Description

Les polymères thermoplastiques jouent un rôle clé dans les transports et l’énergie grâce à leur légèreté et à leur potentiel de réduction d’empreinte carbone. Leur durabilité dépend cependant de la stabilité de leurs propriétés mécaniques. En service, ils subissent un vieillissement chimique dominé par l’oxydation et l’hydrolyse, souvent accélérées par l’humidité ou les environnements marins. Ces mécanismes modifient la structure moléculaire et transforment les modes de déformation et de rupture.

Cette thèse vise à quantifier l’impact de ce vieillissement sur l’apparition et l’évolution de la nucléation et de la cavitation sous traction. L’objectif est d’identifier les seuils à partir desquels émergent les micro-vides, puis de comprendre leur transition vers une cavitation active contrôlant la localisation de la déformation et la rupture.L’approche repose sur un suivi in operando par microtomographie à rayons X. Des matériaux vieillis de manière contrôlée seront testés en traction sous faisceau afin d’observer en volume et en temps réel l’apparition, la croissance et la coalescence des cavités. L’ambition est d’établir un lien quantifié entre état chimique, propriétés de transport et cinétique de cavitation.

Trois thermoplastiques seront étudiés :

– le polyéthylène (PE), référence ductile pour la cavitation plastique ;

– le polyamide (PA), sensible à l’humidité, pour analyser le lien entre hydrolyse et transition ductile-fragile ;

– un biopolyester (PLA, PBS…), matériau biosourcé dont les mécanismes après vieillissement restent peu documentés.

Si les mécanismes de vieillissement chimique et la cavitation à l’état initial sont bien décrits, il manque une approche intégrée reliant quantitativement vieillissement, transferts hydriques et cinétique de cavitation observée in situ. L’originalité du projet est de considérer la cavitation comme un phénomène couplé hydromécanique et chimique, le vieillissement devenant une variable active pilotant la nucléation via l’évolution conjointe de la chimie, de la microstructure et des transferts. Un dispositif de traction compatible microtomographie sera développé afin de corréler déformation et endommagement volumique. Ce projet contribuera à mieux prédire la durée de vie des thermoplastiques et à accompagner l’intégration de matériaux plus durables dans les transports et les systèmes énergétiques.

Compétences requises

M2R Matériaux Bonne connaissance sur les polymères (y compris comportement mécanique)

Bibliographie

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Limsukon W., Rubino M., Rabnawaz M., Lim L.T., Auras R. Hydrolytic degradation of poly(lactic acid). Polymer Degradation and Stability, 2023. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2023.110537
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Mots clés

thermo-oxydation, cavitation, Polymère thermoplastique, Imagerie X, Nucleation, Couplage hydromécanique