle il est possible de réaliser les opérations de moulage est appelée température de transition vitreuse (Tv). Les polymères semi-cristallins présentent un palier de changement d’état à une température de fusion (Tf) qui correspond à la désorganisation de la cristallite. La plage de travail d’un polymère est le domaine de température où les chaines sont mobiles les unes par rapport aux autres et permettant le moulage [2]. Elle est comprise entre de 100°C à 250°C environ. Les thermoplastiques peuvent être refondus et remodelés un grand nombre de fois tout en conservant leurs propriétés. A l’exception du polyamide, ils sont insensibles à l’humidité et aux parasites, et peuvent être fabriqués dans une gamme de couleurs très étendue. Cependant, les thermoplastiques ont un fluage et un coefficient de dilatation linéaire élevés : ce sont des combustibles. Ils sont insensibles aux UV et aux électrostatiques. Les thermoplastiques ont des propriétés qui varient énormément avec la température [6].
Les thermodurcissables
Les thermodurcissables ou thermorigides tridimensionnels (Fig.1b) [2,4] sont constitués de molécules formant un réseau d’espace désordonné avec des liaisons covalentes. Ce sont des polymères qui, lors de leur formation, deviennent de plus en plus dur au fur et mesure qu’on les chauffe. Cette modification chimique est irréversible et conduit à un solide que l’on ne peut plus ramollir par la chaleur [1-4]. Les thermodurcissables sont généralement fragiles. Leur module d’élasticité (E) est compris entre 3 000 et 10 000 MPa et leur résistance à la rupture (σR) varie entre 25 et 80 MPa. Dans ce groupe, peuvent être classés les polyesters, polyépoxydes, polyimides, phénoliques,…. [5,7]. Ils résistent bien aux températures élevées (supérieur à 200°C) [6], aux attaques chimiques et présentent une meilleure résistance au fluage que les thermoplastiques. Cependant leur mise en œuvre est moins pratique et plus lente.
Les élastomères
Les élastomères peuvent être considérés comme une famille supplémentaire de polymères qui sont obtenus par synthèse chimique et se sont caractérisés par une très grande élasticité longitudinale [6]. Ils ont les mêmes propriétés que les caoutchoucs naturels et sont constitués de longues chaines moléculaires repliées sur elles mêmes au repos [2]. C’est le cas des molécules de butadiène, acrylonitrile, éthylène-acétate de vinyle, polychloroprène, …. Pour un bon déploiement de ses chaines sans les faire glisser, ni supprimer leur flexibilité, le caoutchouc doit être vulcanisé. Contrairement à leur grande élasticité longitudinale, les élastomères présentent un module d’élasticité (E) très petit (inférieur à 10N/mm2 ) [6] ; traduisant une faible rigidité [7] et une très grande ductilité.
Comportement contrainte – déformation
Théorie de l’élasticité
La théorie de l’élasticité étudie la relation entre les déformations subies par un objet et les forces qui lui sont appliquées. Le comportement élastique d’un matériau correspond à de petits déplacements réversibles des atomes autour de leur position d’équilibre. Sous l’action d’une force, les atomes peuvent s’écarter [1,8]. Cette réaction est provoquée par des forces de liaison qui tendent à les rapprocher. Dans le cas des matériaux métalliques et des polymères non étirés et non renforcés, les caractéristiques d’élasticité sont indépendantes de la direction et leur comportement élastique est linéaire. Ce n’est pas le cas pour les composites ou certains polymères pour lesquels le module de Young varie avec l’amplitude de la déformation du fait de l’orientation de la macromolécule. Ce comportement correspond à des lois d’élasticité non linéaire [1]. Le module de Young E (extension uniaxiale), le module de cisaillement G (cisaillement simple) et le module de compressibilité volumique K (compression uniforme) sont les comportements élastiques que l’on peut déterminer pour l’étude d’un certain type de déformations simples [8]. A l’instar des métaux, on prévoit trois types de comportement pour les polymères (Fig. 2). La courbe A illustre le comportement fragile dont la rupture s’accompagne d’une déformation élastique. La courbe B montre le comportement des polymères plastiques avec les différents stades : une partie élastique suivie d’une partie plastique et de la rupture. La courbe C correspond à une déformation entièrement élastique même avec une contrainte très faible ; c’est-à-dire que le polymère est très ductile (cas des élastomères) .
Les caractéristiques mécaniques des polymères
Les caractéristiques mécaniques des polymères se modifient en fonction de la structure et des conditions de sollicitations c’est-à-dire en fonction de la température et de la vitesse de déformation [11,12]. Une augmentation de la température entraine une diminution du module d’élasticité et une hausse de la ductilité : cas du polyméthacrylate de méthyle (plexiglas). La vitesse de déformation joue également un rôle important. En général toute réduction de la vitesse de déformation a la même influence qu’une augmentation de température c’est-à-dire que le matériau devient plus mou et plus ductile [13]. Il est très important de bien comprendre l’origine physique de la déformation des polymères pour non seulement prévoir et expliquer les mécanismes de déformation et élaborer des modèles rhéologiques ; mais aussi dans l’objectif de fabriquer des matériaux avec des propriétés mécaniques optimales. Dans un solide la distance moyenne (d) entre deux atomes s’établit à une valeur (d0) fonction de la nature de liaison (fig.3). Si on impose aux atomes un déplacement au voisinage de leur position d’équilibre, la force d’interaction les rappelle à la distance d0 (sauf dans le cas d’un écartement au-delà de dd, distance de dissociation des atomes). De telles déformations nécessitent donc l’application d’une force extérieur pour vaincre la force de rappel et sont réversible lorsque cette force extérieur est supprimée.
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Table des matières
Introduction
I. Matériaux polymères
I.1. Les thermoplastiques
I.2. Les thermodurcissables
I.3. Les élastomères
II. Comportement contrainte – déformation
II.1. Théorie de l’élasticité
II.2. Les caractéristiques mécaniques des polymères
III. Origines physiques des constantes élastiques et influence de la température
III.1. Origine physique des constantes élastiques
III.2. Influence de la température
IV. Expérimentation : méthodes de mesures du module d’Young
IV.1. Description de l’essai
IV.3. Théorie (Anélasticité -modèles)
IV.4. Méthode de propagation des ultrasons
V. Résultats des constantes élastiques des polyimides (norme ASTM D-882)
Conclusion
VI. Références Bibliographiques
VII. Documents annexes
