Mécanismes de l’adhésion
Théorie mécanique : Cette théorie a été émise initialement en 1925. L’adhésion serait possible grâce à la pénétration de l’adhésif dans les irrégularités, les microcavités, les pores, de la surface avant sa solidification . Cette théorie a été reprise dans les années 1970 pour expliquer en partie la bonne adhésion des substrats d’aluminium. L’accent est mis sur la rugosité du substrat. Plus la rugosité augmente, plus la surface de contact réelle entre adhésif et substrat sera importante. L’interaction adhésif/substrat s’en trouvera donc augmentée . Il est alors possible de supposer que plus la rugosité sera élevée, meilleure sera l’adhésion . La sollicitation de l’assemblage impliquera non seulement des contraintes interfaciales entre métal et adhésif, mais aussi des contraintes cohésives dans l’adhésif qui aura pénétré dans une rugosité du substrat. La rupture des liaisons covalentes de l’adhésif étant plus énergétique que les liaisons interfaciales, les propriétés globales d’adhésion de l’assemblage seront améliorées. Il faut cependant modérer cette affirmation. En effet, la rugosité n’est favorable que dans la mesure où la géométrie des aspérités et le mouillage de l’adhésif favorisent la pénétration, et que les pics du relief de surface sont bien solidaires du substrat massique. Dans le cas d’une rugosité importante, il peut se créer des poches d’air au fond des cavités et l’adhésif ne peut plus s’écouler dans les zones les plus profondes.
Théorie de la diffusion : Cette théorie est présentée en 1957. Elle explique l’adhésion de deux blocs d’un même polymère (auto-adhésion) par des mouvements moléculaires. En effet, des segments de chaîne de chaque bloc vont traverser l’interface et diffuser dans le bloc opposé. Les chaînes macromoléculaires sont alors interpénétrées, assurant l’adhésion. La zone interfaciale est appelée interphase. Il faut noter que cette théorie ne peut s’appliquer que pour des matériaux ayant des solubilités compatibles et une mobilité suffisante de leurs macromolécules ou de segments moléculaires, c’est-à-dire essentiellement les polymères. L’emploi d’agents de couplage permet dans certains cas d’obtenir ce type d’assemblage. Un exemple est l’ensimage des fibres de verre par des organo-silanes pour favoriser l’adhésion de la matrice polymère .
Théorie des interactions moléculaires de l’adhésion
Cette théorie s’intéresse à la formation des liaisons chimiques faibles ou fortes entre la surface du substrat et le polymère. Ces liaisons peuvent être inter-moléculaires ou inter-atomiques .
Forces de van der Waals : Les forces de van der Waals sont de courte portée pour des molécules, et de longue portées pour deux corps macroscopiques. Ces interactions sont très nombreuses. Elles maintiennent la cohésion des polymères . Leur action n’est sensible que dans un rayon de 10 Å environ. Les liaisons de type van der Waals assurent pour une large part les processus d’adhésion .
Liaisons chimiques : On peut distinguer deux grandes classes de liaisons chimiques : Les liaisons hydrogène qui se développent entre un atome d’hydrogène et un atome électronégatif (O, F, Cl …) qui doit posséder au moins un doublet libre d’électrons et les mettre en commun avec ceux de l’hydrogène. C’est une liaison qui met en jeu des forces électrostatiques.
Les liaisons chimiques classiques, type covalentes, ioniques ou métalliques. Une chaîne macromoléculaire, un cristal ou un métal est constitué de ce type de liaisons.
Elles mettent en jeu beaucoup plus d’énergie que les interactions type van der Waals ou hydrogène. Les liaisons covalentes, ioniques ou métalliques sont beaucoup moins nombreuses, mais en créer quelques unes supplémentaires entre l’adhésif et le substrat améliorera très sensiblement l’adhésion. Les agents de couplage ou promoteurs d’adhésion mettent à profit ce type de liaisons.
Préparation de surface des substrats
Les préparations de surface des substrats ont pour but d’accroître les performances mécaniques, la reproductibilité des assemblages collés à l’état initial (non-vieilli) et dans des environnements endommageants. Les traitements de surfaces agissent sur les points suivants : élimination des contaminants à la surface du substrat, élimination des couches d’oxydes métalliques fragilisées et reformation d’autres plus actives et plus solides , augmentation de la surface de contact moléculaire entre substrat et adhésif, activation de la surface des substrats à faible mouillabilité … Le choix du traitement de surface est fonction des substrats, de l’adhésif et des performances recherchées. Les paragraphes suivants décrivent brièvement les principaux traitements de surfaces physiques ou chimiques existants.
