Elastic and viscoelastic properties of adaptative composite materials
Propriétés élastiques et viscoélastiques de matériaux composites adaptatifs
Résumé
Magnetorheological elastomers are smart composite materials, whose properties can be
controlled by a magnetic field. They are made of magnetic particles, structured in unidirectional chains
inside a silicone elastomer. Under field, the tests have revealed a high increase of the mechanical
properties: up to 35kPa for a modulus of 62kPa in quasistatic tension, and in dynamic solicitation a
raise of E' of 600kPa at ε=1%, which can even reach 21MPa at ε=10-5! In this latest situation, the
structuring of the particles in chains also results in a sharp increase of Payne effect and the energy
dissipation, much more pronounced under field, even a tiny one (15kA/m). We assume that the bonds
between the polymer and the particles progressively break due to the high local stresses between two
particles (in quasi-contact). To ease the study, a chemical treatment of the surface of the particles has
been set up thanks to functional molecules. The modelling has firstly been built on a macroscopic
system (where all the parameters are controlled), and validated by finite elements simulations (FEM).
An effective medium method can predict the behaviour of a composite with grafted particles (before
debonding), whereas a semi-analytical approach, using a Griffith debonding criteria predicts the
viscoelastic behaviour of the MR elastomer. The complexity of the microstructure and its evolution
have been evaluated, under field, by quasi-static cycles (leading to a σ of -40kPa at ε=0) and
magnetostriction measurements. Other properties can be obtained, such as: piezzoresistivity, periodic
stripes (magnetic guides)...
controlled by a magnetic field. They are made of magnetic particles, structured in unidirectional chains
inside a silicone elastomer. Under field, the tests have revealed a high increase of the mechanical
properties: up to 35kPa for a modulus of 62kPa in quasistatic tension, and in dynamic solicitation a
raise of E' of 600kPa at ε=1%, which can even reach 21MPa at ε=10-5! In this latest situation, the
structuring of the particles in chains also results in a sharp increase of Payne effect and the energy
dissipation, much more pronounced under field, even a tiny one (15kA/m). We assume that the bonds
between the polymer and the particles progressively break due to the high local stresses between two
particles (in quasi-contact). To ease the study, a chemical treatment of the surface of the particles has
been set up thanks to functional molecules. The modelling has firstly been built on a macroscopic
system (where all the parameters are controlled), and validated by finite elements simulations (FEM).
An effective medium method can predict the behaviour of a composite with grafted particles (before
debonding), whereas a semi-analytical approach, using a Griffith debonding criteria predicts the
viscoelastic behaviour of the MR elastomer. The complexity of the microstructure and its evolution
have been evaluated, under field, by quasi-static cycles (leading to a σ of -40kPa at ε=0) and
magnetostriction measurements. Other properties can be obtained, such as: piezzoresistivity, periodic
stripes (magnetic guides)...
Les élastomères magnétorhéologiques sont des matériaux composites actifs, aux propriétés
mécaniques contrôlées par un champ magnétique. Ils sont composés de particules magnétiques,
structurées en chaînes unidirectionnelles au sein d'une matrice élastomère silicone. Les essais sous
champ ont révélé un fort accroissement des propriétés mécaniques : jusqu'à 35kPa pour un module de
62kPa en traction statique, et en dynamique un gain sur E' de 600kPa à ε=1%, qui atteint même
21MPa à ε=10-5 ! Dans ce dernier cas, la structuration en chaînes va de pair avec une nette
augmentation de l'effet Payne et de la dissipation d'énergie, encore accentuée en présence d'un
champ, même modeste (15kA/m). L'hypothèse avancée est un décollement progressif de l'élastomère
des charges sous l'effet des fortes contraintes locales, entre deux particules (en quasi-contact). Pour
faciliter l'étude, un traitement de surface à base de molécules couplantes, fonctionnelles, a été mis au
point. La modélisation a d'abord été effectuée sur un système macroscopique (où tous les paramètres
sont contrôlés), et validée par des simulations par éléments finis (FEM). Une méthode de milieu
effectif prédit le comportement du composites aux charges greffées (avant décollement), tandis qu'une
approche semi-analytique, utilisant un critère de décollement de Griffith, calcule le comportement
viscoélastique du composite MR. La complexité de la microstructure et son évolution ont été évaluées,
sous champ, par des cycles quasi-statiques (aboutissant à des σ de -40kPa à ε=0) et des mesures de
magnétostriction. D'autres propriétés originales peuvent être obtenues : piézorésistivité, bandes
périodiques (guides magnétiques).
mécaniques contrôlées par un champ magnétique. Ils sont composés de particules magnétiques,
structurées en chaînes unidirectionnelles au sein d'une matrice élastomère silicone. Les essais sous
champ ont révélé un fort accroissement des propriétés mécaniques : jusqu'à 35kPa pour un module de
62kPa en traction statique, et en dynamique un gain sur E' de 600kPa à ε=1%, qui atteint même
21MPa à ε=10-5 ! Dans ce dernier cas, la structuration en chaînes va de pair avec une nette
augmentation de l'effet Payne et de la dissipation d'énergie, encore accentuée en présence d'un
champ, même modeste (15kA/m). L'hypothèse avancée est un décollement progressif de l'élastomère
des charges sous l'effet des fortes contraintes locales, entre deux particules (en quasi-contact). Pour
faciliter l'étude, un traitement de surface à base de molécules couplantes, fonctionnelles, a été mis au
point. La modélisation a d'abord été effectuée sur un système macroscopique (où tous les paramètres
sont contrôlés), et validée par des simulations par éléments finis (FEM). Une méthode de milieu
effectif prédit le comportement du composites aux charges greffées (avant décollement), tandis qu'une
approche semi-analytique, utilisant un critère de décollement de Griffith, calcule le comportement
viscoélastique du composite MR. La complexité de la microstructure et son évolution ont été évaluées,
sous champ, par des cycles quasi-statiques (aboutissant à des σ de -40kPa à ε=0) et des mesures de
magnétostriction. D'autres propriétés originales peuvent être obtenues : piézorésistivité, bandes
périodiques (guides magnétiques).
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