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Analyse multi-échelle des lois de comportement mécanique des polymères en relation avec l'évolution de leur microstructure en temps réel.

Offre de thèse

Analyse multi-échelle des lois de comportement mécanique des polymères en relation avec l'évolution de leur microstructure en temps réel.

Date limite de candidature

01-06-2025

Date de début de contrat

01-10-2025

Directeur de thèse

PONCOT Marc

Encadrement

Thèse entièrement réalisée sur le site d'Artem à Nancy. Suivi de formation et avancement selon les règles de l'école doctorale.

Type de contrat

Concours pour un contrat doctoral

école doctorale

C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE

équipe

DEPARTEMENT 3 - SI2M : 304 - Physique, Mécanique et Plasticité

contexte

Recherche dans le domaine des mécanismes physiques fondamentaux de déformation des polymères.

spécialité

Sciences des Matériaux

laboratoire

IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR

Mots clés

Polymères, Mécanique, Microstructure, Spectroscopie Raman, Diffraction des rayons X

Détail de l'offre

Les polymères thermoplastiques sont choisis dans de nombreuses applications structurelles en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques en regard de leur faible masse volumique. Leur utilisation en tant que matrice dans les matériaux composites suscite par ailleurs beaucoup d'intérêt en raison de leur versatilité et des possibilités de recyclage qu'ils offrent. Comprendre et pouvoir mesurer les changements qui affectent la microstructure de ces matériaux lorsqu'ils sont soumis à différents chargements thermiques et/ou mécaniques est donc crucial pour maîtriser leur mise en forme, leurs propriétés en service et leur durabilité. Parmi ces thermoplastiques, la famille des polyesters comprend de nombreux polymères très utilisés pour leur excellente propriétés mécaniques et barrière, avec comme exemple le poly(éthylène téréphtalate) (PET). De nombreux polyesters sont également intéressants pour leur biodégradabilité (comme le poly(acide lactique) (PLA)) et/ou leur origine biosourcée (comme le polyéthylène furane-2,5-dicarboxylate (PEF)).

L'équipe Physique, Mécanique et Plasticité de l'Institut Jean Lamour développe depuis plusieurs années des méthodes d'analyse combinant essais mécaniques et analyses in situ par spectroscopie Raman et diffraction des rayons X (par WAXS - Wide Angle X-ray Scattering). Ces travaux ont ainsi permis d'établir des liens entre comportement mécanique macroscopique et phénomènes physiques à l'échelle microstructurale (cristallinité, orientation des chaînes macromoléculaires, endommagent volumique, transfert de charges mécanique, concentration de contraintes…), pour plusieurs polymères thermoplastiques et leurs composites [1-4], et en particulier le PET [1-2] et le PEF [3]. Dans cette thématique, la dernière thèse de doctorat soutenue en 2024 sur ce sujet [5] a permis de mettre en avant deux ensembles de résultats qui serviront de fil directeur au sujet ici présenté.

Un des résultats issus de cette thèse, prolongeant les travaux antérieurs de notre équipe, montre l'importance du suivi par spectroscopie Raman de la fonction ester dans le PET et le PEF pour quantifier l'ordre, et par extension la cristallisation, de ces polymères [2-3]. Les analyses tendent à montrer que cette corrélation peut être généralisée aux autres polyesters. Le premier volet de la thèse portera donc sur la consolidation des résultats précédents et à l'extension des analyses à d'autres polyesters économiquement importants et notamment le PLA.

Le deuxième volet de la thèse se portera sur le suivi de la déformation des polymères à l'aide de la spectroscopie Raman. En effet, la déformation des polymères implique une modification de l'organisation du matériau à l'échelle des chaines macromoléculaires, ce qui se traduit par entre autres par le changement de position des bandes vibrationnelles mesurées. Il a été démontré qu'il était possible de quantifier la déformation en analysant les spectres Raman acquis in situ pendant un essai mécanique, à l'aide de la méthode de Grüneisen [6-7]. De cette manière, nos premiers résultats pour le PET et le PEF amorphes et semi-cristallins dans leur état vitreux indiquent la possibilité de calculer l'évolution du tenseur complet des déformations à l'échelle microstructurale [5]. Cette thèse s'intéressera ainsi à l'application de cette méthode pour les polymères étudiés afin de confirmer et d'améliorer nos résultats préliminaires et d'étendre les analyses aux autres conditions physiques (état caoutchoutique notamment).

