Offre de Thèse : De la cristallisation et des organisations structurales, induites par fabrication 3D, vers la maîtrise de l’anisotropie de comportement électromécanique et de l’endommagement du PVDF dans sa forme piézoélectrique.

    THÈSE CEMEF 2021 : De la cristallisation et des organisations structurales, induites par fabrication 3D, vers la maîtrise de l’anisotropie de comportement électromécanique et de l’endommagement du PVDF dans sa forme piézoélectrique.

    Contexte

    De nouvelles méthodes de fabrication ont émergé avec le fort déploiement des imprimantes 3D, autorisant ainsi de belles réussites technologiques (industrie 4.0). Plusieurs voies d’amélioration sont toujours en cours, en particulier l’impression mettant en jeu des couplages avec d’autres grandeurs physiques que celles usuelles, et ceci notamment pour la fabrication d’objets en polymère technique à forte valeur ajoutée. Le polyfluorure de vinylidène (PVDF) est un polymère qui a la particularité de présenter plusieurs phases cristallines, l’une d’entre-elles, la phase β (Figure 1), ayant un très fort caractère piézoélectrique.

    Phase β du PVDF

    Figure 1 : Phase β du PVDF avec l'axe c sortant (selon le squelette de la chaîne macromoléculaire) et b vertical (celui du dipôle électrique résultant à l'échelle de la maille Ptot lui conférant un fort caractère piézoélectrique [Nakhmanson]

    La communauté scientifique ainsi que plusieurs industriels (dont Arkema en France) s’intéressent à la maîtrise de l’impression du PVDF sous sa forme β, de surcroît avec un taux de cristallinité le plus élevé possible. C’est le premier défi.
    Il faut également noter que, depuis quelques temps, un regain d’intérêt pour le PVDF se formalise. Contrairement aux céramiques de synthèse piézoélectriques (PZT ou autres dérivés), le PVDF est léger, flexible mécaniquement, ce qui en fait un matériau de choix pour plusieurs applications (Figure 2) aussi bien dans les domaines de la transition énergétique (micro et nano-générateurs pour le harversting) et que celui de la santé (actionneurs et capteurs, dont certains in vivo).

    MicroTribogénérateur très haute performance

    Figure 2 : MicroTribogénérateur très haute performance, à base de membranes piézoélectriques de PVDF [Soin]

    Le deuxième défi est alors de promouvoir un démonstrateur imprimé, optimisant un fort couplage mécanique/électrique et dont les propriétés sont amenées au niveau du cahier des charges des applications visées.
    L’anisotropie propagée à plusieurs échelles, à contrôler pendant le processus de cristallisation, favorise les propriétés piézoélectriques, mais rend la modélisation mécanique plus complexe. En effet, même pour une nuance de PVDF à microstructure sphérolitique (Figure 3) donc supposée isotrope à l’échelle du volume élémentaire représentatif, la cavitation soit émanant de l’équateur, soit aboutissant aux pôles des sphérolites présente un caractère anisotrope manifeste.

    Micrographies MEB de la microstructure sphérolitique d’échantillons de différents PVDF

    Figure 3 : Micrographies MEB de la microstructure sphérolitique d’échantillons de différents PVDF avant (A, B) et après déformation (A→C et B→D). En rouge, une morphologie sphérolitique en bandes, et en jaune, la morphologie classique. (C) et (D) sont les faciès de rupture (la direction de sollicitation est perpendiculaire à l’image) [Li]

    La modélisation numérique de cette anisotropie d’endommagement représente encore un champ d’investigation insuffisamment exploré, du moins pour les polymères semi-cristallins.
    Imagerie 3D par tomographie au synchrotron de microstructures sphérolitiques déformées

    Figure 4 : Imagerie 3D par tomographie au synchrotron de microstructures sphérolitiques déformées et cavités sur plusieurs thermoplastiques. La germination de cavité s’effectue aussi bien à partir de décohésion particules rigides/matrice qu’à partir de la structure sphérolitique elle-même (pôles ou équateur). L’importance de la différence de tailles entre les particules et les sphérolites est cruciale

    Cette étude vise en plus de prendre en compte une anisotropie de microstructure initiale dans des modèles constitutifs à base physique.

