Anticipating crack propagation by detecting dynamic precursors with light
Anticiper la propagation des fissures en détectant des précurseurs dynamiques optiquement
Résumé
To assess correctly limitations in use, it is important to better understand how elastomers break by the propagation of an existing flaw and in particular whether such propagation can be predicted. To address this experimentally challenging problem, we propose in this thesis to characterize in-situ the microscopic behavior of soft elastomers at early stages of crack propagation with a variety of advanced optical methods. We first introduced spatially resolved multiple speckle diffusing wave spectroscopy (MSDWS) to map deformation rates in elastomers and applied it to investigate the strain rate field in front of a crack before propagation with an excellent time resolution. In a common and simple elastomer, PDMS, we observed by MSDWS the existence of a large-scale (~1 cm2) strain rate heterogeneity at long times (~500 s) before propagation, related to the accumulation of a highly localized bond scission (~0.01 mm2) around the crack tip, as detected by fluorescent mechanophores. We then used a combination of mechanophore mapping, digital image correlation and mechanical testing to investigate the origin of the increased fracture toughness of a more complex multiple network elastomer, and showed that the toughening comes from a local blunting mechanism involving bond scission in a sacrificial network to homogenize the strain around a deformed crack by localized creep. By combining original DWS measurements and mechanochemistry, we revealed optically the rich transient behaviors of soft materials before the macroscopic propagation of a crack. These new insights and methodological advances will provide useful information for the design and practical application of fracture resistant elastomers.
Pour évaluer correctement leurs limites d'utilisation, il est important de mieux comprendre comment les élastomères se cassent par la propagation d'un défaut existant et en particulier si cette propagation peut être prédite. Pour répondre à ce problème expérimental difficile, nous proposons dans cette thèse de caractériser in-situ le comportement microscopique des élastomères mous aux premiers stades de la propagation d'une fissure avec une variété de méthodes optiques avancées. Nous introduisons d'abord la diffusion multiple de la lumière (MSDWS) résolue spatialement pour cartographier les vitesses de déformation dans les élastomères et l'appliquons, avec une excellente résolution temporelle, à la zone en front d’une fissure avant sa propagation. D’abord dans un élastomère commun, le PDMS, nous avons observé par MSDWS l'existence d'une hétérogénéité de vitesse de déformation à grande échelle (~1 cm2) à des temps longs (~500 s) avant la propagation, liée à l'accumulation de ruptures moléculaires hautement localisées (~0,01 mm2) autour de la pointe de la fissure, détecté avec des mécanophores fluorescents. Nous avons ensuite utilisé une combinaison de cartographie par mécanophores, corrélation d'images numérique et essais mécaniques pour étudier l'origine de l'augmentation de la ténacité d'un élastomère à réseaux multiples plus complexe, et nous avons montré que la ténacité provient d'un mécanisme d'émoussement local impliquant la scission des liaisons dans un réseau sacrificiel pour homogénéiser la déformation autour d'une fissure déformée par fluage local. Grâce à nos mesures optiques originales combinant MSDWS, mécanochimie et DIC, nous avons révélé de riches comportements transitoires de matériaux mous avant rupture. Ces nouvelles connaissances et avancées méthodologiques fourniront des informations utiles pour la conception de nouveaux élastomères résistants à la rupture.
Origine : Version validée par le jury (STAR)