Mechanical and rheological properties of cross-linked polymer foams
Propriétés mécaniques et rhéologiques des mousses de polymères réticulés
Résumé
The use of cellular materials based on polymers like foam shows an increase interest, particularly for acoustic absorption. The objective of this work is to present new approaches for the characterization of these materials.
Many methods were developed in order to characterize these materials in their linear field, privileged area for acoustic absorption and determination of the current mechanical parameters. A first study presents the linear behavior on a very wide frequency scale by the application of Time-temperature Superposition (TTS) principle. The use of the TTS on a family of foams, obtained with same polymer, at same density, but with different pore size, shows two important aspects: a weak fraction of the solid skeleton takes part in shear stress transmission, and elastic modulus at zero shear frequency decreases with pore size.
Polymer foams are often used in their linear field, but their mechanical behavior differs on higher strain level.Tes stress-strain curves present an hysteretic behavior, with three different zones (linear, buckling, and densification). There are other hysteretic phenomena which were more simply modelled, such as the theory of Preisach-Krasnoselskii-Mayergoyz (PKM) resulting from magnetism. One second part of this work presents a new extension of this PKM theory to open cells cross-linkded polymer foams, subjected over great deformations: we can model hysteretic behavior observed in experiments, starting from microscopic hysterons distribution contains in a Preisach-Mayergoyz space.
In a third part, we studied the influence of stress past history on mechanical parameters measurements of cross-linked polymer foams. We concentrated particularly on the rheology of these foams within the framework of compression relaxation, by distinguishing two mechanisms, one in linear zone of loading and the other outwards. Dependent on the past history of stressing, this second mechanism of relaxation allows the stress reduction by topological rearrangement of the foam beams.
Many methods were developed in order to characterize these materials in their linear field, privileged area for acoustic absorption and determination of the current mechanical parameters. A first study presents the linear behavior on a very wide frequency scale by the application of Time-temperature Superposition (TTS) principle. The use of the TTS on a family of foams, obtained with same polymer, at same density, but with different pore size, shows two important aspects: a weak fraction of the solid skeleton takes part in shear stress transmission, and elastic modulus at zero shear frequency decreases with pore size.
Polymer foams are often used in their linear field, but their mechanical behavior differs on higher strain level.Tes stress-strain curves present an hysteretic behavior, with three different zones (linear, buckling, and densification). There are other hysteretic phenomena which were more simply modelled, such as the theory of Preisach-Krasnoselskii-Mayergoyz (PKM) resulting from magnetism. One second part of this work presents a new extension of this PKM theory to open cells cross-linkded polymer foams, subjected over great deformations: we can model hysteretic behavior observed in experiments, starting from microscopic hysterons distribution contains in a Preisach-Mayergoyz space.
In a third part, we studied the influence of stress past history on mechanical parameters measurements of cross-linked polymer foams. We concentrated particularly on the rheology of these foams within the framework of compression relaxation, by distinguishing two mechanisms, one in linear zone of loading and the other outwards. Dependent on the past history of stressing, this second mechanism of relaxation allows the stress reduction by topological rearrangement of the foam beams.
L'utilisation des matériaux cellulaires à base de polymères type mousse gagne de plus en plus de terrain, notamment pour l'absorption acoustique. L'objectif de ce travail est de présenter de nouvelles approches pour la caractérisation de ces matériaux.
Diverses méthodes ont été développées afin de caractériser ces matériaux, en particulier leur domaine linéaire, zone privilégiée pour l'absorption acoustique et la détermination des paramètres mécaniques courants. Cependant ces caractérisations restent souvent limitées à une faible plage fréquentielle. Une première étude présente ici le comportement linéaire sur une large gamme de fréquences grâce à l'application du principe de Superposition Temps-Température (TTS). L'utilisation du TTS sur une famille de mousses obtenues avec le même polymère, de même densité, mais dont la taille des pores est différente, met en évidence deux aspects importants: seulement 3 % du squelette solide participe à la transmission de la contrainte, et le module élastique à fréquence nulle décroît avec la taille des pores.
Les mousses de polymères sont certes souvent utilisées dans leur domaine linéaire, mais leur comportement mécanique diffère à de plus forts niveaux de déformation. Les courbes en contrainte-déformation présentent un comportement en hystérésis, avec trois zones de comportement distinctes (linéaire, flambement et densification). Il existe d'autres phénomènes en hystérésis qui ont été plus simplement modélisés, par exemple à l'aide de la théorie de Preisach-Krasnoselskii-Mayergoyz (PKM) issue du magnétisme. Une seconde partie de ce travail présente une nouvelle extension de cette théorie PKM aux mousses de polymères réticulés à cellules ouvertes, soumises à de grandes déformations: nous pouvons ainsi modéliser l'hystérésis observée expérimentalement, à partir d'une distribution d'hysterons microscopiques contenus dans un espace de Preisach-Mayergoyz.
Dans une troisième partie, l'influence de l'histoire passée des contraintes sur la mesure des paramètres mécaniques d'une mousse est étudiée, et plus particulièrement la rhéologie de ces mousses dans le cadre de la relaxation de compression, en distinguant deux mécanismes, l'un en zone linéaire de chargement et l'autre en dehors. Liée à l'histoire des contraintes passées, ce second mécanisme de relaxation permet la réduction des contraintes par réarrangement topologique des poutres de la mousse.
Diverses méthodes ont été développées afin de caractériser ces matériaux, en particulier leur domaine linéaire, zone privilégiée pour l'absorption acoustique et la détermination des paramètres mécaniques courants. Cependant ces caractérisations restent souvent limitées à une faible plage fréquentielle. Une première étude présente ici le comportement linéaire sur une large gamme de fréquences grâce à l'application du principe de Superposition Temps-Température (TTS). L'utilisation du TTS sur une famille de mousses obtenues avec le même polymère, de même densité, mais dont la taille des pores est différente, met en évidence deux aspects importants: seulement 3 % du squelette solide participe à la transmission de la contrainte, et le module élastique à fréquence nulle décroît avec la taille des pores.
Les mousses de polymères sont certes souvent utilisées dans leur domaine linéaire, mais leur comportement mécanique diffère à de plus forts niveaux de déformation. Les courbes en contrainte-déformation présentent un comportement en hystérésis, avec trois zones de comportement distinctes (linéaire, flambement et densification). Il existe d'autres phénomènes en hystérésis qui ont été plus simplement modélisés, par exemple à l'aide de la théorie de Preisach-Krasnoselskii-Mayergoyz (PKM) issue du magnétisme. Une seconde partie de ce travail présente une nouvelle extension de cette théorie PKM aux mousses de polymères réticulés à cellules ouvertes, soumises à de grandes déformations: nous pouvons ainsi modéliser l'hystérésis observée expérimentalement, à partir d'une distribution d'hysterons microscopiques contenus dans un espace de Preisach-Mayergoyz.
Dans une troisième partie, l'influence de l'histoire passée des contraintes sur la mesure des paramètres mécaniques d'une mousse est étudiée, et plus particulièrement la rhéologie de ces mousses dans le cadre de la relaxation de compression, en distinguant deux mécanismes, l'un en zone linéaire de chargement et l'autre en dehors. Liée à l'histoire des contraintes passées, ce second mécanisme de relaxation permet la réduction des contraintes par réarrangement topologique des poutres de la mousse.
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