Projet ANR-13-BS09-0012 – MultiSil : Approche multiéchelle de la déformation plastique des silicates amorphes
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Etienne Barthel (Surface du Verre et Interfaces)
Partenaires : École nationale supérieure des mines de Saint-Étienne; Institut Lumière Matière; Surface du Verre et Interface
Montant : 281000.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 36 mois
Résumé : Les propriétés de déformation plastique des silicates amorphes présentent un fort impact technologique, en particulier dans l’industrie verrière, où une meilleure connaissances de la plasticité des amorphes permettrait de mieux comprendre les phénomènes de rupture (contrainte intrinsèque de rupture, mécanismes d’initiation des fissures), et donc de mieux contrôler l’apparition des défauts de surfaces qui conditionnent les contraintes de rupture pratiques.
Néanmoins le comportement plastique des silicates amorphes reste mal compris, aussi bien à l’échelle du milieu continu que dans sa relation à la structure amorphe sous-jacente. A cela trois raisons : 1) on a du mal à caractériser cette structure amorphe : il y a d’ailleurs un ensemble continu de structures amorphes ; 2) aux grandes échelles, supérieures à environ 10 microns, la réponse mécanique est dominée par la rupture fragile : il faut donc sonder la plasticité à des échelles inférieures ; 3) les outils théoriques sont rares, puisque le formalisme des structures cristallines n’est plus pertinent.
Restent donc en suspens plusieurs questions majeures : comment décrire la réponse plastique des silicates amorphes à l’échelle du milieu continu ? comment cette réponse est elle dépendente de la structure amorphe sous-jacente, par quels mécanismes à l’échelle atomique ?
Deux évolutions récentes permettent de proposer des méthodes pour répondre à ces questions :  d’une part l’évolution des micro-technologies, qui nous permet de concevoir des dispositifs aux échelles pertinentes ; d’autre part les progrès de la Dynamique Moléculaire qui permet de simuler les mécanismes à l’échelle atomique. S’appuyant sur ces idées, le projet MultiSil regroupe quatre équipes afin d’aboutir, par une approche multiéchelle, à un incrément significatif de nos connaissance des phénomènes de plasticité dans les silicates amorphes.
Deux gammes de silicates amorphes, s'appuyant sur nos projets en cours, et caractérisés par une variation graduelle d’un paramètre structural bien défini, seront élaborées. Il s’agit de silice pure, de densité croissante jusqu’au maximum permis par le matériau, et de verres binaires sodo-silicatés, avec une gamme de sodium allant de 0 à 15%. Des expériences micromécaniques s’inspirant de nos résultats antérieurs seront développées afin de caractériser la réponse plastique dans des types de sollicitations aussi large que possible. En particulier la microspectroscopie Raman sera utilisée comme jauge de déformation à l’échelle locale. Les résultats de ces expériences seront analysés par des méthodes d’Eléments Finis, afin d’en retirer des lois de comportement différenciées selon la la structure des silicates mesurés.
Cette quantification du comportement plastique à l’échelle du milieu continu sera ensuite utilisé comme support expérimental à la mise en œuvre de simulations par Dynamique Moléculaire. Ainsi validée, la Dynamique Moléculaire permettra de mettre en évidence la relation entre les différentes réponses plastiques observées et la structure amorphe sous-jacente. On s’attend à ce que cette relation s’établisse sans autre échelle intermédiaire du fait de l’absence d’ordre à longue portée dans ces systèmes amorphes.
Enfin, nous utiliserons cet ensemble de résultats pour mieux faire appréhender les effets qu’entraîne la déformation plastique des silicates amorphes à l’échelle macroscopique. Pour ce faire nous mesurerons la fissuration induite par indentation. Les résultats seront confrontés aux prédictions obtenues par XFEM (Eléments Finis étendus) qui permettront de décrire la propagation de la fracture en tenant compte du comportement plastique spécifique à chaque matériau.
Le projet MultiSil apportera donc une vision précise de la plasticité des silicates amorphes, à travers trois échelles, quantifiant les comportements en fonction de la structure sous-jacente, démontrant leurs effets à l’échelle macroscopique ainsi que leurs mécanismes à l’échelle atomique.