Des modèles à plusieurs échelles pour des nanocomposites
Les composites à matrice de polymères et à nano-charge remplacent les polymères classiques dans de nombreux secteurs, car leurs fonctionnalités peuvent être personnalisées. Le projet COMPNANOCOMP (Multiscale computational approach to the design of polymer-matrix nanocomposites), financé par l'UE, a conçu des logiciels de simulation pour accélérer leur développement, via un consortium de groupes de recherche russes et européens. Les scientifiques ont conçu et validé la méthodologie et le logiciel pour deux grandes catégories de systèmes, les caoutchoucs naturels et synthétiques avec une charge de silice (élastomères thermoplastiques) et les résines thermodurcissables renforcées de nanotubes de carbone. Pour comprendre l'effet du renfort d'une charge de particules sur les nanocomposites à matrice de polymère, l'équipe a intégré trois niveaux reliés de représentation, s'intéressant spécialement à des matériaux pour «pneus verts», du genre caoutchouc naturel renforcé de silice. Le premier niveau était une représentation atomistique détaillée des chaînes de polymères et des nanoparticules. Leur comportement a été suivi par des calculs de dynamique moléculaire. À l'échelle intermédiaire, la modélisation a porté sur les polymères en tant que chaînes en liaison libre et sur les nanoparticules en tant que sphères isolées, via une méthode Monte Carlo inspirée de la théorie des champs. Le niveau supérieur représentait les polymères en terme d'extrémité de chaîne, de réticulation, d'imbrication, d'adsorption et de points de greffage, en utilisant une dynamique brownienne à large grain couplée à des simulations cinétique de type Monte Carlo. Pour cette dernière représentation, les chercheurs ont aussi conçu une méthode afin d'estimer le taux d'adsorption et de désorption des chaînes contraintes aux extrémités (par réticulation ou imbrication), pour un polymère fondu sur un substrat solide. Une autre approche a modélisé les propriétés élastiques et de dissipation des élastomères renforcés. Les comparaisons avec les données expérimentales ont montré un très bon accord qualitatif. Les chercheurs ont utilisé une stratégie à plusieurs échelles, associant des modèles de correspondance/mappage inverse à la volée, la procédure de construction de réseau basée sur une dynamique dissipative-réactive des particules, et la dynamique moléculaire pleinement atomistique, pour simuler des résines époxydes à forte réticulation et renforcées de nanotubes de carbone à une ou plusieurs parois. Ces simulations ont éclairci d'importantes propriétés du système époxy-nanotubes, ainsi quel leurs relations avec les paramètres du traitement. Grâce à l'association des simulations et d'une optimisation expérimentale, l'équipe a produit des matrices avec une nano-charge, utilisant les nanotubes de carbone pour l'aérospatiale, et la silice pour l'énergie éolienne. Elle a amélioré les performances des composites renforcés de fibres de carbone. Les modèles à plusieurs échelles réalisés par COMPNANOCOMP, pour des thermoplastiques à nano-charge et des polymères thermodurcissables, promettent d'accélérer la mise au point de nanocomposites hautes performances, personnalisés pour de nombreux secteurs comme les transports et l'énergie. Le projet a organisé des ateliers et des échanges pour communiquer aux étudiants et aux chercheurs les connaissances relatives à divers types de logiciels de modélisation.
Mots‑clés
Plusieurs échelles, nanocomposite, polymère, simulation, nano-charge, élastomère, nanotubes de carbone
