• Langue : Français
• Discipline : Milieux denses, matériaux et composants
• Identifiant : 2025ULILR069
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 16/12/2025

Résumé en langue originale

Le Polyéthylène à Ultra Haut Poids Moléculaire (UHMWPE) est un polymère ductile reconnu pour ses remarquables propriétés de résistance à l'usure et aux chocs, liées à ses longues chaines macromoléculaires. Cette structure moléculaire lui confère également une viscosité si élevée à l'état fondu que seuls des procédés de mise en forme de type frittage (inspirée de la métallurgie des poudres) peuvent être utilisés. Dans le cas particulier des poudres natives d'UHMWPE, le frittage peut s'effectuer sur des temps courts (de l'ordre de ~1 min) grâce à un phénomène appelé « explosion à la fusion ». Malgré ses nombreux atouts, l'UHMWPE présente un module d'élasticité relativement faible (quelques centaines de MPa) et nécessite d'être renforcé pour un certain nombre d'applications.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux matériaux composites co-continus UHMWPE/métal, élaborés par frittage ultra-rapide par induction. Le choix d'un métal est motivé par deux exigences. D'un point de vue mécanique, la rigidité élevée et la ductilité du métal permettront de compenser la faible raideur du polymère tout en conservant une bonne ductilité à l'échelle du composite. D'un point de vue mise en forme, la nature électriquement conductrice du métal en fait un matériau particulièrement adapté à la chauffe par induction.Dans une première étape, des matériaux architecturés métalliques tridimensionnels en aluminium et en fonte sont fabriqués par un procédé de fonderie à modèle perdu. Ces structures à cellules cubiques sont ensuite remplies de poudre native d'UHMWPE, puis chauffées par induction. Les matériaux architecturés métalliques servent alors de vecteur de chauffe par induction.Les résultats montrent que la chauffe rapide et homogène du polymère est directement liée à la configuration co-continue du composite. En effet, la présence d'un double réseau interconnecté métal/polymère favorise un transfert thermique efficace par conduction du métal vers l'ensemble du polymère. Par ailleurs, les simulations numériques, en complément des observations expérimentales, ont permis de mieux comprendre les cinétiques de chauffe au sein du composite et de confirmer que la rapidité du frittage peut être ajustée par la géométrie de la structure métallique et par la nature du métal utilisé.Les essais en compression uniaxiale montrent que les composites co-continus combinent effectivement la rigidité de la structure métallique avec la ductilité du polymère. En outre, la caractérisation microstructurale par tomographie aux rayons X a révélé que le polymère induit un changement des modes de rupture de la structure métallique au sein des composites.Ce travail démontre ainsi la faisabilité du frittage ultra-rapide par induction comme voie d'élaboration de composites co-continus UHMWPE/métal et ouvre la voie à la conception de nouveaux matériaux aux propriétés diversifiées.Mots-clés : UHMWPE, frittage rapide, induction, matériaux co-continus, composites, matériaux architecturées, simulation numérique, propriétés mécaniques, tomographie RX.

Résumé traduit

Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) is a ductile polymer known for its remarkable wear and impact resistance, which is attributed to its long macromolecular chains. This molecular structure also results in such a high melt viscosity that only sintering type process (inspired by powder metallurgy) can be used. In the specific case of nascent UHMWPE powder, sintering can be processed over short durations (around ~1 minute) thanks to a phenomenon called “melting explosion.” Despite its many advantages, UHMWPE has a relatively low elastic modulus (a few hundred MPa) and needs to be reinforced for various applications.In this context, the objective of this work is focused on the development of novel co-continuous UHMWPE/metal composites processed by ultra-fast induction sintering. The choice of metal is motivated by two requirements : from a mechanical point of view, the high stiffness and ductility of metals help compensate for the low stiffness of the polymer while maintaining good overall ductility. From a processing perspective, the electrical conductivity of metals makes them particularly suitable for induction heating.In a first step, three-dimensional architectured metallic structures made of aluminum and cast iron are manufactured by investment casting. These cubic-cell structures are then filled with nascent UHMWPE powder and subsequently heated by induction. The architectured metallic network thus acts as heat conductor during sintering.The results show that the rapid and homogeneous heating of the polymer is directly linked to the co-continuous configuration of the composite. The presence of an interpenetrated metal/polymer network promotes efficient heat transfer by conduction throughout the entire polymer. Furthermore, numerical simulations, in addition to the experimental observations, provided a better understanding of the heating kinetics within the composite and confirmed that the sintering rate can be tuned by the geometry of the metallic structure and by the nature of the metal used.Mechanical characterization demonstrates that the co-continuous composites successfully combine the stiffness of the metallic structure with the ductility of the polymer. In addition, X-ray tomography analysis reveals that the polymer modifies the failure modes of the metallic architecture.This work demonstrates the feasibility of rapid induction sintering as an efficient processing route for the manufacturing of co-continuous UHMWPE/metal composites, opening new ways for the design of new materials with tailored and multifunctional properties.Keywords : UHMWPE ; ultra-fast sintering; induction heating; co-continuous materials; composites; architectured materials; numerical simulation; mechanical properties; X-ray tomography.