Vieillissement d'un matériau

Le phénomène de vieillissement est un phénomène très courant en physique de la matière condensée et concerne un grand nombre de systèmes comme il a été évoqué en introduction. Ces systèmes présentent tous la caractéristique d'être hors équilibre thermodynamique, dans un état solide désordonné, aussi appelé jammed après abaissement du volume, de la température ou augmentation de la contrainte appliquée au système. Dans cet état solide désordonné qui n'est pas à proprement parler une phase thermodynamique, le système a une structure spatiale proche de celle du liquide et ne s'est pas cristallisé lors du passage dans cet état. Le système est donc hors équilibre thermodynamique et va évoluer pour essayer d'attendre cet état d'équilibre. C'est cette évolution du système au cours du temps qui est appelée vieillissement.

De manière expérimentale, le vieillissement se caractérise par un ensemble de propriétés observables indiquées ci-dessous. On observe en effet un ralentissement de la dynamique interne au système au cours du temps. Par exemple, Struik, en 1977[1], a étudié les propriétés rhéologiques d'un verre de polymères. Dans cette expérience, Struik fait passer de manière abrupte du PVC en dessous de la température vitreuse. Il attend alors un certain temps, appelé « âge de l'échantillon » par la suite, avant d'imposer une déformation constante à l'échantillon grâce à une certaine contrainte. Il apparaît alors que la contrainte nécessaire pour maintenir la déformation constante diminue au cours du temps, elle relaxe avec un temps caractéristique de la relaxation. Le phénomène de vieillissement est caractérisé par le fait que ce temps de relaxation de la contrainte va dépendre du temps d'attente avant la déformation, par exemple de l'âge de l'échantillon. Plus précisément il augmente avec l'âge, le système mettant de plus en plus de temps à se relaxer lorsque l'âge de l'échantillon augmente. Cela correspond bien à un ralentissement avec l'âge de la dynamique interne du système. Cette augmentation d'un temps caractéristique de la dynamique interne du système est constitutive du vieillissement quel que soit le système considéré. Par exemple, ce temps caractéristique peut être celui de la décroissance d'un facteur de structure pour les systèmes observés par diffusion de lumière, de la relaxation d'un module élastique dans le cas d'expériences de rhéologie...

De manière intéressante, l'évolution du temps de relaxation de la dynamique du système obéit à une loi de puissance en fonction de l'âge, ceci pour tous les systèmes observés. De plus, pour ces expériences lorsqu'on exprime les courbes de relaxation des quantités caractéristiques du système (par exemple le module élastique) en fonction d'une variable normalisée par l'âge, à savoir le temps écoulé depuis la déformation que divise le temps de relaxation, toutes les courbes prises pour différentes valeurs de l'âge et exprimées en fonction de cette variable normalisée se superposent les unes aux autres. La fonction correspondant à ces courbes superposées une fois renormalisées, est appelée « courbe maîtresse ».

Ces trois propriétés, temps de relaxation qui augmente avec l'âge du système, dépendance en loi de puissance de ce temps de relaxation en fonction de l'âge, et, finalement, superposition sur une courbe maîtresse de toutes les courbes de relaxation quel que soit l'âge lorsqu'on les exprime en fonction d'une variable normalisée dépendant seulement de l'âge et de l'instant de mesure considéré, sont les caractéristiques d'une dynamique de vieillissement pour un matériau.

La définition du vieillissement à partir de ces trois caractéristiques ne fait référence qu'aux propriétés macroscopiques du système et ne distingue pas entre les différents mécanismes possibles mis en jeu pour expliquer la dynamique de vieillissement. Il est à remarquer que malgré le grand nombre de systèmes possédant une dynamique interne hors équilibre, ils vérifient tous cette définition (et donc ces propriétés).

Parmi les systèmes présentant une dynamique de vieillissement, on peut distinguer ceux qui ont une dynamique interne spontanée, et ceux qui nécessitent l'application d'une sollicitation externe pour induire cette dynamique.

Même si les mécanismes microscopiques de la dynamique de vieillissement sont encore à ce jour très mal connus, il existe néanmoins un ensemble de modèles théoriques intéressants qui permettent d'une part d'expliquer de manière assez complète et convaincante un ensemble de résultats expérimentaux, d'autre part, de se donner une image des principes sous-jacents aux vieillissements pour la plupart des systèmes. Un des modèles phénoménologiques les plus souvent présentés et très utile pour aborder la dynamique de vieillissement est le modèle dit des « pièges » développé par Bouchaud et Dean (1995-96). Dans ce modèle, les auteurs adoptent une vision dans l'espace des phases (à savoir l'espace dans lequel on regarde l'énergie acquise par le système lorsqu'il se trouve dans une certaine configuration, correspondant à la position des particules les unes par rapport aux autres, ainsi qu'à leurs vitesses) et dans cet espace des phases le système va aller de configurations en configurations voisines en cherchant à augmenter sa stabilité (par exemple à diminuer son énergie). Dans le cas d'une dynamique de vieillissement, les auteurs expliquent ce dernier par un paysage d'énergie très complexe fait de puits de profondeur de plus en plus grande dans lesquels le système serait susceptible d'être piégé pendant un temps variable dépendant de la profondeur du puits comparé à celle de ses voisins. De manière simpliste, le système passerait de puits en puits de profondeur de plus en plus grande et y resterait donc piégé un temps de plus en plus grand, ce temps tendant vers des valeurs extrêmes, menant ainsi à un ralentissement progressif de la dynamique interne. Le système se trouverait donc dans l'incapacité d'explorer l'ensemble des configurations possibles et accessibles pour des raisons cinétiques, les temps caractéristiques de piégeage dans un trou d'énergie devenant de plus en plus grands avec l'âge de l'échantillon. Ce modèle simple phénoménologique donne ainsi une vision accessible et visuelle des raisons pour lesquelles un système peut voir sa dynamique interne ralentir au cours du temps. Néanmoins, comme il se place dans l'espace des phases, il n'apporte pas d'information sur la manière dont le système se réarrange et se réordonne dans l'espace réel au cours du temps.

L'irradiation ultraviolette (sous la lumière solaire) ou par la radioactivité est une source de vieillissement particulière. En France un petit réacteur nucléaire dit Réacteur Jules Horowitz doit être construit à Cadarache par le CEA, dont pour tester la réaction de divers matériaux utilisés dans les réacteurs ou sous irradiation[2].

La littérature sur le phénomène de vieillissement, qui a été mise en évidence assez récemment, est à ce jour plutôt limitée et est principalement constituée d'articles issus de revues scientifiques spécialisées. Néanmoins, on peut trouver un état de l'art dans les parties introductives de nombreuses thèses de doctorat françaises qui sont consacrées à son étude. Par ailleurs, il existe un certain nombre d'articles faisant l'état de l'art dans les revues spécialisées, articles généralement en anglais. Nous allons recenser ici un ensemble d'articles qui pourraient apporter des pistes de départ pour aborder le vieillissement. Cette bibliographie externe en fin d'article est basée sur les connaissances de l'auteur en la matière en termes de références de qualité et ne se veut en aucun cas exhaustive ou exclusive.