Modélisation basée sur les connaissances et les données d'un procédé durable de polymérisation frontale photoinduite

Mots clés

Polymérisation, Modélisation mathématique, Méthode de Monte Carlo, Apprentissage automatique

Détail de l'offre

La polymérisation frontale thermique photoinduite (PTFP) désigne la création de polymères par la propagation d'une zone de réaction de polymérisation localisée, appelée « front », au sein du mélange réactionnel, qui est induite photochimiquement à la surface de l'échantillon. Sous irradiation, un volume donné de résine polymérisable est polymérisé par voie photochimique, ce qui entraîne un dégagement de chaleur. Ce dégagement de chaleur augmente localement la température à une valeur telle qu'un initiateur thermique peut se décomposer et poursuivre la polymérisation en profondeur. Il en résulte une zone de réaction locale qui se propage, aboutissant finalement à un polymère entièrement polymérisé sur une profondeur beaucoup plus grande que celle accessible à la lumière. Il s'agit d'une méthode intelligente pour fabriquer des polymères épais et chargés.

Ce processus hors autoclave (OoA) ouvre une voie durable à la fabrication de polymères renforcés de fibres de verre, de carbone ou de fibres naturelles (composites) d'une manière plus efficace et plus compétitive en termes de coûts. Par exemple, il a été démontré que la mise en œuvre de la polymérisation frontale pour le durcissement des pièces d'un avion pouvait conduire à une réduction de l'énergie de plusieurs ordres de grandeur (jusqu'à dix ordres de grandeur) par rapport au processus classique en autoclave, tout en réduisant également de manière significative la durée du processus et le coût de l'équipement. Les composites produits ont connu une croissance importante au cours des dernières décennies en raison de leur faible poids combiné à leurs propriétés mécaniques élevées qui jouent un rôle central dans des marchés très exigeants tels que l'aérospatiale, l'aéronautique, l'automobile et les applications sportives.

Dans le cadre d'un projet soutenu financièrement par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR-24-CE06-5820 - PhotoFront), une approche multidisciplinaire est proposée pour synthétiser des systèmes d'amorçage hautement réactifs qui conduiront à une propagation stable du front en présence de charges de fibres, atteignant jusqu'à 50 % en poids, et pour développer des modèles mathématiques théoriques permettant de prédire le comportement du PTFP et les propriétés des résines et composites synthétisés dans différentes conditions d'utilisation. Le présent appel à candidatures de doctorat concerne précisément cette dernière partie, c'est-à-dire la modélisation mathématique du processus.

En conséquence, des techniques de modélisation phénoménologiques et basées sur des données, allant des méthodes stochastiques de Monte Carlo (MC) aux méthodes d'apprentissage automatique (Machine Learning), seront employées pour fournir la compréhension nécessaire et les outils de capacité prédictive qui conduiront à la synthèse optimale de résines et de composites avec des propriétés d'utilisation finale ciblées. Les cadres de modélisation mathématique existants du front de polymérisation, tels qu'ils sont décrits dans la littérature, seront étendus et combinés avec des outils de modélisation phénoménologiques et basés sur des données pour la prédiction non seulement de l'évolution des indices clés du processus (par exemple, la vitesse du front, la température et la conversion des monomères), mais aussi des propriétés des polymères dans une large gamme de conditions de processus. L'approche adoptée évoluera en fonction des objectifs de modélisation spécifiques de chaque phase du projet ainsi que des connaissances et des données disponibles et/ou générées sur le comportement modélisé. Les développements de la modélisation seront synchronisés avec les deux autres piliers principaux du projet, à savoir l'étude de la chimie du système et la caractérisation des résines et composites synthétisés.