Assemblages composites-polymères après traitement par plasma atmosphérique du composite

Aujourd’hui la consommation énergétique et les émissions de dioxyde de carbone (CO2), constituent des critères essentiels pour le dimensionnement des structures du monde des transports. Ces deux aspects étant très tributaires du poids des véhicules, pour répondre aux exigences européennes sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les constructeurs automobiles cherchent à alléger le poids des voitures. Pour y parvenir, leurs efforts se portent sur la conception des véhicules et la sélection des matériaux tant au niveau de la structure extérieure qu’intérieure.

La société FAURECIA, fabricant de sièges automobiles, de systèmes intérieurs et extérieurs (blocs avants, pare-chocs…) tente de réduire le poids de ses produits en utilisant des matériaux plus légers mais résistants tels que les composites (fibre de verre et fibre de carbone), en remplacement total ou partiel de structures métalliques. Dans ce contexte une technologie multimatériau (métal, composite à fibres continues et plastiques renforcés de fibres courts) permet de tirer avantage des qualités de chacun des matériaux, de diminuer le poids des pièces tout en maintenant la résistance structurelle souhaitée.

La technologie hybride « plastique-métal » (PMH-Plastic Metal Hybrid) consiste à surmouler un insert métallique par injection d’un polymère en moule fermé. Le lien entre les deux matériaux est du type ancrage mécanique. L’avantage de cette technologie est la combinaison des bonnes propriétés de chacun des matériaux, le point faible leur connexion. Par extension de la technologie PMH, Faurecia s’intéresse également à la combinaison de surmoulage de composites thermoplastiques à fibres continues par du thermoplastique renforcé de fibres courtes. Ceci explique le souhait de FAURECIA d’améliorer l’adhérence directe entre les surfaces en contact en cherchant à augmenter les forces de liaison aux interfaces. Ainsi un traitement par plasma d’air de la surface de contact du matériau substrat a été préconisé avant injection du thermoplastique renforcé.

Les technologies hybrides dans l’industrie automobile 

Apparue il y a une vingtaine d’année, la technologie hybride « plastique-métal » (PMH-Plastic Metal Hybrid) permet de combiner les avantages des métaux (rigidité, résistance, ductilité, coût compétitif) et des matières plastiques (intégration de fonction, faible densité). Si cette technologie est maintenant intensivement employée dans l’automobile, elle reste limitée à des applications semi structurelles telles que les façades avant techniques. Les premières applications de cette technologie furent les façades avant de l’AUDI A6 et de la FORD FOCUS. Dans le cas de l’AUDI A6, le remplacement d’une solution 100% acier par la technologie PMH, a permis de diminuer le prix pièce de 10 % et son poids de 15 %. La technologie PMH standard consiste à surmouler un insert métallique par l’injection d’un polymère en moule fermé. La matière plastique passe à travers des trous initialement prévus dans le métal et enveloppe les bords de l’insert (Figure 1.1). L’adhérence entre le métal et le polymère s’obtient essentiellement par ancrage mécanique. Dans le cas de pièces pour lesquelles des aciers à haute limite d’élasticité sont généralement employés, il n’est pas vraiment gênant de faire des trous, même si cette structure est porteuse. C’est la raison pour laquelle, la technologie hybride est aujourd’hui intensivement employée dans l’automobile pour des applications semi-structurelles telles que les façades avant techniques [Grujicic, 2007]. Par contre si on imagine, dans un contexte d’allègement, l’utilisation d’autres matériaux tels que les composites, la présence de trous n’est pas conseillée.

Problèmes et objectifs de l’étude 

Afin de lever cet obstacle, on se propose d’améliorer l’adhérence entre le substrat et le plastique de surmoulage par un traitement de la surface du substrat par plasma atmosphérique. Le but de cette méthode est d’augmenter l’adhérence et d’éviter les trous dans le substrat. L’objectif du projet ASPOME est d’étendre l’utilisation de la technologie hybride aux pièces structurelles en utilisant la technique du plasma atmosphérique. Le traitement de surface par plasma a été envisagé pour atteindre une force d’adhérence en cisaillement entre le thermoplastique injecté et l’insert entre 10 et 20 MPa. Les paramètres de traitement de la surface par plasma d’air qui ont été retenus sont la vitesse de balayage, la distance entre le substrat et la torche plasma et le nombre de passages de la torche. Enfin, les mécanismes d’endommagement observés à l’interface entre le composite injecté et le substrat traité en surface ont été étudiés pour établir un critère de rupture suffisamment fiable en terme de dimensionnement.