Structure du réseau réticulé
Une description succincte de l’adhésif montre déjà la complexité du phénomène de réticulation, notamment à cause du grand nombre de réactions chimiques, qui sont elles-mêmes influencées par de nombreux paramètres. En outre, à cause de la multifonctionnalié des composants, les attaques nucléophiles peuvent être intra ou intermoléculaires, ce qui conduit soit à la formation de nœuds de réticulation (réaction «modèle»), soit à la cyclisation des macromolécules . Le réseau tridimensionnel d’un polymère thermodurcissable peut avoir des aspects bien différents et est donc très difficile à décrire. Les polymères époxydes rentrent dans la catégorie des polymères thermodurcissables. Leur réseau est tridimensionnel et infusible. La régularité du réseau peut être contrôlée sous certaines conditions (co-solubilité résine/durcisseur optimale, processus de réticulation maîtrisé). En pratique, ces conditions sont difficiles à atteindre 65. Des conditions non optimales dans des résines phénoliques et époxydiques peuvent induire la formation de globules de quelques centaines d’angström. Ces micelles seraient dus à une réaction de réticulation plus rapide en certains points localisés de la résine. Le réseau perd alors de son homogénéité structurale.
Certains auteurs relient ces inhomogénéités structurales à la température de réticulation. A basse température, l’activité chimique n’est pas suffisante pour faire réagir la totalité du durcisseur, dont les molécules non réagies s’agrègent. La formation d’agrégats empêcherait alors la création de chaînes pendantes, d’où une plus forte densité de réticulation locale des réseaux à basse température. En revanche, à haute température, la totalité du durcisseur peut réagir, grâce à l’apport d’énergie sous forme calorifique.
La qualité du réseau formé va fortement influencer les propriétés mécaniques de l’adhésif. La formation de clusters de durcisseur implique une fragilisation du réseau. Par exemple, le module d’Young augmente, la contrainte et la déformation à la rupture en traction diminuent.
Mécanique de la rupture, application aux joints collés
On peut définir la rupture par la séparation de deux corps initialement solidaires, ou la séparation de parties d’un corps formant initialement une seule entité . Elle est généralement amorcée à partir d’une entaille ou d’un défaut . Sa vitesse de propagation dans le système et son aspect dépendent du (des) matériau(x), des contraintes internes au système et de celles exercées sur celui-ci par le milieu (température, forces appliquées…), de la géométrie du (des) solide(s) .
Les liaisons existant entre les deux parties qui se séparent se brisent les unes après les autres, on parle de fissuration. L’énergie dépensée pour créer une fissuration dans un corps est appelée «énergie de cohésion». Dans le cas de la séparation de deux corps distincts, on parle d’ «énergie de décohésion interfaciale» ou d’énergie d’adhésion. Il existe trois modes de fissurations .
Table des matières
INTRODUCTION
Section A – Matériaux et structures à l’état initial
INTRODUCTION AU COLLAGE STRUCTURAL
I-1. Définitions
I-2. Mécanismes de l’adhésion
I-2.1. Théorie mécanique
I-2.2. Théorie de la diffusion
I-2.3. Théorie électrostatique
I-2.4. Théorie des interactions moléculaires de l’adhésion
I-2.5. Théorie de l’adsorption thermodynamique
I-2.6. Théorie de l’adhésion massique
I-3. Préparation de surface des substrats
I-3.1. Traitements chimiques
I-3.2. Traitements mécaniques
I-4. Notions sur les adhésifs époxydiques
I-4.1. Généralités
I-4.2. Réaction entre le prépolymère et le durcisseur
I-4.3. Structure du réseau réticulé
I-4.4. Caractéristiques physico-chimiques
I-4.5. Loi de comportement en fonction du temps et de la température
I-4.6. Influence du substrat sur le joint de colle
I-5. Mécanique de la rupture, application aux joints collés
I-5.1. Différents aspects d’une fissure
I-5.2. Approche énergétique et taux de restitution d’énergie
I-5.3. Mécanique de la rupture par l’approche locale
I-5.4. Mécanique des tests d’adhésion
I-6. Bilan
MATERIELS ET METHODES
II-1. Présentation des matériaux
II-1.1. Propriétés de l’alliage d’aluminium 7010
