Dynamique de fracture d'un hydrogel thermoréversible de biopolymères
Résumé
In this work, we have studied the crack dynamics in a reversible hydrogel of biopolymers : the gelatin. Our fracture experiments, conducted in mode 1, in a quasi-stationary and subsonic regime shows that, contrary to chemical gels and elastomers, fracture propagation do not process by chains scissions : chains are pulled out the lattice at the crack head, and dissipation arise from the friction of chains with solvent. A simple Dugdale-type model gives the orders of magnitude and predicts the scaling laws experimentally observed.
We have also studied the surface morphologies resulting from the fracture of gelatin. Contrary to what is observed in brittle materials, they do not exist scaling laws but the roughness profiles present an RMS height which increase with crack propagation velocity, observation never reported before. We have measured an upper critical speed for the appearance of macroscopic defects, defects which have been observed by Gent et al. in elastomers and described in details by Sekimoto et al. in polyacrylamide gels. We explain the characteristic height of these defects by taking into account the blunting of the fracture head characteristic of soft solids. Also, these defects and the rugosity show an anisotropy along a magic angle independent of crack propagation speed and characteristics of gelatin gel.
We have also studied the surface morphologies resulting from the fracture of gelatin. Contrary to what is observed in brittle materials, they do not exist scaling laws but the roughness profiles present an RMS height which increase with crack propagation velocity, observation never reported before. We have measured an upper critical speed for the appearance of macroscopic defects, defects which have been observed by Gent et al. in elastomers and described in details by Sekimoto et al. in polyacrylamide gels. We explain the characteristic height of these defects by taking into account the blunting of the fracture head characteristic of soft solids. Also, these defects and the rugosity show an anisotropy along a magic angle independent of crack propagation speed and characteristics of gelatin gel.
Nous avons étudié la dynamique de fracture d'hydrogels thermoréversibles de biopolymères : les gels de gélatine. Nous avons montré, par des expériences de fracture en mode 1, quasi-stationnaire et dans un régime subsonique, que, contrairement à la fracture des gels chimiques et des élastomères, la propagation de la fracture dans les gels de gélatine n'implique pas la scission des chaînes : elles sont extraites entièrement à travers le réseau en tête de fracture, la dissipation provenant simplement de leurs frottements dans le solvant. Nous avons pu produire un modèle simple de type <> qui permet de rendre compte des ordres de grandeur mesurés ainsi que de prédire des lois d'échelle vérifiées expérimentalement.
En parallèle, nous avons étudié le faciès des surfaces créées par la propagation de la fracture. Nous avons montré qu'il n'existe pas de lois d'échelle comme celles observées dans d'autres matériaux ductiles ou fragiles mais que la micro-rugosité présente une hauteur RMS croissante avec la vitesse de fracture, observation jamais rapportée auparavant. Nous avons mis en évidence une vitesse critique en-dessous de laquelle des défauts macroscopiques apparaissent, défauts précédemment observés par Gent et al. dans les élastomères et décrit exhaustivement par Sekimoto et al. dans les gels de polyacrylamide. Nous avons pu expliquer la hauteur caractéristique de ces défauts en prenant en compte que ces matériaux très déformables présentent le phénomène d'émoussage de la fracture (<>). Nous observons par ailleurs que ces défauts et la micro-rugosité présentent une anisotropie selon un angle <> indépendant de la vitesse de fracture et des caractéristiques du gel de gélatine.
En parallèle, nous avons étudié le faciès des surfaces créées par la propagation de la fracture. Nous avons montré qu'il n'existe pas de lois d'échelle comme celles observées dans d'autres matériaux ductiles ou fragiles mais que la micro-rugosité présente une hauteur RMS croissante avec la vitesse de fracture, observation jamais rapportée auparavant. Nous avons mis en évidence une vitesse critique en-dessous de laquelle des défauts macroscopiques apparaissent, défauts précédemment observés par Gent et al. dans les élastomères et décrit exhaustivement par Sekimoto et al. dans les gels de polyacrylamide. Nous avons pu expliquer la hauteur caractéristique de ces défauts en prenant en compte que ces matériaux très déformables présentent le phénomène d'émoussage de la fracture (<>). Nous observons par ailleurs que ces défauts et la micro-rugosité présentent une anisotropie selon un angle <> indépendant de la vitesse de fracture et des caractéristiques du gel de gélatine.