Fahmi BEDOUI Enseignant-chercheur

Mes activités de recherches couvrent l’interaction microstructure-comportement mécanique. Les modèles micromécaniques sont combinés à une caractérisation multi échelles pour décrire au mieux le comportement des matériaux étudiés. Dans cet esprit les actions les plus représentatives sont présentées ci-dessous :

• Approche multi-échelles dans les polymères semi-cristallins, Projet développé en interne avec Mme Michèle Guigon depuis Décembre 2009

1. F. Bédoui and M. Guigon, Linear viscoelastic behavior of Poly (ethylene terephtalate) above Tg, amorphous viscoelastic properties Vs crystallinity : Experimental and micromechanical modeling, 2010, soumis à Polymer (Impact Factor=3,57). Accepted in Polymer.

2. F. Bédoui and M. Guigon, Amorphous viscoelastic properties in semicrystalline polymers, Confinement effect : Experimental and micromechanical modeling, 2010, sera présenté à la conference Mechanics of Time Dependant Materials, Slovenia, September, 2010.

Les lois de comportement mécanique des polymères semi-cristallins sont particulièrement difficiles à déterminer. Les propriétés à l’échelle macroscopique dépendent des propriétés de la phase amorphe, cristalline, de la texture et de l’état de confinement de la phase amorphe. La caractérisation du comportement mécanique des polymères se fait généralement à des dimensions supérieures aux dimensions caractéristiques de la microstructure et n’aboutit pas à des lois de comportement suffisamment fines pour prédire convenablement leur comportement mécanique. Ce même constat est amplifié dans le cas des matériaux nano-composites où l’apport de nano-charges modifie le comportement mécanique de la matrice polymère. Faute de ces connaissances, les pièces mécaniques en polymères sont surdimensionnées ou exclues de choix lors de la conception. Pour pallier ces difficultés, des lois de comportement riches en informations physiques et microstructurales sont nécessaires. L’approche multi-échelles sera utilisée pour lier les différentes échelles microstructurales et remonter au comportement macroscopique du matériau.

Dans ce cadre une étude sur l’évolution des propriétés de la phase amorphe lors de la cristallisation a débuté en Janvier 2009. Cette étude à montré, au delà de l’évolution des propriétés viscoélastiques de la phase amorphe du polymère (poly (éthylène téréphtalate dans ce cas), la coexistence de deux phases amorphes ayant des propriétés physiques différentes. Cette étude à donné lieu à un article soumis et à une présentation dans une conférence internationale.

Dans le cadre de cette étude, une thèse démarrera en Septembre 2010 pour approfondir les résultats obtenus en viscoélasticité et étendre l’approche à la thermo-élasticité. Une caractérisation nano mécanique à l’aide du nano-indenteur et du microscope à force atomique permettra d’approfondir l’étude et les résultats publiés.

• Nano indentation par microscope à force atomique dans les polymères semi-cristallins, En collaboration avec : F. Sansoz, Vermont University, USA et S. Murthy, Rutgers University, USA.

1. F. Bédoui, N. S. Murthy and F. Sansoz, Incidence of Nanoscale Heterogeneity on the Nanoindentation of a Semicrystalline Polymer : Experiments and Modeling, Acta Materialia 56 (10), 2008 pages 2296-2306 (Impact Factor=3,76).