II-1.2. Propriétés du matériau composite CR
II-1.3. Propriétés des composants de l’adhésif EC 2216
II-2. Mise en œuvre et analyses complémentaires des matériaux
II-2.1. Aluminium
II-2.2. Composite
II-2.3. Adhésif massique
II-3. Caractérisation des assemblages collés
II-3.1. Test de clivage
II-3.2. Analyse physico-chimique du joint de colle
II-3.3. Test de torsion (« Napkin-ring »)
II-3.4. Traction sur assemblage cylindre-plaque
II-4. Stockage des matériaux et assemblages collés
PROPRIETES DES MATERIAUX A L’ETAT INITIAL
III-1. Analyses de surface de l’alliage d’aluminium 7010
III-1.1. Composition chimique de la surface avant traitement
III-1.2. Propriétés surfaciques après différents traitement de surface
III-2. Propriétés du matériau composite
III-3. Propriétés de l’adhésif massique à l’état initial
III-3.1. Réticulation de l’adhésif
III-3.2. Propriétés thermomécaniques de l’adhésif
II-4. Bilan
PROPRIETES DES ASSEMBLAGES COLLES A L’ETAT INITIAL
IV-1. Etude de l’interface aluminium sablé 300 µm/adhésif
IV-1.1. Quantification RX
IV-1.2. Mapping Infrarouge
IV-2. Test de torsion/cisaillement sur assemblages sans primaire
IV-2.1. Faciès de rupture
IV-2.2. Propriétés mécaniques
IV-3. Test de clivage
IV-3.1. Dimensionnement
IV-3.2. Etude du délaminage du composite
IV-3.3. Mise en évidence des effets 3D du test de clivage
IV-4. Influence du traitement de surface sur les propriétés des assemblages
IV-4.1. Composition chimique
IV-4.2. Influence sur l’énergie d’adhésion
IV-4.3. Influence sur les contraintes et modules de cisaillement
IV-5. Bilan
Section B – Vieillissement des matériaux et des structures en milieu humide
INTRODUCTION AU VIEILLISSEMENT EN MILIEU HUMIDE
V-1. Vieillissement d’un polymère
V-1.1. Approche structurale
V-1.2. Approche « volumique » – approche « liaisons hydrogène »
V-1.3. Interaction chimique eau-polymère
V-1.4. Evolution des propriétés mécaniques
V-1.5. Gonflement
V-1.6. Phénomènes réversibles/irréversibles
V-1.7. Cinétiques de diffusion
V-2. Vieillissement des assemblages collés
V-2.1. Pénétration de l’eau dans un assemblage sans traitement primaire
V-2.2. Rupture des liaisons polymère/substrat par l’eau
V-2.3. Mécanismes de dégradation chimique
V-2.4. Réversibilité/irréversibilité des dégradations
V-2.5. Augmentation de la durabilité
V-3. Bilan
METHODES D’ETUDE DU VIEILLISSEMENT
VI-1. Vieillissement des matériaux massiques
VI-1.1. Vieillissement de l’aluminium
VI-1.2. Vieillissement du matériau composite
VI-1.3. Caractérisation de l’adhésif massique
VI-2. Vieillissement des assemblages collés
VI-2.1. Remarques préliminaires
VI-2.2. Gravimétrie
VI-2.3. Volumétrie
VI-2.4. Evolution des propriétés mécaniques
VIEILLISSEMENT DES MATERIAUX EN MILIEU HUMIDE
VII-1. Vieillissement de l’alliage aluminium
VII-1.1. Composition chimique de la surface vieillie en immersion
VII-1.2. Adsorption/Absorption
VII-2. Vieillissement du matériau composite
VII-2.1. Module d’Young du composite vieilli
VII-2.2. Cinétique d’absorption d’eau du composite
VII-3. Vieillissement de l’adhésif
VII-3.1. Gravimétrie
VII-3.2. Influence de la température du milieu de vieillissement sur les interactions physico-chimiques eau/adhésif
VII-3.3. Influence du vieillissement sur les propriétés thermo-mécaniques
VII-3.4. Influence du degré d’humidité (RH) du milieu
VII-3.5. Dégradations physiques
VII-4. Discussion
VIEILLISSEMENT DES ASSEMBLAGES COLLES
VIII-1. Vieillissement des assemblages cylindre/plaque
VIII-1.1. Sollicitation en cisaillement plan (torsion)
VIII-1.2. Sollicitation en traction
VIII-1.3. Points faibles et points forts des assemblages
VIII-2. Vieillissement des assemblages (plaques collées)
VIII-2.1. Absorption
VIII-2.2. Sollicitation en clivage
VIII-2.3. Modélisation de la dégradation
VIII-2.4. Relation entre les propriétés des matériaux massiques et les propriétés des assemblages collés
VIII-2.5. Paramétrage du modèle
VIII-3. Influence du traitement de surface
VIII-3.1. Mouillage
VIII-3.2. Absorption
VIII-3.3. Influence des traitements de surface sur les propriétés mécaniques des assemblages vieillis
VIII-4. Bilan
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
RÉFÉRENCES