    Objectif général

    Ce projet interroge deux défis : obtenir par fabrication additive, la phase cristalline piézoélectrique du PVDF, et exploiter la forte anisotropie de comportement mécanique et électrique. La nécessaire maîtrise d’une chaîne de valeurs, allant de la cristallisation assistée jusqu’à l’impact de la porosité sur les propriétés d’usage, se construira à l’aide d’expérimentations innovantes et des modélisations avancées, aux différentes échelles pertinentes.

    Présentation détaillée

    CDM
    - Comportement sous chargements mécaniques du PVDF issu de procédé innovant de fabrication additive ;
    - Caractérisation des micro- et méso-structures selon différents paramètres de fabrication et sur démonstrateur final ;
    - Prise en compte de la forte anisotropie mécanique, en lien avec la cristallisation, et de l'effet des chargements pour l’établissement de lois de comportement dédiées autorisant également de rendre compte de la rupture du matériau, et ceci suivant une approche multi-échelle incluant la micro- et méso-structure ;
    - Prise en compte de la porosité initiale laissée entre chaque couche dans le process.
    CEMEF
    - Evolution prototypage sur technologie 3D des organiques ;
    - Maîtrise assistée de la fusion-cristallisation, des structures multi-échelles induites par procédé innovant (écoulement sous couplage) ;
    - Comportement et réponse électriques selon différents paramètres de fabrication et sur démonstrateur final, à des fins d'optimisation de la fonctionnalité piézoélectrique ;
    - Apport de la diffraction des rayons X pour la détermination des contraintes internes et le suivi des évolutions de nano- et micro-structures (cristallites), lors d'essais in situ tant en température qu'au cours de la polarisation électrique.

    Références bibliographiques :
    1) Morgeneyer, T., Proudhon, H., Cloetens, P., Ludwig, W., Roirand, Q., Laiarinandrasana, L., Maire, E. Nanovoid morphology and distribution in deformed HDPE studied by magnified synchrotron radiation holotomography. Polymer 55: 6439-6443, 2014.
    2) Cao T.S., Maziere M., Danas K., Besson J., A model for ductile damage prediction at low stress triaxialities incorporating void shape change and void rotation. Int J Solids Struct 63:240–26, 2015.
    3) S.A.E. Boyer, L. Jandet, A. Burr, 3D-Extrusion manufacturing of a kaolinite dough taken in its pristine state. Frontiers in Materials, In press, 2021. DOI: 10.3389/fmats.2021.582885.
    4) R. Pesci, K. Inal, S. Berveiller, E. Patoor, J.S. Lecomte, A. Eberhardt, Inter- and Intragranular Stress Determination with Kossel Microdiffraction in a Scanning Electron Microscope, Materials Science Forum, Vol. 524-525, p.109-114, 2006.


    Profil et compétences recherchés

    • Ingénieur ou Master 2, Sciences des Matériaux, Mécanique des Matériaux
    • Goût pour le travail de développement expérimental et de la pratique des techniques de caractérisation avancée
    • Aptitude à la modélisation et simulation numérique
    • Bon niveau en anglais
    • Autonomie, curiosité, imagination, ténacité et facilité de communication régulière avec plusieurs interlocuteurs


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    Informations générales

    • Thème/Domaine : Mécanique Numérique et Matériaux
    • Lieu de travail : CMAT (basé à Evry) et CEMEF (MINES ParisTech, Sophia Antipolis, 06).
    • Mots clés : PVDF, Piézoélectricité, Cristallisation des polymères, Structures multi-échelles, Anisotropie de comportement et d’endommagement, Contraintes résiduelles/internes, Microscopie, Diffraction et Micro-diffraction des rayons X, Tomographie
    • Type de projet/collaboration : CMAT Evry
    • Durée de contrat : 3 ans à partir du 4 octobre 2021
    • Rémunération : environ 26k€ brut annuel

    Contacts

    • Equipes de recherche : MEM [CMAT] et Pôle Surfaces et Procédés [PSP - CEMEF]
    • Encadrants : Lucien LAIARINANDRASANA [CMAT-Evry], Karim INAL [PSP-CEMEF]

    Consignes pour candidater

    • les papiers requis pour postuler :
    • CV détaillé
    • Lettre de motivation
    • Deux lettres de recommandation
    • Relevés de notes des trois dernières années et classement dans la promotion
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