Dans le cadre de ce projet les potentialités qu’offre la nano-indentation par Microscopie à Force Atomique (AFM) ont été explorées. La nano-indentation d’un polymère semi-cristallin (PA6) a été réalisée en utilisant un AFM équipé d’une pointe en diamant et de rayon de courbure théoriquement inférieur à 10 nm. Des essais en conditions humide et sec sur des échantillons de PA6 injectés on été réalisés. La technique développée a permis de mesurer des modules d’élasticité en bon accord avec la littérature, confirmant ainsi l’approche expérimentale développée dans cette étude. L’effet de l’hétérogénéité due à la présence des lamelles cristallines a été révélé à travers l’apparition d’une discontinuité de la force, indépendamment des conditions d’essais (milieu humide ou sec). Nous avons également constaté l’apparition de « pile-up » autour de l’empreinte après indentation due à la nature hétérogène de la déformation dans le polymère indenté. Une simulation par éléments finis a été effectuée pour expliquer le phénomène de la discontinuité de la force. Il a été montré, à travers les simulations, que la discontinuité de force lors du chargement résulte en grande partie de la différence des contraintes d’écoulements locales (à l’échelle des lamelles cristallines). Cette étude a permis la mise en lumière du grand potentiel que les techniques de caractérisations et mesures locales possèdent pour comprendre les mécanismes de déformation à une échelle nanométrique.

• Interaction microstructure-environnement-comportement mécanique des polymères amorphes, en collaboration avec : J. Kohn et S. Murthy, New Jersey Center of Biomaterials, Rutgers University, USA.

1. F. Bédoui, L. Kresna, A. Luk, D. Bolikal, N. S. Murthy and J. Kohn, Enhancement of Mechanical properties upon hydration in copolymers of PEG and Iodinated Tyrosine-derived polycarbonates, 2008, MRS Fall Meeting, 1132-Z09-12.R1 Boston, USA.

2. F. Bédoui, L. Kresna, A. Luk, D. Bolikal, N. S. Murthy and J. Kohn, Antiplasticization Effect of Water in Copolymers of PEG and Iodinated Tyrosine-derived Poly(ether carbonate)s, En préparation.

L’interaction solvants-polymères et son effet à la fois sur la microstructure et le comportement mécanique a été le but de ce projet. Deux familles des copolymères ont été choisies pour cette étude (poly (I2DTE co-PEG-carbonate) et poly (DTE co-PEG-carbonate)) et l’eau a été utilisée comme solvant. L’effet de l’hydratation sur le comportement des polymères étudiés était fortement dépendant de la composition. Alors qu’un effet de plastification apparait pour certains polymères, d’autres montrent un effet inverse (anti-plastification) se traduisant par une augmentation du module d’élasticité de l’ordre de 15 fois à température ambiante. Il est à noter qu’une fraction spécifique de PEG en présence d’iode favorise l’effet d’anti-plastification. Des essais mécaniques couplés à des résultats issus de diffraction des neutrons à petits angles ont aidé à éclaircir ce phénomène et aider à soupçonner quelques pistes qui peuvent être à l’origine du phénomène de l’anti-plastification. L’augmentation de la résistance et du module que l’on a observé est plus probablement liée à l’augmentation de la rigidité locale qui résulte de la réorganisation des segments I2DTE du polymère, facilitée par la mobilité accrue des domaines du PEG hydratés (le PEG étant hydrophile alors que les domaines de polycarbonate sont hydrophobes). En se basant sur la morphologie décrite indirectement à travers les résultats des essais en diffraction des rayons X et des neutrons, on utilisera les modèles micromécaniques pour donner une explication quantitative du phénomène d’anti-plastification observé.

• Adhésion fibre matrice et ablation Laser, en collaboration avec : F. Zimmermann et S. Murthy, Rutgers University, USA.

1. F. Bédoui, N. S. Murthy and F. N. Zimmermann, Enhancement of fiber-matrix adhesion by laser ablation-induced surface microcorrugation, Journal of Materials Science 43 (16),2008, pages. 5585-5590 (Impact Factor=1,471)