Propriétés des matériaux composites 

En France comme dans le monde, la production de matériaux composites se développe rapidement, environ +6 % en masse par an. Ces matériaux sont surtout utilisés dans des structures hautes performances, notamment dans les domaines aéronautique, aérospatial, offshore et automobile. Bien que leur coût soit plus élevé que celui des matériaux traditionnels, ils apportent trois avantages : (i) un rapport masse/rigidité/résistance souvent meilleur que celui des solutions métalliques, (ii) un dimensionnement pouvant être optimisé en fonction de la sollicitation (en orientant les renforts dans la direction des efforts) et enfin (iii) une faible sensibilité à la fatigue et à la corrosion. Par définition, un matériau composite est constitué d’une matrice organique (polymère thermodurcissable ou thermoplastique) et d’un renfort fibreux. Les renforts les plus couramment utilisés sont les fibres, généralement de verre, de carbone ou d’aramide. Un agent de liaison, dit ensimage est souvent employé pour améliorer l’adhésion fibre matrice (interface de la Figure 2-1). Des charges et des additifs de quelques microns peuvent être ajoutés au composite afin de modifier une des propriétés de la matière, conductivité électrique, dissipation aux chocs.

Classification des matériaux composites 

Les composites peuvent être classés par la forme des renforts, (Figure 2-2), [Reinhart et Clements, 1993], [Gürdal et al., 1999]
♦ Composites à renforts de particules : Le renfort est considéré comme une particule si toutes ses dimensions sont approximativement égales et petites devant les autres dimensions du matériau ;
♦ Composites à renforts de paillettes : Les paillettes ont une de leur dimension très faible par rapport aux autres dimensions. La dispersion de ces « particules minces » est généralement aléatoire ;
♦ Composites à renforts fibreux : Une fibre a une longueur bien supérieure aux dimensions de la section transversale. Ce type de composites peut être divisé selon les renforts : en fibres discontinues (courtes) ou en fibres continues (longues) ;
♦ Composites stratifiés : Un stratifié se compose d’au moins deux couches minces de matériau empilé suivant différentes orientations .

Les thermoplastiques renforcés 

De manière générale, le thermoplastique renforcé est un matériau composite comportant des renforts, (fibres de verre), noyés dans la matrice, (Figure 2-6). Pour le matériau composite, la géométrie des fibres, (fibres longues ou courtes), le type, (carbone ou verre), l’orientation, la concentration, le taux de charges, le degré d’adhésion entre les fibres et la matrice ainsi que la structure de la matrice, sont des paramètres qui peuvent modifier les propriétés mécaniques [Ferreira et al., 2007]. Les propriétés, du polymère utilisé pour le thermoplastique renforcé, dépendent de la nature chimique, de la morphologie et de l’état physique de sa matrice. La phase amorphe et la phase cristalline ne présentent pas les mêmes comportements. De façon générale, la phase cristalline est beaucoup plus compacte et beaucoup plus rigide. Enfin le polymère ne présente pas les mêmes caractéristiques dans ses différents états physiques. Par exemple le polymère à l’état vitreux est beaucoup plus rigide qu’à l’état caoutchoutique.

Propriétés à l’interface 

Afin de bien comprendre les effets d’un traitement par plasma d’air sur les surfaces à traiter, des essais de simple recouvrement et des essais Arcan-Mines ont été réalisés. En parallèle, les techniques d’émission acoustique (EA), de rayonnement infrarouge (RI) et de microscopie optique ont été utilisés pour suivre les mécanismes de rupture des éprouvettes testées.

Mécanismes d’adhésion

Pour que l’assemblage soit performant et durable, il est nécessaire d’obtenir un niveau d’adhésion satisfaisant entre le produit injecté et le support. Cette condition implique une bonne compréhension des mécanismes à l’origine des phénomènes d’adhésion. Il n’existe pas de théorie unique expliquant les mécanismes d’adhésion mais plusieurs faisant intervenir la rhéologie des matériaux, la mécanique de la rupture de ces matériaux, la physico-chimie des polymères ainsi que celle des surfaces et des interfaces. Les différents mécanismes d’adhésion mettent en jeu des types de liaisons très différents qui ne permettent pas, pris séparément, de décrire à eux seuls le processus et les mécanismes dans leur globalité. Le processus d’adhésion est complexe, faisant intervenir successivement ou simultanément plusieurs mécanismes (Figure 4-1).

