Projet ANR-12-BS09-0014 – StickSlip : Dynamique de rupture saccadée dans les polymères
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Loïc VANEL (Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et Nanostructures)
Partenaires : Laboratoire de Physique de l'Ens de Lyon; Institut Lumière Matière; Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques; Sciences et Ingénierie de la Matière Molle
Montant : 409999.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Dynamique de rupture saccadée dans les polymèresComprendre les instabilités de rupture en distinguant les effets liés à la géométrie de rupture, à la rhéologie du polymère et à la présence d'hétérogénéités au voisinage de la surface de fracture.
Enjeux - ObjectifsL’instabilité dynamique de rupture qui concerne ce projet est une instabilité dite de stick-slip correspondant à la croissance saccadée d’une fissure. Les instabilités de stick-slip sont observées dans de nombreux systèmes, notamment dans les caoutchoucs hétérogènes utilisés dans l’industrie du pneu ainsi que lors du pelage à grande vitesse d’adhésifs dans les procédés industriels d’étiquetage automatisé, le collage de pièces automobiles ou encore la pose de ruban d’étanchéité pour des applications électroniques. Globalement, les gênes occasionnées par le stick-slip dans les bandes adhésives réduisent la productivité industrielle et limitent le développement de nouvelles solutions techniques.Du point de vue de la science fondamentale, la dépendance non monotone de l’énergie de rupture avec la vitesse de la fissure, responsable du déclenchement de l’instabilité de stick-slip, demeure difficile à comprendre quantitativement. Cette difficulté provient de l’interaction complexe entre la géométrie de rupture, la réponse mécanique non linéaire des matériaux sollicités à de grandes déformations et la présence d’hétérogénéités, issues de la microstructure du matériau ou bien induites par le mécanisme de rupture. De plus, les divers paramètres physiques qui ont un effet sur l’instabilité de stick-slip ont très rarement été corrélés aux caractéristiques de la dynamique de stick-slip (vitesses, durées et amplitudes de stick et de slip).
MéthodesLe projet s'appuie sur des outils expérimentaux nouveaux et conçus sur mesure afin de résoudre temporellement et spatialement le mouvement du front de fissure pendant un cycle de stick-slip dans deux situations : (i) la rupture d’un adhésif à l’interface entre un film support et un substrat ; (ii) la rupture en volume d’un élastomère.La mesure des caractéristiques détaillées du mouvement de stick-slip doit nous permettre d’identifier les paramètres clés contrôlant l’instabilité (géométrie, rhéologie de l’adhésif ou de l’élastomère). Les expériences réalisées permettront également de tester de nouvelles idées concernant l’effet d’hétérogénéités interfaciales ou en volume sur le stick-slip. Le mouvement collectif intermittent qui se produit lors d’un stick-slip adhésif pourrait être perturbé par la présence d’hétérogénéités. Un objectif majeur du projet est de comprendre si les hétérogénéités peuvent, dans certaines conditions, faire disparaître l’instabilité de stick-slip à l’échelle macroscopique en détruisant les corrélations à grande échelle, et en confinant la dynamique de stick-slip à des petites échelles moins dommageables pour les applications industrielles. Etre capable de contrôler proprement les hétérogénéités est un enjeu important du projet.
Résumé de la soumission : L’instabilité dynamique de rupture qui concerne ce projet est une instabilité dite de stick-slip correspondant à la croissance saccadée d’une fissure. Les instabilités de stick-slip sont observées dans de nombreux systèmes, notamment dans les caoutchoucs hétérogènes utilisés dans l’industrie du pneu ainsi que lors du pelage à grande vitesse d’adhésifs dans les procédés industriels d’étiquetage automatisé, le collage de pièces automobiles ou encore la pose de ruban d’étanchéité pour des applications électroniques. Globalement, les gênes occasionnées par le stick-slip dans les bandes adhésives réduisent la productivité industrielle et limitent le développement de nouvelles solutions techniques.Du point de vue de la science fondamentale, la dépendance non monotone de l’énergie de rupture avec la vitesse de la fissure, responsable du déclenchement de l’instabilité de stick-slip, demeure difficile à comprendre quantitativement. Cette difficulté provient de l’interaction complexe entre la géométrie de rupture, la réponse mécanique non linéaire des matériaux sollicités à de grandes déformations et la présence d’hétérogénéités, issues de la microstructure du matériau ou bien induites par le mécanisme de rupture. De plus, les divers paramètres physiques qui ont un effet sur l’instabilité de stick-slip ont très rarement été corrélés aux caractéristiques de la dynamique de stick-slip (vitesses, durées et amplitudes de stick et de slip).Le projet StickSlip développera et/ou utilisera des outils expérimentaux nouveaux et conçus sur mesure afin de résoudre temporellement et spatialement le mouvement du front de fissure pendant un cycle de