Les problèmes d’adhésion fibres matrices sont en grande partie l’origine de la défaillance des matériaux composites. Dans ce projet on voulait à travers le changement de la surface des fibres augmenter mécaniquement l’adhésion fibre matrice. Le cas du composite Kevlar époxy a été choisi. La surface des fibres de kevlar a été modifiée par ablation laser. Des ondulations micrométriques ont été induites pas ablation laser. Cette nouvelle morphologie à la surface des fibres a conduit à une augmentation spectaculaire de l’adhésion fibre matrice. Des ondulations symétriques et asymétriques ont été produites on jouant sur l’angle d’incidence du laser. L’adhésion inter-faciale a été mesurée en utilisant un montage d’essai de pull-out. Après l’ablation laser, l’adhésion inter-faciale a augmenté de 120%, avec des profils d’ondulation symétriques et de 5 fois avec des profils d’ondulation asymétriques. Une amélioration a été observée dans les essais de retrait dans des conditions humides. Un modèle simple prenant en compte la géométrie de l’interface a permis de reproduire les résultats expérimentaux et par conséquent apporter une explication quantitative de la forte amélioration des phénomènes observés.

• Actions en Perspective

Les compétences développées dans les deux activités précédentes (approche multi échelles, Caractérisation nanométrique, Interaction matériaux environnement et Interaction fibre matrice) seront mis en application dans une activité en cours de développement. Un projet FUI a été déposé (acronyme BIOSOURC’AIR) en partenariat avec un industriel régional. Ce projet traitera des potentialités des nouveaux matériaux polymères « verts » pour remplacer des matériaux d’origine fossiles. L’effet de la formulation, sur les propriétés mécaniques finales et comment les améliorer (ajout de charges naturelles) sera le coeur du projet.

Depuis Septembre 2008 Maître de Conférences, Université de Technologie de Compiègne.Département de mécanique, Laboratoire Roberval

Juillet 2006 – Août 2008 Chargé de recherche : Rutgers University, New Jersey Center of Biomaterials / Center for Military Biomaterial Research (www.njbiomaterials.org) USA.

2002-2005 doctorat LIM ENSAM-Paris France : Prédiction du comportement élastique et visco-élastique des polymers semicristallins par approche micromécanique.

 

1. Linear viscoelastic behavior of Poly(ethylene terephtalate) above Tg, amorphous viscoelastic properties Vs crystallinity : Experimental and micromechanical modeling, F. Bédoui and M. Guigon,2010, Accepted in Polymer (Impact Factor = 3,57).

2. Amorphous viscoelastic properties in semicrystalline polymers, Confinement effect : Experimental and micromechanical modeling, F. Bédoui and M. Guigon, 2010, Mechanics of Time Dependant Materials, Slovenia 2010.

3. Monitoring the viscoelastic properties of skin un liquid environment using quartz crystal microbalance, N. S. Murthy, F. Bédoui, B. Kilfoyle, C. Iovinie, B. Michniak-Kohn, J. Kohn,2010, Accepted in Journal of Pharmaceutical Sciences (Impact Factor = 2,94).

4. Enhancement of Mechanical properties upon hydration in copolymers of PEG and Iodinated Tyrosine-derived polycarbonates, 2008, MRS Fall Meeting, 1132-Z09-12.R1 Boston, USA.

5. Enhancement of fiber–matrix adhesion by laser ablation-induced surface microcorrugation, F. Bédoui, N. S. Murthy, F. M. Zimmermann, 2008, Journal of Materials Science, 43, 5585-5590 (Impact Factor = 1,471)

6. Incidence of Nanoscale Heterogeneity on the Nanoindentation of a Semicrystalline Polymer : Experiments and Modeling F. Bedoui, F. Sansoz and N.S. Murthy,2008, Acta Materialia 56, 10, 2296-2306 (Impact Factor = 3,76).

7. On the relevance of the micromechanics approach for predicting the linear viscoelastic behaviour of semi-crystalline poly(ethylene)terephtalates (PET),2008, J. Diani, F. Bédoui, G. Régnier, Materials Science and Engineering A, 475, 229-234 (Impact Factor = 1,901).

8. Micromechanical modeling of isotropic elastic behavior of semicrystalline polymers, 2006, F. Bédoui, J. Diani, G. Régnier, Acta Materiala ,54 , 1513-1523 (Impact Factor = 3.76)