Etude du comportement dynamique de matériaux sous choc laser subpicoseconde - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Investigation of the dynamic behavior in materials submitted to subpicosecond laser driven shock

Etude du comportement dynamique de matériaux sous choc laser subpicoseconde

Jean-Paul Cuq-Lelandais
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 891761

Résumé

Laser driven shocks allow to investigate materials behavior at high strain rate and presents a great interest for research applications, but also for industry fields. The latest laser technologies evolutions provide an access to shorter regimes in durations, going below the picosecond. This work, which results from a collaboration between the P' institute, the PIMM laboratory and the CEA‐DAM, is dedicated to characterize the metallic material behavior in this ultra‐short mode, (aluminium, tantalum), leading to extreme dynamic solicitation in the target (>107s‐1). The study includes the validation of experimental results obtained on the LULI 100TW facility by comparison with numerical model. First, the study is orientated to the femtosecond (fs) laser‐matter interaction, which is different from what happens in nanosecond regime. Indeed, the characteristic duration scale is comparable to several molecular phenomena like non‐equilibrium electrons‐ions states. The aim is to determine the equivalent pressure loading induced by the laser pulse on the target. Then, we have studied the shock wave propagation within the target and particularly its pressure decay, particularly strong in this regime. In this configuration, the spalls observed are thin, a few μm order, and show a planar rupture morphology. The results obtained by post‐mortem observation show that the spall thickness is thinner if the target thickness is reduced. The spalls are characterized by the VISAR measurement. Within the framework of dynamic damage modeling and rupture criteria dimensioning, particularly those which have been validated in the ns regime as Kanel, shots with different thicknesses have been carried out to determine the damage properties in function of strain rate and validate the parameters by prolongation to the ultra‐shorts modes. Then, the study has been generalized to the 2D propagation waves, which can explain the spall diameter evolutions. Meanwhile, microscopic simulations of ultra‐short laser driven shock on micrometric single‐crystal metals have been performed by using the CEA‐DAM molecular dynamic codes. This method, complementary to continuum models, provides an analysis the microscopic processes related to damage (ductile pore nucleation and growth). The high strain rates involved, around 109s‐1, allow to approach the inter‐atomic theoretical cohesion threshold. By the end, the results obtained in both ultra‐short and 2D regimes are of great interest for applications such as the adhesion test of thin coating by laser driven shock (LASAT), open the way to news LASAT extensions. As example, various fields in the industry (optics, electronics...) use micrometric coatings, but there are actually few ways to characterize their mechanical properties precisely. The transposition of the LASAT process to the fs regime has been tested on multi‐layer solar‐cell‐like, and has confirmed the possibility to debond sub‐micrometric layers and determine its adhesion threshold.
Les chocs induits par laser de puissance permettent d'investir le comportement hautement dynamique des matériaux, d'un grand intérêt tant pour la recherche fondamentale que pour l'industrie. L'évolution des technologies laser ces dernières années a permis d'accéder à des régimes plus courts, en dessous de la picoseconde. L'objectif de ce travail, résultat d'une collaboration entre l'institut P', le PIMM et le CEA‐DAM est de caractériser le comportement sous choc de matériaux métalliques (Aluminium, Tantale,...) dans ce régime ultra‐bref, conduisant à des sollicitations dynamiques extrêmes (>107s‐1). L'étude repose sur la comparaison et la validation de modèles numériques à des résultats expérimentaux obtenus sur la chaîne 100TW du LULI. Cette caractérisation passe dans un premier temps par l'étude de l'interaction laser‐matière afin caractériser le chargement équivalent en pression sur la cible. Les processus en régime ultra‐bref sont différents de ce qui est connu en régime nanoseconde : en effet, l'échelle de temps, quelques picosecondes, est du même ordre que bon nombres de phénomènes moléculaires tel que le déséquilibre électrons‐ions. Ensuite, nous avons étudié l'évolution de l'onde de choc et son amortissement, très prononcé dans ce régime. L'écaillage dans une telle configuration se produit par couches très minces (quelques μm) et régulières dans ce régime. L'endommagement obtenu est caractérisé par la mesure VISAR. Les résultats obtenus par observations post‐mortem jusqu'à présent montrent que plus l'épaisseur de cible est faible, plus l'épaisseur d'écaille diminue, pouvant atteindre l'échelle du micron. Dans le cadre de la modélisation de l'endommagement et le dimensionnement des critères d'endommagement utilisés et éprouvés en régime nanoseconde (Kanel), des essais à différentes épaisseurs de cible ont été réalisés afin d'observer les conséquences d'une variation de vitesse de déformation sur l'endommagement, et généraliser le modèle de Kanel au régime ultra‐bref, et plus généralement en fonction de la vitesse de déformation. L'ensemble des résultats relatifs à l'endommagement est généralisé à des configurations 2D, permettant notamment de caractériser l'évolution du diamètre d'écaille. En parallèle, des simulations microscopiques par dynamique moléculaire de choc laser ultra‐bref sur des cibles monocristallines de Tantale à l'échelle du micron ont été menées au CEA‐DAM donnent un point de vue complémentaire des processus microscopiques liés à l'endommagement à des vitesses de déformation aux abords de la limite de cohésion théorique. Les résultats obtenus sur les chocs ultra‐brefs et 2D présentent un grand intérêt pour le développement du test d'adhérence de revêtements par choc laser (LASAT), offrant la possibilité de nouvelles extensions pour le procédé LASAT. Par exemple, de nombreux domaines industriels utilisent des revêtements micrométriques (optique, électronique, ...) mais il existe peu de méthodes pour caractériser leurs propriétés avec fiabilité. Des essais de transposition de LASAT en régime femtoseconde sur des cellules photovoltaïques ont démontré la possibilité d'éjecter des revêtements submicrométriques et caractériser leur seuil d'adhérence.
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Dates et versions

tel-00564182 , version 1 (08-02-2011)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00564182 , version 1

Citer

Jean-Paul Cuq-Lelandais. Etude du comportement dynamique de matériaux sous choc laser subpicoseconde. Sciences de l'ingénieur [physics]. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00564182⟩
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