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Fiche descriptive du sujet de thèse

POURVU - [CONTRAT DOCTORAL] De la cristallisation et des organisations structurales, induites par fabrication 3D, vers la maîtrise de l'anisotropie de comportement électromécanique et de l'endommagement du PVDF dans sa forme piézoélectrique

POURVU - [CONTRAT DOCTORAL] De la cristallisation et des organisations structurales, induites par fabrication 3D, vers la maîtrise de l'anisotropie de comportement électromécanique et de l'endommagement du PVDF dans sa forme piézoélectrique

PROVIDED - [DOCTORAL CONTRACT] From crystallization and structural organizations, induced by 3D fabrication, towards the control of the electromechanical behavior anisotropy and damage of PVDF in its piezoelectric form

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

LAIARINANDRASANA Lucien

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactLucien LAIARINANDRASANA
Date de validité

01/10/2021

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

PVDF, Piézoélectricité, Structures multi-échelles, Anisotropie de comportement et d'endommagement, Couplage mécanique/électrique, Contraintes résiduelles/internes

PVDF, Piezoelectricity, Multi-scale structures, Anisotropy of behavior and damage, Mechanical/electrical coupling, Residual/internal stresses

Résumé

Il s'agit de relever deux défis : obtenir par fabrication additive, la phase cristalline piézoélectrique du PVDF, et exploiter la forte anisotropie de comportement mécanique et électrique. La nécessaire maîtrise d'une chaîne de valeurs allant de la cristallisation assistée jusqu'à l'impact de la porosité sur les propriétés d'usage, se construira à l'aide d'expérimentations innovantes et des modélisations avancées, aux différentes échelles pertinentes.

The aim is to meet two challenges: to obtain the piezoelectric crystalline phase of PVDF by additive manufacturing, and to exploit the strong anisotropy of its mechanical and electrical behavior. The necessary mastery of a chain of values ranging from assisted crystallization to the impact of porosity on the properties of use, will be built with the help of innovative experiments and advanced modeling, at the various relevant scales.

Contexte

De nouvelles méthodes de fabrication ont émergé avec le fort déploiement des imprimantes 3D, autorisant ainsi de belles réussites technologiques (industrie 4.0). Plusieurs voies d'amélioration sont toujours en cours, en particulier l'impression mettant en jeu des couplages avec d'autres grandeurs physiques que celles usuelles, et ceci notamment pour la fabrication d'objets en polymère technique à forte valeur ajoutée. Le polyfluorure de vinylidène ou PVDF est un polymère qui a la particularité de présenter plusieurs phases cristallines, l'une d'entre-elles, la phase béta, ayant un très fort caractère piézoélectrique. La communauté scientifique ainsi que plusieurs industriels (dont Arkema en France) s'intéressent à la maîtrise de l'impression du PVDF sous sa forme béta, de surcroît avec un taux de cristallinité le plus élevé possible. C'est le premier défi.

Il faut également noter que, depuis quelques temps, un regain d'intérêt pour le PVDF se formalise. Contrairement aux céramiques de synthèse piézoélectriques (PZT ou autres dérivés), le PVDF est léger, flexible mécaniquement, ce qui en fait un matériau de choix pour plusieurs applications dans les domaines de la transition énergétique (micro et nano-générateurs pour le harversting) et la santé (actionneurs et capteurs, dont certains in vivo). Le deuxième défi est alors de promouvoir un démonstrateur imprimé, optimisant un fort couplage mécanique/électrique et dont les propriétés sont amenées au niveau du cahier des charges des applications visées.

L'anisotropie propagée à plusieurs échelles, à contrôler pendant le processus de cristallisation, favorise les propriétés piézoélectriques, mais rend la modélisation mécanique plus complexe. En effet, même pour une nuance de PVDF à microstructure sphérolitique donc supposée isotrope à l'échelle du volume élémentaire représentatif, la cavitation soit émanant de l'équateur, soit aboutissant aux pôles des sphérolites présente un caractère anisotrope manifeste. La modélisation numérique de cette anisotropie d'endommagement représente encore un champ d'investigation insuffisamment exploré, du moins pour les polymères semi-cristallins. Cette étude vise en plus de prendre en compte une anisotropie de microstructure initiale dans des modèles constitutifs à base physique.