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Table des matières

Introduction
Chapitre I – Contexte industriel de la thèse
I.1 Introduction
I.2 Les technologies hybrides dans l’industrie automobile
I.3 Problèmes et objectifs de l’étude
Chapitre II – Présentation des matériaux
II.1 Introduction
II.1.1 Propriétés des matériaux composites
II.1.1.1 Classification des matériaux composites
II.1.1.2 Les fibres de verre
II.1.1.3 Les matrices
II.1.1.4 Les composites tissés, notion d’architecture
II.1.2 Les thermoplastiques renforcés
II.2 Les matériaux de l’étude
II.2.1 Les matériaux du substrat
II.2.2 Les matériaux de surmoulage
II.3 Conclusion
Chapitre III – Caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux composites
III.1 Introduction
III.1.1 Les échelles usuelles de travail
III.1.2 Les différents repères liés aux stratifiés
III.1.3 Comportement mécanique des plis tissés / stratifiés tissés
III.1.4 Endommagement et mécanisme d’endommagement
III.1.5 Elaboration des matériaux thermoplastiques renforcés
III.2 Détermination des propriétés physiques : fraction volumique (Vf)
III.3 Essais de traction sur le composite tissé et le thermoplastique renforcé
III.3.1 Objectifs
III.3.2 Moyen d’essais
III.3.3 Eprouvettes et moyen d’essais
III.3.4 Résultats des essais
III.4 Essais en cisaillement hors plan par l’essai d’ARCAN-MINES sur le composite tissé et le matériau surmoulé
III.4.1 Objectifs
III.4.2 Eprouvettes, dispositif Arcan-Mines et moyens d’essais
III.4.3 Technique de corrélation d’images
III.4.4 Les résultats des essais
Chapitre IV – Propriétés à l’interface
IV.1 Introduction
IV.1.1 Mécanismes d’adhésion
IV.1.2 Rupture des assemblages
IV.1.3 Technique préparation de surface
IV.2 Traitement par plasma
IV.2.1 Paramètres et méthode de traitement
IV.2.2 Effet du traitement plasma : observation au MEB
IV.3 Contrainte à l’interface
IV.3.1 Etude expérimentale : essais de simple recouvrement
IV.3.2 Méthode expérimentale : éprouvette des essais de simple recouvrement
IV.3.2.1 Eprouvette de simple recouvrement
IV.3.2.3 Technique d’observation
IV.3.3 Paramètres d’essais
IV.3.3.1 Effet des conditions de traitement : vitesse et distance
IV.3.3.2 Influence du type de buse (rotative et fixe), et effet du nombre de passage de traitement
IV.3.3.3 Effet du type de nylon
IV.3.3.4 Effet du type de composite
IV.3.3.5 Autre de matériau pour le substrat et l’injection
IV.3.4 Analyse des mécanismes d’adhésion : Observation au MEB et par microscopie optique
IV.3.5 Mécanisme d’endommagement : Emission acoustique (EA) et Rayonnement infrarouge (RI)
IV.3.6 Essais ARCAN-MINES
IV.3.6.1 Objectifs
IV.3.6.2 Eprouvettes, dispositif Arcan-Mines et moyens d’essais
IV.3.6.3 Résultats expérimentaux
Chapitre V – Modèles micromécaniques
V.1 Synthèse bibliographique
V.1.1 Thermoplastiques renforcés : Paramètres liés au matériau
V.1.2 Orientation des fibres
V.1.2.1 Principaux paramètres influençant l’orientation des fibres
V.1.2.2 Représentation de l’état d’orientation
V.1.2.3 Fonction de distribution de l’orientation
V.1.2.4 Tenseur d’orientation
V.1.2.5 Techniques de mesure
V.1.3 Les modèles micromécaniques
V.1.3.1 Les techniques d’homogénéisation en élasticité
V.1.3.2 Prise en compte de l’orientation
V.1.3.3 Les équation de fermeture
V.2 Méthodes expérimentales
V.2.1 Matériaux, études et éprouvettes de caractérisation
V.2.2 Détermination des propriétés physiques
V.2.3 Détermination des propriétés mécaniques
V.2.3.1 Essais en traction sur le thermoplastique renforcé
V.2.3.2 Essais hors plan avec le dispositif ARCAN-MINES
V.3 Evaluation des modèles
V.3.1 Les Modèles micromécaniques et les équations de fermeture
V.3.2 Paramètres du PA6 injecté
V.3.3 Fiabilité des modèles pour le comportement dans le plan et hors plan
V.4 Fiabilité des modèles micromécaniques pour les pièces semi-structurales dans la direction hors plan
Conclusion

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