Doctorant.e (H/F) en mécanique des matériaux: Étude de la fracture et de la corrosion des vitrocéramiques à l'aide de simulations de dynamique moléculaire

Description du Poste

Sujet De Thèse

La cristallisation contrôlée de certains verres permet d'obtenir des matériaux structurés, appelés vitrocéramiques (GC), qui se composent de nanocristaux ou de microcristaux dispersés dans une matrice de verre résiduelle. Les GC tirent parti des propriétés avantageuses de la céramique et du verre et trouvent de nombreuses applications dans notre vie quotidienne, par exemple dans les ustensiles de cuisine, les implants osseux et dentaires, l'architecture, les écrans de téléphones portables, etc. [2, 3]. Dans la littérature actuelle, les ensembles de données sur les propriétés physiques, mécaniques et de rupture des GC restent disparates, ne révélant qu'une poignée de propriétés sur un seul échantillon de GC. De plus, la sensibilité des vitrocéramiques à la corrosion sous contrainte a été très peu étudiée. Ce phénomène dépend fortement de l'humidité relative et de la température [4], ainsi que des paramètres des matériaux (composition chimique [5] et microstructure [6], ici la structure et l'échelle de longueur associées aux phases cristallines) et peut limiter considérablement les utilisations des GC en raison de la lente propagation des fissures conduisant à la défaillance des GC sous des contraintes (apparemment) inoffensives.

L'objectif à long terme est d'établir le lien entre la microstructure et le mécanisme dit de fissuration par corrosion sous contrainte dans les vitrocéramiques. En général, le comportement de fissuration par corrosion sous contrainte peut être modélisé par le formalisme de Wiederhorn [4,7]. En 2020, Grutzik et al. [8] ont étendu la formulation de Wiederhorn en proposant une équation unique pour modéliser la vitesse de propagation des fissures dans un verre, où la vitesse dépend de la résistance à la rupture. L'équation est constituée d'un ensemble de paramètres, qui comprend également les énergies d'activation et les échelles de longueur caractéristiques pour les environnements secs et humides, ainsi que les dépendances à la température et à l'humidité relative, ainsi que quelques paramètres macroscopiques (module d'Young, densité, etc.). La plupart de ces paramètres sont faciles à déterminer expérimentalement pour une seule microstructure et composition de vitrocéramique. Nous souhaitons donc construire des modèles moléculaires chimiquement spécifiques afin de faciliter ces caractérisations. Nous avons déjà établi un protocole pour construire des modèles moléculaires de vitrocéramiques, mais les structures et les propriétés mécaniques obtenues doivent maintenant être validées. Les propriétés mécaniques seront étudiées à l'aide de simulations de dynamique moléculaire à tous les atomes (propriétés élastiques) et d'une technique de simulation avancée appelée CAPRICCIO (résistance à la rupture) [9]. Nous effectuerons ces calculs pour différentes microstructures de vitrocéramiques, ce qui nous aidera à comprendre l'influence de la morphologie de la phase cristalline.

La thèse de doctorat sera réalisée au sein du département Mécanique et Verres de l'Institut de Physique de Rennes. Ce département occupe une position originale et transdisciplinaire, à la croisée de la mécanique, de la physique et de la chimie. Des expérimentations innovantes (de la synthèse aux essais) associées à des simulations informatiques ont permis de développer une activité de recherche reconnue sur le comportement mécanique des matériaux amorphes. Le stage s'inscrit dans le cadre d'un projet plus large financé par l'ANR, auquel participent des experts en corrosion sous contrainte du CEA Saclay (Laure Chomat, Cindy Rountree, Daniel Bonamy) et des experts en synthèse et caractérisation des vitrocéramiques de l'Universidade Federal de São Carlos au Brésil (Edgar Zanotto, Vinicius Sciuti, Rodrigo Canto).

Ce doctorat sera l'occasion d'apprendre et de mettre en œuvre un certain nombre d'outils numériques et expérimentaux. Tout d'abord, le code LAMMPS (https://www.lammps.org/) pour simuler la dynamique moléculaire des matériaux. Ensuite, pour assurer le transfert d'échelle et relier la structure atomique et les propriétés mécaniques, un couplage multiscalaire fort grâce à une collaboration avec S. Pfaller (FAU-Erlangen) [9] (https://www.capriccio.research.fau.eu/). Les calculs haute performance requis pour cette thèse seront préparés en amont au centre de calcul de l'Institut, puis déployés sur des supercalculateurs nationaux (GENCI) et européens (ARCHER2, SuperMUC-NG). La validation des prédictions des simulations numériques s'appuiera sur des données issues de méthodes de caractérisation mécanique structurelle (XRD, AFM, RMN, DSC), viscoélastique (analyse dynamique de la fréquence de résonance) et de fracture (poutre à bord pré-fissuré).

[1] Durán, A., Hu, L., & Richardson, K. A. Editorial special issue women in glass. Int. J. Appl. Glass Sci., 11(3):383–384, 2020.
[2] Zanotto, E. D. Bright future for glass-ceramics. Am. Ceram. Soc. Bull., 89(8):19–27, 2010.
[3] Zanotto, E. D. & Mauro, J. C. The glassy state of matter: Its definition and ultimate fate. J. Non-Cryst. Solids, 471:490–495, 2017.
[4] Wiederhorn, S. M. Influence of water vapor on crack propagation in soda-lime glass. J. Am. Ceram. Soc., 50(8):407, 1967.
[5] Rountree, C. L. Recent progress to understand stress corrosion cracking in sodium borosilicate glasses: Linking the chemical composition to structural, physical and fracture properties. J. Phys. D: Appl. Phys, 50:34, 2017.
[6] Feng, W. Stress Corrosion Cracking of Sodium Borosilicate Amorphous Phase Separated Glasses. Phd thesis, Université Paris-Saclay, 2022.
[7] Wiederhorn, S. M. & Bolz, L. H. Stress corrosion and static fatigue of glass. J. Am. Ceram. Soc., 53:543–548, 1970.
[8] Grutzik, S. J., Strong, K. T., & Rimsza, J. M. Kinetic model for prediction of subcritical crack growth, crack tip relaxation, and static fatigue threshold in silicate glass. J. Non-Cryst. Solids, 16:100134, 2022.
[9] Weber, F., Vassaux, M., Laubert, L., & Pfaller, S. The Capriccio method as a versatile tool for quantifying the fracture properties of glassy materials under complex loading conditions with chemical specificity. arXiv:2501.16537 (preprint), 2025.

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Créé en 2008, l’Institut de Physique de Rennes est une grande unité de recherche en physique expérimentale, théorie et modélisation, moteur dans nombre de partenariats en recherches interdisciplinaires aux interfaces avec la chimie, l’ingénierie, la biologie et les sciences de l’environnement. Le Département Mécanique et Verres dispose d’une position originale et transdisciplinaire qui se situe au carrefour de la mécanique, de la physique et de la chimie. Une expérimentation innovante et des moyens de simulation numérique ont permis de développer une activité de recherche reconnue autour du comportement mécanique des matériaux amorphes : les verres et les élastomères.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2200,00 € mensuel

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44 jours

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