Prediction and modelling of the mechanical properties of dental composites : an experimental, theoretical and numerical study
Prédiction et modélisation des propriétés mécaniques des composites dentaires : approche expérimentale, théorique et numérique
Résumé
As tooth decays are the most widespread pathologies, dental restoration is a global public health problem. Manufacturers of dental composite resins must therefore offer increasingly high performance and lasting materials while meeting health recommendations. The development process is costly but could be improved by a better understanding of their mechanical behaviour and the development of theoretical and numerical predictive models for their properties. In this work, an experimental material is tested before and after accelerated ageing protocols (thermocycling). A detailed experimental protocol has been established so that the results are reproducible and comparable between them. Predictive models of the yield stress and the elastic modulus, initially proposed for other applications, are compared with experimental results and then adapted to the specificities of dental composites, with high filler ratios. The use of a numerical model of a composite material also makes it possible to enrich the experimental database by playing for instance on the modulus of the the components, without having to produce the materials. Despite some limits of this innovative approach, the comparison of experimental, theoretical and numerical results give promising outlooks. They allow to predict essential characteristics of composites in an easier way and to make direct links between macroscopic and microscopic properties. Finally the understanding of the ageing mechanisms was improved.
Les lésions carieuses étant les pathologies les plus répandues, la restauration des tissus lésés est un problème de santé publique mondial. Les fabricants de résines composites de restauration se doivent donc de proposer des matériaux toujours plus performants et durables tout en répondant aux recommandations sanitaires. Ce processus de développement est coûteux et pourrait être amélioré par une meilleure compréhension de leur comportement mécanique et par l’élaboration de modèles théoriques et numériques prédictifs de leurs propriétés. Dans cette thèse, un matériau expérimental est testé avant et après des protocoles de vieillissement accéléré (thermocyclage). Un protocole expérimental détaillé a été établi pour que les résultats soient reproductibles et comparables entre eux. Des modèles prédictifs de la limite élastique et du module élastique, initialement proposés pour d’autres applications, sont confrontés aux résultats de campagnes expérimentales puis adaptés aux spécificités des composites dentaires, fortement chargés. Le recours à un modèle numérique de composite permet en outre d’enrichir la base de données expérimentale en jouant par exemple sur les modules des constituants, sans avoir à produire réellement les matériaux. Malgré certaines limitations de cette approche innovante, la confrontation des résultats expérimentaux, théoriques et numériques offre des perspectives très encourageantes. Ils permettent notamment de prédire plus simplement des caractéristiques essentielles des composites, d’effectuer des liens directs entre des propriétés macroscopiques et microscopiques, et d’améliorer la compréhension des mécanismes de vieillissement de ces matériaux.
Origine : Version validée par le jury (STAR)