Fracture properties of Soft Materials : From Linear Elastic Fracture to damage at the microscopic scale

• Main Author: Lefranc, Maxime
• Other Authors: Paris 11
• Language: en
• Published: 2015
• Subjects: Fissuration; Matériau mou; V-dépendance de la fissuration; Non linéarités élastiques; LEFM; Zone de process; Fracture; Soft materials; Rate dependent fracture; Non linear fracture mechanics; Process zone
• Online Access: http://www.theses.fr/2015PA112028/document

Notre nouvelle approche expérimentale consiste à étudier la fissuration de matériaux mous, principalement des gels polymériques et colloidaux, qui ont des tailles microstructurales micrométriques. Cette augmentation de la taille microscopique va avoir pour conséquence d’augmenter la taille de la zone de process et va rendre son observation plus facile avec des moyens standard de microscopie (à transmission et confocale).Pour se faire, nous avons mis au point un nouveau dispositif expérimental pour étudier la propagation de fissures dans des matériaux mous. Cette expérience permet de faire croître une fissure de manière contrôlée dans un échantillon mou et d’inspecter la pointe de fissure à haute résolution pour des fissures se propageant entre 1 µm/s and 1cm/s. En travaillant avec des gels de polymère physiques, nous avons analyse la forme de fissure ainsi que les champs de déplacement proches pointe (en utilisant des techniques de corrélation d’image) à petites et grandes échelles et à différentes vitesses. Nous avons montré qu’il existait une séparation d’échelles spatiales entre les échelles où l’élasticité linéaire s’applique, les échelles auxquelles les non linéarités émergent et les échelles auxquelles la dissipation se produit. Cette dernière échelle n’a pas pu être investigué dans le cas de gels polymériques. De récentes expériences sur des gels colloïdaux, ayant une longueur micro-structurale plus grande que celle des gels polymers, montre que nous sommes capables de sonder en temps réel les échelles d’endommagement lors de la fissuration. === Our novel experimental approach consists in studying fracture mechanics of soft materials, mainly polymer and colloidal gels, which have microstructures with large typical length scales. This increase in the microscopic length scale will consequently increase the typical size of the process zone and make its observation easier with standard microscopy techniques (optical or confocal).To do so, we designed a novel experimental device to study crack propagation in such soft materials. This experiment enables us to grow a unique crack in a controlled way in a soft specimen and to look at the crack tip at high magnification for crack velocities between 1 µm/s and 1cm/s. Working on physical polymer gels, we analysed the crack shape and crack displacement fields (using Digital Image Correlation) at large and intermediate scales for various velocities. We realized there was a separation of scales between the scale at which LEFM applies, the scale at which elastic nonlinearities emerge and the scale at which dissipation occurs. This last scale could not be investigated with the polymer gel. Recent experiments on colloidal gels, which have a microscopic length scale bigger than the one of polymer gels, show that we are able to probe damage at the microstructural scale.