Les matériaux polymères à structures cellulaires allient des propriétés mécaniques, thermiques, chimiques et optiques intéressantes aux regards des contraintes d’allègement des systèmes et des structures. Toutefois, pour diversifier leurs applications et les rendre toujours plus performants dans les domaines de la santé, du transport ou encore du bâtiment, une étude fine des relations qui lient les procédés de fabrication à la microstructure générée et aux propriétés qui en découlent, doit être menée. Ces propriétés mécaniques dépendent étroitement des propriétés de la matière dont les mousses sont faites mais aussi de la morphologie de leurs microstructures (orientation, distribution et taille des pores, épaisseur des parois). Il est donc crucial de pouvoir quantifier et mesurer ces paramètres pour tendre vers une compréhension fine des propriétés mécaniques et définir des modèles capables de relier le comportement macroscopique du matériau cellulaire vis-à-vis de son « équivalent » massif et de la microstructure. En collaboration étroite avec la direction recherche et développement de l’entreprise INTEREP, leader européen du caoutchouc cellulaire étanche, une caractérisation expérimentale du comportement mécanique de mousses de différentes natures polymériques et de différentes topologies à d’abord été effectuée. Ensuite un ensemble de modélisations géométriques a été développé à partir d’observations microstructurales de vraies mousses en micro-tomographie RX et à partir de microstructures générées virtuellement par le biais d’une description physique du processus de fabrication de mousses polymères. Finalement, une simulation numérique éléments finis en 2D et en 3D de ces microstructures couplées à la caractérisation expérimentale du matériau massif des parois a permis de reproduire et d’étudier finement les mécanismes de déformations observés expérimentalement sur des mousses polymères et d’affiner les lois de comportement empiriques avec la prise en compte d’un paramètre supplémentaire caractéristique de la statistique de distribution des cellules dans l’espace, c'est-à-dire de leurs localisations et de leur distribution de taille et de forme. / Polymer foams materials combine mechanical, thermal, chemical and optical interesting properties going with light weighting structures problems. However, to diversify their applications and make them even more efficient in health field, transportation or building, a fine study of the relationships between manufacturing processes to generated microstructures and resulting properties must be conducted. These mechanical properties are highly depending on the properties of material with which foams are made but also on the morphology of their microstructures (orientation, distribution and pore size, wall thickness). Thus it is crucial to quantify and measure these parameters to strive for a detailed understanding of the mechanical properties and define models capable of linking global behavior of cellular materials to bulk materials and microstructures. Working closely with research and development division of INTEREP, European leader in waterproof cellular rubber, an experimental characterization of the mechanical behavior of polymer foams of different natures and different topologies has been performed first. Then geometrical modeling was developed from micro structural observations of real foams in x-ray micro-tomography and from virtually generated microstructures through a physical description of polymer foams manufacturing process. Finally finite element simulation in 2D and 3D of these microstructures were coupled with the experimental characterization of bulk material allowing thus to reproduce and finely study deformation mechanisms experimentally observed on polymer foams and refine empirical behavior laws by taking into account additional characteristic parameter of cells statistical distribution in space like their location and their size distribution and shape.

Ce travail s’inscrit dans le projet Fusible Ecologiquement et Economiquement Efficace destiné à la protection des onduleurs à commutation en tension (FE2E) porté par la société Mersen. Les fusibles étudiés sont constitués de lames d’argent noyées dans du sable de silice aggloméré. Lors d’un court-circuit, un arc électrique apparaît au niveau de rétrécissements dans les lames d’argent (« sections réduites »). Les coupures ultrarapides (moins de 100 microsecondes) ont été très peu étudiées. La structure formée après coupure (fulgurite) est constituée d’un canal d’arc entouré de silice fondue. C’est sur ces structures que cette étude a été réalisée.Après une étude bibliographique, un travail expérimental a été mené pour comprendre comment l’énergie de l’arc est absorbée par la matière. Des observations de coupures par radiographie in situ réalisées à l’ESRF ont permis d’établir des liens entre les phénomènes de création de fulgurite et les mesures électriques. Des observations et des mesures ont été réalisées. Elles ont conduit à établir des corrélations entre le volume, la nature et la structure de la masse isolante générée lors de la coupure et les caractéristiques électriques de l’arc. Les mesures ont en particulier permis d’obtenir des dimensions et des formes caractéristiques des zones affectées thermiquement lors des coupures aux grands di/dt.Grâce à ces informations, des modèles numériques ont été développés, avec pour objectifs de décrire la formation du canal d’arc et d’estimer l’effet du confinement de l’arc par le sable de silice. Des géométries 1D axisymétriques puis 2D ont été utilisées. L’arc électrique était considéré comme une densité de puissance et le sable comme un milieu continu équivalent. Deux cas extrêmes ont été testés, l’un dans lequel la matière vaporisée est confinée dans un canal d’arc fermé, l’autre dans lequel elle s’échappe instantanément. Cela a permis d’identifier les conséquences du confinement sur les phénomènes lors de la coupure.La corrélation entre modélisation et expérience a conduit à un modèle simple dont les résultats sont conformes aux mesures expérimentales et qui permettent de donner des éléments pour le dimensionnement des nouveaux fusibles. Les phénomènes à prendre en compte dans le futur ont été identifiés, comme la propagation de la silice liquide et l’écoulement du gaz dans le milieu granulaire et la formation de l’arc. / This work is part of a project called Environmentally and Economically Effective Fuses (FE2E) driven by the Mersen company. The studied fuses are silver blades embedded in agglomerated silica sand. In case of short circuit, an electric arc appears in shrinked parts (“notches”) of silver blades. The structure formed after the cut (fulgurite) consists in an arc channel surrounded by amorphous silica. Extremely fast cuts (less than 100 microseconds) have been poorly studied.After a bibliographical review, an experimental work was performed to understand how the arc power is absorbed by the surrounding material. Power cuts observations using in situ radiography performed at the ESRF allowed to establish links between fulgurite formation phenomena and electric measurements. Observations and measurements led to correlations between volume, nature and structure of the insulating mass generated during the power cut and electrical characteristics of the arc. In particular, these measurements provided characteristic sizes and shapes for heat affected zones during power cuts at high di/dtNumerical models were developed on this basis for describing the arc channel formation and determining the role of silica sand containment. 1D then 2D axisymmetric geometries were used. The electric arc was considered as a power source and the sand as an equivalent continuous medium. Two extreme cases were tested: when the vaporized material was confined to a closed arc channel and when it escapeed immediately from the arc channel. The results helped identify the consequences of gas containment in the arc channel during power cut.Modeling vs experience correlations led to a simple model which gives information for optimizing new fuses. Some phenomena to be taken into account in future works have been identified, such as the liquid silica penetration and gas flow in the granular packing and the early stages of arc formation.