Méthode et protocole expérimental des mesures de déflexion

∑

(H

+H

)= (H

)

(III-3)

Cependant, les absorptivités molaires infrarouges de ces deux types de groupements sont différentes et, de plus, dépendent des liaisons Hydrogène que chaque groupement crée. On sait que la valeur de Xa augmente quand le nombre de groupes amine ou hydroxyle augmente. On ne peut donc pas confirmer que l’augmentation de la valeur Xa est uniquement due à l’augmentation du nombre de groupements amines. Ce point sera clarifié grâce à la complémentarité des analyses IRTF et µ.T.A que nous présenteront par la suite.

2.2. Conditions expérimentales de mise en œuvre de la Micro Analyse Thermique (µ.T.A) pour l’étude de l’interphase au niveau de l’interface revêtement/substrat

Le terme de micro-analyse thermique est utilisé pour décrire une caractérisation ou une analyse localisée combinée avec une technique microscopique. Le principe est décrit en Annexe 3.

L’appareil utilisé est un TA Instrument 2990 Micro-Thermal Analyzer. La rugosité de l’échantillon influençant beaucoup les mesures de Tg[6], les échantillons sont polis ou coupés au microtome pour s’affranchir de ce paramètre.

Avant chaque mesure, l’appareillage est calibré grâce à un échantillon étalon de PET (polyéthylène téréphtalate) dans la gamme de température de -50°C à 300°C. Cette calibration en température se fait sur deux points : la température ambiante à 22°C et la fusion du PET à 260°C. Un balayage de l’échantillon à 40°C avec la sonde permet de choisir les points à analyser selon la distance δ de la surface métallique vers le revêtement massique (voir Figure III.16).

Pour chaque point de mesure, la température de transition vitreuse Tg de l’échantillon est déterminée à la suite d’un balayage en température à 15°C/s, entre 20°C et 150°C.

Les températures de transition vitreuse obtenues sont alors tracées en fonction de la distance δ à la surface métallique.

Trois échantillons de dimension 7 x 7 mm² revêtus sont testés systématiquement (Figure III.3). Pour chacun de ces 3 échantillons, 3 localisations sont choisies pour les mesures de Tg à une distance δ donnée. Chaque valeur de Tg obtenue est donc la moyenne de 9 mesures.

2.3. Méthode et protocole expérimental des mesures de déflexion 2.3.1. Evaluation des contraintes internes

Les propriétés et les performances d’un système revêtu dépendent, entre autres, de l’adhérence entre le substrat et le revêtement, des propriétés intrinsèques du revêtement mais

aussi de l’interphase revêtement/substrat. La détermination expérimentale de grandeurs permettant d’évaluer, d’une part leurs propriétés mécaniques (module d’élasticité longitudinal, nature et taux des contraintes résiduelles,…) et, d’autre part de caractériser l’adhérence est donc une nécessité [7, 8]. Parmi les propriétés susceptibles d’avoir une influence majeure sur les performances du système revêtu, nous nous intéresserons plus particulièrement à la nature et au taux des contraintes résiduelles. Ces contraintes sont à l’origine de la réduction de l’adhérence et peuvent induire des fissures, craquelures, cloques dans le revêtement voire même sa délamination [9, 10]. Il est donc nécessaire d’évaluer ces contraintes internes afin de comprendre une partie du comportement mécanique des systèmes revêtus.

Lorsque le revêtement époxy est appliqué sur un substrat métallique, des contraintes internes se développent dans la couche organique au cours de la réticulation. Ces contraintes réduisent l’adhérence pratique et peuvent provoquer des fissures dans les matériaux du revêtement [9-12]. Le module d’Young et ces contraintes résiduelles sont les propriétés mécaniques les plus importantes du revêtement et leur détermination est nécessaire à la compréhension et à la simulation du comportement mécanique [13]. Diverses causes sont à l’origine de ces contraintes internes [8]:

• les réarrangements interfaciaux des atomes ou molécules à proximité du métal, • la différence entre les coefficients de dilatation thermique du revêtement et du métal,

Pour évaluer les contraintes internes dans le revêtement, nous avons mené un essai de déflexion consistant à mesurer la déformation d’un clinquant d’acier revêtu. Après séchage, on observe que les échantillons d’acier revêtus présentent une courbure concave du côté du revêtement et convexe du côté du métal (Figure III.5). La nature des contraintes résiduelles est déterminée par le sens de la courbure des échantillons revêtus [11, 13]. La détermination du taux des contraintes résiduelles (modèle bicouche ou tricouche) nécessite l’évaluation du rayon de courbure initiale noté R1 (voir Annexe 4) par la mesure de la flèche (α) des systèmes revêtus [11, 14]. Pour tous nos systèmes, nous obtenons uniquement des contraintes de compression. Dans le cadre de notre travail, nous nous limiterons à la caractérisation des rayons courbures R1 et caractériserons ensuite l’épaisseur de la zone interphase crée par le changement de ce rayon de courbure sans aller jusqu’au calcul des contraintes internes.