Aussi, les centres de Recherche CDM (Evry) et CEMEF (Sophia Antipolis) de Mines Paris PSL s'associent pour lancer une thèse de doctorat à même de relever ces deux défis, à travers des travaux complémentaires, en s'appuyant sur un nouveau parc d'imprimantes 3D ainsi que des moyens d'investigation et modélisation des plus riches du moment.
Au CDM :
- Comportement sous chargements mécaniques du PVDF issu de procédé innovant de fabrication additive ;
- Caractérisation des micro- et méso-structures selon différents paramètres de fabrication et sur démonstrateur final ;
- Prise en compte de la forte anisotropie mécanique, en lien avec la cristallisation, et de l'effet des chargements pour l'établissement de lois de comportement dédiées autorisant également de rendre compte de la rupture du matériau, et ceci suivant une approche multi-échelle incluant micro- et méso-structure ;
- Prise en compte de la porosité initiale laissée entre chaque couche dans le process.

Au CEMEF :
- Évolution prototypage sur technologie 3D des organiques ;
- Maîtrise assistée de la fusion-cristallisation, des structures multi-échelles induites par procédé innovant (écoulement sous couplage) ;
- Comportement et réponse électriques selon différents paramètres de fabrication et sur démonstrateur final, à des fins d'optimisation de la fonctionnalité piézoélectrique ;
- Apport de la diffraction des rayons X pour la détermination des contraintes internes et le suivi des évolutions de nano- et micro-structures (cristallites), lors d'essais in situ tant en température qu'au cours de la polarisation électrique.

Encadrement

Directeur de thèse : Lucien LAIARINANDRASANA Lucien - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Cristian OVALLE-RODAS - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Karim INAL - CEMEF
Co-encadrant : Alain BURR - CEMEF
Co-encadrant : Séverine BOYER - CEMEF

Profil candidat

Le candidat doit être titulaire d'un diplôme national de master ou d'un autre diplôme conférant le grade de master (diplôme d'ingénieur, diplôme étranger équivalent…), à l'issue d'un parcours de formation établissant son aptitude à la recherche.

Le dossier de candidature doit comporter :
• une lettre de motivation pour effectuer un parcours doctoral sur le sujet de thèse ciblé et comportant le projet professionnel du candidat
• un curriculum vitae détaillé mentionnant études, stages de recherche effectués, diplômes avec date d'obtention, expérience professionnelle, axes de recherche envisagés
• un relevé de notes du cursus antérieur (cycle ingénieur et/ou master)
• une ou plusieurs lettres de recommandation...
• une attestation du niveau d'anglais.
• pour un étudiant non francophone, un niveau A2/B1 en français (référentiel européen) est recommandé à son entrée en doctorat
• pour les étudiants non titulaires d'un diplôme national de master recherche, tous documents attestant les qualifications de l'étudiant en matière de formation par la recherche (attestations stages de recherche avec résumé du mémoire, recommandations, publications…)
• une copie de carte d'identité ou passeport

Les pièces au format pdf sont à envoyer avant le 05 mai 2021 à
recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

SEULES LES CANDIDATURES ADRESSÉES PAR E-MAIL SERONT PRISES EN COMPTE

the candidate must hold a national master's degree or another degree conferring the grade of master (engineering degree, equivalent foreign degree...), at the end of a training course establishing his/her aptitude for research.

The application file must include
- a letter of motivation to pursue a doctoral program on the targeted thesis topic and including the candidate's professional project
- a detailed curriculum vitae mentioning the candidate's studies, research internships, diplomas with dates obtained, professional experience, and planned research areas
- a transcript of grades from previous studies (engineering and/or master)
- one or more letters of recommendation...
- a certificate of English level.
- for non-French speaking students, a level A2/B1 in French (European reference system) is recommended for entry into the doctoral program
- for students who do not hold a national research master's degree, all documents attesting to the student's qualifications in terms of training through research (attestations of research internships with a summary of the thesis, recommendations, publications, etc.)
- a copy of identity card or passport

The documents in pdf format must be sent before May 05, 2021 to
recrutement_these@mat.mines-paristech.fr
ONLY APPLICATIONS SENT BY E-MAIL WILL BE TAKEN INTO ACCOUNT