Keywords

Polymers, Mechanics, Microstructure, Raman spectroscopy, X-rays diffraction

Subject details

Thermoplastic polymers are chosen for many structural applications because of their excellent mechanical properties and low density. Their use as a matrix in composites is also of great interest because of their versatility and recyclability. Understanding and being able to measure the changes that affect the microstructure of these materials when they are subjected to different thermal and/or mechanical loads is therefore crucial to controlling their shaping, in-service properties and durability. Among these thermoplastics, the polyester family includes many polymers that are widely used for their excellent mechanical and barrier properties, such as poly(ethylene terephthalate) (PET). Many polyesters are also interesting for their biodegradability (such as poly(lactic acid) (PLA)) and/or their bio-sourced origin (such as poly(ethylene furan-2,5-dicarboxylate) (PEF)). For several years, the Physics, Mechanics and Plasticity team at the Jean Lamour Institute has been developing analysis methods that combine mechanical testing and in-situ analysis using Raman spectroscopy and X-ray diffraction (WAXS - Wide Angle X-ray Scattering). This work has made it possible to establish links between macroscopic mechanical behaviour and physical phenomena at the microstructural level (crystallinity, orientation of macromolecular chains, volume damage, mechanical load transfer, stress concentration, etc.) for several thermoplastic polymers and their composites [1-4], in particular PET [1-2] and PEF [3]. In this field, the last thesis defended in 2024 on this subject [5] highlighted two sets of results that will serve as a guideline for the subject presented here. One of the results of this thesis, which extends the previous work of our team, shows the importance of monitoring the ester function in PET and PEF by Raman spectroscopy to quantify the order and hence crystallisation of these polymers [2-3]. The analyses tend to show that this correlation can be generalised to other polyesters. The first part of the thesis will therefore focus on consolidating the previous results and extending the analyses to other economically important polyesters, in particular PLA. The second part of the thesis will focus on monitoring polymer deformation using Raman spectroscopy. The deformation of polymers involves a change in the organisation of the material at the macromolecular chain level, which is reflected, among other things, by the change in position of the measured vibrational bands. It has been shown that it is possible to quantify deformation by analysing Raman spectra recorded in situ during a mechanical test using the Grüneisen method [6-7]. In this way, our initial results for amorphous and semicrystalline PET and PEF in their glassy state indicate the possibility of calculating the evolution of the full strain tensor at the microstructural scale [5]. This work will therefore focus on the application of this method to the polymers studied, in order to confirm and improve our preliminary results and provide a better understanding of their properties. This work will include a significant experimental component. This will be based on mechanical tests coupled with in situ Raman spectroscopy measurements. These Raman measurements will also be complemented and validated by in situ WAXS tests performed on large scientific instruments (such as the synchrotrons ESRF in Grenoble or Alba in Barcelona), which are a speciality of the host team. This topic also involves a lot of results analysis and signal processing. Good programming skills (Python/MATLAB) are therefore appreciated. Depending on the progress of the work, it may be possible to apply the results obtained to the development of mechanical constitutive models for polymers that take into account physical phenomena at the microstructural scale.

Profil du candidat

- Titulaire d'un diplôme d'Ingénieur ou d'un Master 2 en science des matériaux ou équivalent.
- Connaissances en mécanique et physique des polymères. Des compétences dans un ou plusieurs domaines suivants seront appréciés : spectroscopie Raman, diffraction des rayons X, cristallographie
- Connaissances en programmation et traitement de données (Python / MATLAB).
- Anglais courant (écrit/oral)

Candidate profile

- Must hold a Master's degree in Materials Science or equivalent.
- Knowledge in polymers physics and mechanics. Some competencies in one of the following subjects will be appreciated: Raman spectroscopy, X-ray diffraction, crystallography.
- Proficiency in programming and data treatment (Python / MATLAB)
- English fluency

Référence biblio

[1] M. Donnay, M. Ponçot, J-P Tinnes, T. Schenk, O. Ferry, I. Royaud, “In situ study of the tensile deformation micro-mechanisms of semi-crystalline poly(ethylene terephthalate) films using synchrotron radiation x-ray scattering”. Polymer, 117, 268–281, (2017).
[2] M. Bouita, J.P. Tinnes, P. Bourson, M. Malfois, M. Ponçot, “A new Raman spectroscopy‐based method for monitoring the crystallinity ratio of polyethylene terephthalate”. Journal of Raman Spectroscopy, 54 (2), 225-232, (2023).
[3] M. Bouita, J.P. Tinnes, P. Bourson, M. Ponçot, “Monitoring The Thermal Behavior of Polyethylene 2,5 Furandicarboxylate Using Raman Spectroscopy”. Journal of Raman Spectroscopy, 54 (6), 683-690, (2023).
[4] M. Ponçot, J. Martin, S. Chaudemanche, O. Ferry, T. Schenk, J.P. Tinnes, D. Chapron, I. Royaud, A. Dahoun, P. Bourson “Complementarities of high energy WAXS and Raman spectroscopy measurements to study the crystalline phase orientation in polypropylene blends during tensile test”, Polymer, 80, 27–37, (2015)
[5] M. Bouita, “Étude des propriétés et des lois de comportement mécaniques à différentes échelles de polyesters par WAXS et spectroscopie Raman in situ”, Thèse de Doctorat, Université de Lorraine (2024)
[6] B.D. Sanditov, S. Sh. Sangadiev, D. S. Sanditov, “Gruneisen parameter and fluctuation volume of amorphous polymers and glass”, Glass Physics and Chemistry, 39, 382–389, (2013).
[7] R. J. Young, “Raman spectroscopy and mechanical properties”, In: Spells S.J. (eds): Characterization of Solid Polymers. Springer, Dordrecht, (1994).