• Langue : Français
• Discipline : Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil
• Identifiant : 2022ULILN045
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 15/12/2022

Résumé en langue originale

Les nanomatériaux sont actuellement largement utilisés dans le domaine bio-médical et jouent un rôle crucial dans les stratégies modernes pour remédier aux dysfonctionnements des tissus souples naturels tels que les tendons, les ligaments et les disques intervertébraux. Par ailleurs, les progrès de la biomécanique sont étroitement liés à l'élaboration de nouveaux biomatériaux tout en répondant à certains besoins spécifiques. Au cours des dernières décennies, une attention toute particulière a été portée à la combinaison de la nanotechnologie à d'autres domaines scientifiques dans le but d'obtenir de nouveaux biomatériaux avancés. Les matériaux souples renforcés par des nanoparticules inorganiques sont un exemple d'une telle combinaison entre la nanotechnologie et la science des biomatériaux. Ces biomatériaux peuvent imiter les propriétés chimiques, mécaniques, électriques et biologiques des tissus naturels. La présente thèse aborde le problème de la représentation constitutive multi-échelle du comportement inélastique multiaxial des matériaux souples renforcés par des nanoparticules inorganiques. La principale réalisation de cette thèse concerne le développement d'un modèle entièrement tridimensionnel, dans le cadre d'un traitement micromécanique, pour analyser la rupture, la capacité d'auto-guérison et les mécanismes de renforcement des nanoparticules tout en tenant compte des effets environnementaux. La représentation constitutive du système matériau est traitée à l'aide d'une cellule unitaire cubique contenant neuf nanoparticules ; une nanoparticule centrale relie huit autres placées aux sommets du cube via un certain nombre de chaînes polymères afin de tenir compte du rôle effectif des nanoparticules sur le comportement macroscopique non linéaire en grandes transformations. Les interactions directes en champ proche entre les nanoparticules et le réseau de chaînes sont physiquement décrites à l'aide d'une transition d'échelle micro-macro dans le cadre de la théorie de l'inclusion d'Eshelby. Le modèle considère explicitement le réseau de chaînes ainsi que les mécanismes réversibles de détachement / ré-attachement des liaisons dynamiques pour décrire de manière cohérente l'extensibilité extrême dépendante de la vitesse de sollicitation et certaines caractéristiques inélastiques, notamment la forte hystérésis lors des phases d'étirement-rétraction et la relaxation continue. Une évaluation quantitative de notre modèle est présentée à l'aide de comparaisons à des données expérimentales disponibles pour une variété de systèmes matériaux nanocomposites contenant une large gamme de concentrations de nanoparticules et pour différents modes de déformation lors de séquences de chargement monotones et cycliques. Le modèle s'avère capable de reproduire avec succès les différentes caractéristiques de la réponse multiaxiale macroscopique. Il est enfin utilisé pour mettre en évidence certaines informations clés sur les mécanismes de renforcement des nanoparticules et leur rôle sur la dissipation multiaxiale, la rupture multiaxiale et la capacité d'auto-guérison à température ambiante tout en tenant compte des effets de gonflement.

Résumé traduit

Nanomaterials are currently widely used in bio-applications and play a crucial role in modern strategies to remedy malfunctions of natural soft tissues such as tendons, ligaments and intervertebral discs. Besides, progress in biomechanics is closely related to the elaboration of new biomaterials tailored to suit certain specifications. The combination of nanotechnology with other fields of science has attracted increasing attention during the past decades to get improved biomaterials. Soft materials reinforced by inorganic nanoparticles are an example of such a combination between nanotechnology and biomaterial science. These biomaterials can mimic the chemical, mechanical, electrical, and biological properties of native tissues. The present PhD dissertation addresses the problem of the multiscale constitutive representation of the multiaxial inelastic behavior of soft materials reinforced by inorganic nanoparticles. The main achievement of this PhD concerns the development of a fully three-dimensional model within a micromechanical treatment to analyze the failure, the self-healing facility and the nanofiller reinforcement mechanisms considering the environmental effects. The material system is representatively regarded as a cubic unit cell containing nine nanoparticles; a central nanoparticle connects eight nanoparticles placed at the cube vertices via a number of polymer chains to account for the effective role of nanoparticles on the nonlinear and finite-strain macro-behavior. The near-field direct interactions between the nanoparticles and the chains network are physically described using a micro-macro scale transition within the Eshelby inclusion theory. The model explicitly considers the chains network with dynamic reversible detachable/re-attachable mechanisms of bonds to coherently capture the rate-dependent extreme stretchability and some inelastic features including strong hysteresis upon stretching-retraction and continuous relaxation. A quantitative evaluation of our model is presented by comparisons to available experimental data of a variety of nanocomposite material systems over a wide range of nanoparticle concentrations for different modes of deformation upon monotonic and cyclic loading sequences. The model is found being able to successfully reproduce the significant features of the multiaxial macro-response. It is finally used to highlight some important insights on the nanoparticle reinforcement mechanisms and their role on the multiaxial dissipation, multiaxial failure and room temperature self-healing facility considering the swelling effects.