Microfabrication directe de liens sacrificiels au sein de fibres polymériques par manipulation d'une instabilité fluidique

Une instabilité fluidique est mise à contribution d'un procédé de microfabrication modifié afin de permettre la production de fibres directement structurées de liens sacrificiels durant la déposition, améliorant ainsi leurs propriétés mécaniques. En effet, lorsqu'un filament visqueux tombe sur une plateforme, les forces de compression axiales induisent un flambement poussant le filament à boucler sur lui-même. Lorsque l'on donne à la plateforme de déposition un mouvement de translation, l'écoulement du filament adopte différents patrons résultant en une déposition périodique et bouclante sur elle-même. Le procédé est adapté à un fluide polymérique de telle sorte que le filament visqueux durcisse. Les fibres ainsi obtenues possèdent des liens solides au noeud de chaque boucle, formés lors de la solidification. Lorsque les fibres sont soumises à des forces de traction, les noeuds brisent en premier, jouant le rôle de liens sacrificiels, tandis que les longueurs contenues dans les boucles se déplient, jouant le rôle de longueurs cachées. Les mécanismes de liens sacrificiels et longueur cachée sont connus pour améliorer la ténacité de plusieurs matériaux naturels. Le but final du projet est d'implémenter un procédé fournissant aux fibres une structure améliorant leur ténacité dès leur production. En plus de la création de nombreuses microfibres, cette maitrise a donné lieu à la participation à une conférence (IMECE Montréal 2014), à un article de conférence et à un article format lettre (soumis à Nature Materials), présenté dans le ce mémoire. La soumission a été accompagnée d'une vidéo de présentation de l'article. Les contributions ont aussi été une vidéo décrivant le procédé de fabrication et remportant la seconde place au concours vidéo « Gallery of Mechanics » de la conférence NewMech 2013, ainsi qu'une photographie démontrant la précision microscopique du procédé, remportant le concours Génie en image, Polytechnique 2014, visible en annexe. L'article soumis à Nature Materials est présenté à la suite d'une revue de littérature détaillée et de la méthodologie. L'article de conférence ainsi que la video candidate au concours NewMech sont présentés en Annexe.

Abstract

A fluidic instability is involved in a microfabrication process to allow the direct manufacture of sacrificial bonds into polymeric fibers. As soon as a fluid falls onto a solid platform, it coils onto itself as a result of axial compressive forces and forms a pile of loops. If the solid platform is now translated at a given speed, the pattern of the deposition is affected, resulting in the creation of squiggly fibers with periodic patterns. As the extruded solution is polymeric, it dries and the filament becomes a removable fiber. During solidification, solid bonds are formed at the node of each loop. If the fiber is loaded in tension, bonds have to break first, playing the role of sacrificial bonds, and the loops are extended, playing the role of hidden length. Such mechanisms have been shown to enhance toughness of many natural materials. The purpose of this study is thus to produce fibers directly structured with mechanical toughing mechanisms. The presented master led to the participation to a conference (IMECE Montréal 2014) and its corresponding technical paper, the redaction of a letter format submited to Extreme Mechanics, as well as a winner photography of the “Génie en image” contest organized by École Polytechnique de Montréal and a second place at the competition “Gallery of Mechanics” organized at the conference NewMech2013. Papers and the photography are presented in this thesis, following a review of the literature and a description of the used methodology.