Fracture by cavitation of model polyurethane elastomers

The main objective of this thesis was to establish the role played by the composition and crosslinking structure of an elastomer on its resistance to cavitation under a predominantly hydrostatic pressure. We prepared three polyurethane model networks from triisocyanate and monodisperse polyether diols (PPGs) of various molecular weights, under well controlled conditions and carried out a complete characterization of the reagents and of the networks by using NMR, FTIR, analysis of the solfractions and DMA. We evaluated the nonlinear elastic and linear viscoelastic properties of the three model networks and determined their fracture toughness in mode I with notched samples. We performed cavitation experiments at different strain rates and temperatures on the transparent samples using an original setup developed specifically for the thesis combining a well controlled confining geometry and real-time optical visualization. Failure occurred in two steps: small and stable precritical cavities appeared during loading before catastrophic fracture occurred by the rapid growth of a single large cavity at or near the center of the sample. This implied the existence of two separate criteria: one for the nucleation and one for the growth. The critical cavitation stress was found to decrease significantly with decreasing strain rate and increasing temperature in clear disagreement with existing cavitation models by cavity expansion or by fracture. The analysis of the cavitation results strongly suggests a beneficial influence of a high mode I fracture toughness GIc and of a marked strain hardening of the network on the critical cavitation stress. Moreover, the existence of time dependence of the nucleation rate of the cavities under stress has been pointed out. In terms of materials, we mainly demonstrate that the presence of entanglements toughen the material which stabilizes the crack growth even in confined conditions. We concluded that the cavitation strength depends not only on the modulus but on the mode I fracture toughness and that the distribution of defects and subcritical crack growth is important for the nucleation rate.L'objectif principal de cette thèse a été de déterminer le rôle joué par l'architecture macromoléculaire du réseau sur les propriétés élastiques non linéaires, la résistance à la rupture et la résistance à la cavitation sous chargement hydrostatique. Nous avons synthétisé, dans des conditions contrôlées, trois réseaux élastomères dits « modèles » de Polyuréthanne (PU), à partir d'un triisocyanate et de polyether diols isomoléculaires (PPG). Une caractérisation physico-chimique fine des réactifs et des réseaux a été réalisée en utilisant des techniques telles que : RMN, FTIR et fractions solubles. Les propriétés élastiques non linéaires, viscoélastiques linéaires et la résistance à la rupture en mode I des trois réseaux modèles ont été caractérisées. Les essais de cavitation ont été effectués sur un dispositif expérimental développé pour cette étude, permettant de suivre les mécanismes de formation de cavités, à la résolution optique près, en temps réel. En menant une analyse systématique des conditions de cavitation, en fonction de la vitesse de déformation et de la température, il est apparu que, contrairement au modèle d'instabilité élastique communément utilisé, l'expansion critique de la cavité n'est pas uniquement pilotée par le module élastique; mais dépend fortement de l'énergie de rupture, GC et de l'extensibilité limite du réseau. Par ailleurs, nous avons observé l'apparition de cavités pré-critiques avant la fracture catastrophique ; ce qui met en évidence l'existence de deux critères : l'un, propre au processus de nucléation, principalement piloté par des mécanismes statistiques et activés thermiquement (distribution de défauts, temps, température, etc.) ; et l'autre, lié à la croissance de la cavité en milieu confiné contrôlé par GIC, et par le comportement aux grandes déformations. Enfin, la présence d'enchevêtrements dans l'architecture du réseau macromoléculaire s'est avérée clairement bénéfique pour stabiliser la croissance de cavités et donc pour renforcer la résistance à la cavitation