Objectif

L'objectif scientifique consiste donc :
- au chaînage depuis la mise en forme jusqu'aux propriétés d'usage voire la durée de vie des matériaux étudiés ;
- aux couplages entre tenseurs des contraintes et déformations avec le champ vectoriel électrique ;
- à un meilleur contrôle de la stabilité des nano- méso-micro- et macro-structure (réseau cristallin et son organisation) en fonction de la température, du temps, de la sollicitation mécanique ou/et du champ électrique appliqués ;
- à l'élaboration d'un modèle de comportement sous chargements mécanique et électrique, en couplages non-linéaires et non-proportionnels (en tenseur des contraintes et en champ électrique vectoriel).

Références

Challier, M., Besson, J., Laiarinandrasana, L., Piques, R. Damage and fracture of Polyvinylidene Fluoride (PVDF) at 20 ◦ C. Engineering Fracture Mechanics 73:79-90, 2006.
Laiarinandrasana, L., Lafarge, M., Hochstetter, G. Accounting for porosity, time and temperature dependency in fracture mechanics concepts on PVDF polymeric material. Engineering Fracture Mechanics doi:10.1016/j.engfracmech.2009.06.003.
Laiarinandrasana, L., Besson, J., Lafarge, M., Hochstetter, G. Temperature-dependent mechanical behaviour of PVDF: Experiments and numerical modelling International Journal of Plasticity 25(7): 1301-1324, 2009.
Laiarinandrasana, L., Morgeneyer, T.F., Proudhon, H., Regrain, C. Damage of Semicrystalline Polyamide 6 Assessed by 3D X-Ray Tomography: From Microstructural Evolution to Constitutive Modeling. Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics 48: 1516–1525, 2010.
Boisot, G., Laiarinandrasana, L., Besson, J., Fond, C., Hochstetter, G. Experimental investigations and modeling of volume change induced by void growth in polyamide 11. International Journal of Solids and Structures 48: 2642–2654, 2011.
Laiarinandrasana, L., Morgeneyer, T.F., Proudhon, H., N’Guyen, F., Maire, E. Effect of multiaxial stress state on morphology and spatial distribution of voids in deformed semicrystalline polymer assessed by X-ray tomography. Macromolecules 45: 4658–4668, 2012.
Morgeneyer, T., Proudhon, H., Cloetens, P., Ludwig, W., Roirand, Q., Laiarinandrasana, L., Maire, E. Nanovoid morphology and distribution in deformed HDPE studied by magnified synchrotron radiation holotomography. Polymer 55: 6439-6443, 2014.
Cao TS, Maziere M, Danas K, Besson J, A model for ductile damage prediction at low stress triaxialities incorporating void shape change and void rotation. Int J Solids Struct 63:240–26, 2015.
J.M. Haudin, S.A.E. Boyer, Crystallization of Polymers in Processing Conditions: An Overview. International Polymer Processing, 32: 545-554, 2016. DOI: 10.3139/217.3415.
S.A.E. Boyer, L. Jandet, A. Burr, 3D-Extrusion manufacturing of a kaolinite dough taken in its pristine state. Frontiers in Materials, In press, 2021. DOI: 10.3389/fmats.2021.582885.
S.A.E. Boyer, A. Burr, K. Inal, Déclaration d’Invention DI202100 (fabrication additive), Conception, Design & Principe de fonctionnalisation adaptés à tous les Matériaux s’y prêtant à bases Organiques et Céramiques.
R. Pesci, K. Inal, S. Berveiller, E. Patoor, J.S. Lecomte, A. Eberhardt, Inter- and Intragranular Stress Determination with Kossel Microdiffraction in a Scanning Electron Microscope, Materials Science Forum, Vol. 524-525, p.109-114, 2006.

K. Inal, J.L. Lebrun, M. François, Intergranular stresses and strains in heterogeneous materials. Self-consistent modelling and X-ray diffraction analysis, 5th International Conference on Residual Stresses (ICRS5), June 1997, Linköping, Sweden.

Type financement

Concours pour un contrat doctoral

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=36633

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Fiche descriptive du sujet de thèse - MINES ParisTech
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Du 20 juillet 2021 au 3 janvier 2022 Rentrée 2021 - 2022

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