Mécaniquement, en fonction des diverses hypothèses ou approximations utilisées, un substrat revêtu peut être assimilé soit à un système monocouche (l’épaisseur du revêtement est alors négligée), soit à un système bicouche (la zone interfaciale entre le substrat et le revêtement est d’épaisseur nulle ou considéré comme parfaite), soit à un système tricouche (l’interphase revêtement/substrat est considérée comme réelle) (Figure III.4).

Figure III.4. Représentation des systèmes monocouche, bicouche et tricouche.

Dans notre système de revêtement primaire et dans les conditions qui nous intéressent, il est possible de définir trois régions : le substrat, le polymère, et la zone de transition (zone dont les propriétés sont différentes de celle du substrat) appelée aussi l’interphase.

2.3.2. Protocole expérimental

L’expression du rayon de la courbure initiale R1 de nos systèmes est donnée par :

R1 = L² / ( 8αmax ) (III-4)

où L est la longueur de l’échantillon et en faisant l’hypothèse que L >> αmax

L’utilisation de cette expression, nous permet d’évaluer le rayon de la courbure initiale R1 du système revêtement/substrat, à partir de la mesure de la déflexion maximal αmax présentée par l’échantillon à mi-portée L/2. Afin de mesurer la déflexion αmax présentée par les substrats revêtus, nous avons utilisé une machine de traction (Figure III.5). Le test est réalisé à la température ambiante (environ 25°C).

Le substrat revêtu est placé sur un support ayant une géométrie plane et une rigidité infinie afin d’éviter sa déformation pendant la sollicitation. Une courbe Force F-Déplacement α est enregistrée, avec F la réaction à la déformation du substrat revêtu. Dans la première partie (Zone A) de la courbe F-α, la pente mesurée est proportionnelle à la rigidité du substrat revêtu, alors que dans la seconde partie (Zone B) la pente mesurée est proportionnelle à la raideur du capteur de force. L’intersection de deux tangentes de la courbe F-α correspond à la déflexion maximale αmax. Cette dernière est obtenue lorsque, pendant la sollicitation, la surface inférieure du substrat revêtu entre en contact avec la surface supérieure du support plan et rigide. A cet instant, un changement de pente de la courbe F-α se produit (Figure III.5). tricouche Substrat métallique Interphase bicouche monocouche

Figure III.5. Courbe Force – Déplacement pour un substrat revêtu placé sur un substrat plan

et rigide : mesure de la déflexion maximale αmax.

Notre dispositif expérimental est constitué d’une machine de traction (Adamel-Lhomargy) utilisant le logiciel TestWorks et équipée d’un capteur de force de 100 N (pleine échelle) de sensibilité de ± 0,269 N.

Les substrats métalliques utilisés sont des clinquants d’acier d’épaisseur 0,25 mm, de longueur 50 mm et de largeur 10 mm. Afin de s’émanciper de l’influence des substrats non revêtus, des essais à blanc ont été effectués parallèlement aux échantillons revêtus.

Le système de revêtement est le système de FHemp commercial (ra/e = 1,6). Les

systèmes DV n’ont pas pu être testés en raison de difficultés d’application ne permettant pas un contrôle satisfaisant de leur épaisseur et de leur homogénéité. Les substrats ont été appliqués par dip-coating avec la machine de traction d’Adamel-Lhomargy (Figure III.6). Pour chaque échantillon, une seule face du substrat est revêtue, l’autre est nettoyée à l’acétone. Les échantillons sont ensuite placés dans l’étuve et subissent un cycle de traitement thermique comme défini dans la partie § 3.2 du chapitre II.

Substrat plan et rigide

α

Substrat Poinçon

Substrat plan et rigide

Revêtement Substrat Poinçon Déplacement α αmax Force (N) Zone A Zone B

Figure III.6. Principe d’application du revêtement sur un substrat d’acier par dip-coating.

3. Caractérisations de la zone d’interphase revêtement /surface métallique sur des