stick-slip dans deux situations : (i) la rupture d’un adhésif à l’interface entre un film support et un substrat ; (ii) la rupture en volume d’un élastomère. Les expériences que nous proposons donneront un nouvel éclairage sur les instabilités de stick-slip en rupture. La mesure des caractéristiques détaillées du mouvement de stick-slip nous permettra d’identifier les paramètres clés contrôlant l’instabilité (géométrie, rhéologie de l’adhésif ou de l’élastomère). Les expériences proposées permettront également de tester de nouvelles idées concernant l’effet d’hétérogénéités interfaciales ou en volume sur le stick-slip. Le mouvement collectif intermittent qui se produit lors d’un stick-slip adhésif pourrait être perturbé par la présence d’hétérogénéités. Un objectif majeur du projet est de comprendre si les hétérogénéités peuvent, dans certaines conditions, faire disparaître l’instabilité de stick-slip à l’échelle macroscopique en détruisant les corrélations à grande échelle, et en confinant la dynamique de stick-slip à des petites échelles moins dommageables pour les applications industrielles. Etre capable de contrôler proprement les hétérogénéités est un enjeu important du projet. D’une part, les études que nous proposons sont importantes pour la science fondamentale puisqu’elles permettront d’approfondir notre compréhension de la dépendance en vitesse de l’énergie de rupture au voisinage de l’instabilité et même, de l’étendre au cas très peu exploré de matériaux présentant des hétérogénéités de surface ou de volume. Les comparaisons entre le pelage adhésif et la rupture d’élastomère nous permettront de valider la généralité de notre analyse. D’autre part, l’obtention de nouvelles solutions pour contrôler l’instabilité (contrôle de la géométrie, contrôle de la rhéologie du polymère, contrôle des hétérogénéités) pourraient permettre des avancées significatives dans les applications industrielles. Dans ce cadre, le soutien technique offert par Bluestar Silicones sera une valeur ajoutée importante pour le projet.
Résultats : Les résultats marquants à ce jour sont :
1. En analysant la dynamique de l'instabilité de stick-slip du pelage des adhésifs 3M dans des conditions de pelage en géométrie de rouleau, nous avons montré que la durée de la phase de stick était bien comprise, tandis que la durée de la phase de slip était anormalement longue, suggérant des effets dynamiques importants. 
2. Grâce au montage réalisé au laboratoire FAST, des mesures de la dynamique de stick-slip en fonction de l’angle de pelage ont été réalisées. Ces mesures ont effectivement mis en évidence une très forte dépendance de l’instabilité avec l’angle de pelage. Nous avons interprété cette dépendance comme résultant d’une variation effective de la raideur du système mécanique avec l’angle de pelage. Par ailleurs, nous avons pu mettre en évidence le rôle très important de l’inertie du ruban pelé à angle de pelage fort. C’est un effet auquel nous ne nous attendions pas et qui nous a amené à réécrire les équations de propagation de la fissure pour le problème du pelage d’un ruban adhésif. Ces résultats expérimentaux et l’analyse correspondante ont été rassemblés dans un article actuellement soumis.
3. Nous avons mis en évidence que l’apparition et la disparition de l’instabilité en fonction de la vitesse de pelage est de nature sous-critique. Les modèles existant sont incompatibles avec ces observations car ils prédisent une transition supercritique.
4. Nous avons étudié en détail la dynamique interne d’un slip et avons réussi à mettre en évidence une dynamique secondaire liée à la propagation régulière de fractures transverses faisant avancer le front de fissure de manière saccadée à très haute fréquence. Cette dynamique de stick-slip pendant un slip fait actuellement l'objet d'une étude approfondie en fonction des paramètres de contrôle du pelage.
Perspectives : Les études que nous menons sont permettront d’approfondir notre compréhension de la dépendance en vitesse de l’énergie de rupture au voisinage de l’instabilité et même, de l’étendre au cas très peu exploré de matériaux présentant des hétérogénéités de surface ou de volume. Les comparaisons entre le pelage adhésif et la rupture d’élastomère nous permettront de valider la généralité de notre analyse. 
Nous devrions être en mesure de proposer une modélisation de la dynamique d'avancée saccadée du front de pelage dans les adhésifs par un système non-linéaire d'équations qui pourra être confrontée aux données. 
L’obtention de nouvelles solutions pour contrôler l’instabilité (contrôle de la géométrie, contrôle de la rhéologie du polymère, contrôle des hétérogénéités) pourraient permettre des avancées significatives dans les applications industrielles.
Publications et brevets : 1. Intermittent stick-slip dynamics during the peeling of an adhesive tape from a roller, P.-P. Cortet, M.-J. Dalbe, C. Guerra, C. Cohen, M. Ciccotti, S. Santucci and L. Vanel, Phys. Rev. E, 87, 022601 (2013).
2. Strong dynamical effects during stick-slip adhesive peeling, M.-J. Dalbe, S. Santucci, L. Vanel, P.-P. Cortet, Soft Matter 10 (1), 132-138 (2014).