Etude paramétrique des nano-composites à base d'argile.

Abstract

Les minéraux d'argile sont des couches de silicates hydratés ou des phyllosilicates, sous forme de couches de 2:1 ou 1:1 d’une épaisseur nanométrique. La compréhension de leurs propriétés mécaniques est d'importance essentielle pour une variété de disciplines, telles que la géotechnique, la géophysique, la physique minérale, et les ano-composites. En raison de leur structure cristalline et la taille complexe ; cependant, la détermination précise de leurs propriétés mécaniques est un défi significatif. Les propriétés mécaniques d’un matériau sont déterminées par un ensemble de grandeurs, tel que le module de Young ou la limite élastique, qui caractérisent sa résistance à une déformation imposée. Elles permettent d’orienter le choix d’un matériau pour une application visée, au même titre que les propriétés physico-chimiques. Les propriétés d’un corps solide dépendent, à la fois, de sa composition élémentaire (atomes, molécules) et de sa microstructure (organisation interne). Le plus souvent, les grandeurs (module de Young E, et la dureté H) mesurées évoluent également en fonction de l’essai mécanique mis en œuvre et de l’échelle à laquelle s’applique cet essai. Des études précédentes ont montré que la nanoindentation est un outil fiable pour sonder les propriétés mécaniques des phyllosilicates hydratés, ainsi pour étudier leurs mécanismes de déformation à l’échelle nanométrique. Les résultats obtenues indiquent que les propriétés mécaniques des minéraux dépendent sensiblement des caractéristiques de la structure cristalline : de la charge de couche, de l’espacement de la couche intercalaire, et même les compositions chimiques. En général, la charge électrique de couche intercalaire résulte des forces plus élevée de cohésion et par conséquent une rigidité élevée et une résistance à la pénétration permanente. Le présent travail présente la technique de la nanoindentation qui est un essai expérimentale pour la détermination des propriétés mécaniques des nano-composites à base d’argile utilisant une méthode numérique et une modélisation en 2D se basant sur la méthode des éléments finis(MEF). La simulation réalisée utilise le modèle d’Oliver et Pharr à l’aide d’un code de calcul COMSOL pour L’analyse des courbes charge-déplacement pour différent paramètres obtenues par cette simulation.

Résumé :

Les minéraux d'argile sont des couches de silicates hydratés ou des phyllosilicates, sous forme de couches de 2:1 ou 1:1 d’une épaisseur nanométrique. La compréhension de leurs propriétés mécaniques est d'importance essentielle pour une variété de disciplines, telles que la géotechnique, la géophysique, la physique minérale, et les nano-composites. En raison de leur structure cristalline et la taille complexe ; cependant, la détermination précise de leurs propriétés mécaniques est un défi significatif. Les propriétés mécaniques d’un matériau sont déterminées par un ensemble de grandeurs, tel que le module de Young ou la limite élastique, qui caractérisent sa résistance à une déformation imposée. Elles permettent d’orienter le choix d’un matériau pour une application visée, au même titre que les propriétés physico-chimiques. Les propriétés d’un corps solide dépendent, à la fois, de sa composition élémentaire (atomes, molécules) et de sa microstructure (organisation interne). Le plus souvent, les grandeurs (module de Young E, et la dureté H) mesurées évoluent également en fonction de l’essai mécanique mis en œuvre et de l’échelle à laquelle s’applique cet essai. Des études précédentes ont montré que la nanoindentation est un outil fiable pour sonder les propriétés mécaniques des phyllosilicates hydratés, ainsi pour étudier leurs mécanismes de déformation à l’échelle nanométrique. Les résultats obtenues indiquent que les propriétés mécaniques des minéraux dépendent sensiblement des caractéristiques de la structure cristalline : de la charge de couche, de l’espacement de la couche intercalaire, et même les compositions chimiques. En général, la charge électrique de couche intercalaire résulte des forces plus élevée de cohésion et par conséquent une rigidité élevée et une résistance à la pénétration permanente. Le présent travail présente la technique de la nanoindentation qui est un essai expérimentale pour la détermination des propriétés mécaniques des nano-composites à base d’argile utilisant une méthode numérique et une modélisation en 2D se basant sur la méthode des éléments finis(MEF). La simulation réalisée utilise le modèle d’Oliver et Pharr à l’aide d’un code de calcul COMSOL pour L’analyse des courbes charge-déplacement pour différent paramètres obtenues par cette simulation.

Mots clés : Les propriétés mécaniques, nano-composites, Argile, phyllosilicates, nanoindentation, simulation numérique, élément finis. ----------------------------------------------Abstract

Clay minerals, are hydrous layered silicates or phyllosilicates that are made of nanometer- thick 2:1 or 1:1 layers. Understanding their mechanical properties of Clay minerals is of vital importance to a variety of disciplines, such as geotechnics, geophysics, mineral physics, and the nanocomposites. Owing to their complex crystal structure and size, however, accurate determination of their mechanical properties is a significant challenge. The mechanical properties of a material are determined by a whole of sizes, such as the Young modulus or the yield stress, which characterize its resistance to an imposed deformation.They make it possible to direct the choice of a material for an application concerned, as well as the physicochemical properties. The properties of a solid body depend, at the same time, of its elementary composition (atoms, molecules) and of its microstructure (internal organization). Generally, the sizes (Young modulus E, and hardness H) measured, also evolve/move according to the mechanical test put in work and of the scale to which this test applies. The success of this study proves that nanoindentation is a viable tool to probe the mechanical properties of hydrous phyllosilicates and to study their nanoscale deformation mechanisms. Results reveal that the mechanical properties of clay minerals are significantly dependent upon the characteristics of the crystal structure: layer charge, interlayer complexes, interlayer spacing, and even chemical compositions. In general, higher layer charges result in stronger interlayer cohesion forces and hence higher stiffness and resistance to permanent penetration.The present work presents the technique of the nanoindentation which is a test experimental for the determination of the mechanical properties of the nanocomposites clay- based using a numerical method and a modeling in 2D being based on the method of the finite elements (FEM).Simulation carried out uses the model of Oliver and Pharr using a computer code COMSOL for the analysis of the curves chage-displacement for different parameters obtained by this simulation. Keywords : mechanical properties, nanocomposites, clay, phyllosilicates, nanoindentation, numerical simulation, finite element.