Chapitre III : Compatibilité à l’oxygène liquide des matériaux
III.1. Modification de la compatibilité au LOX selon le modèle de Gerzeski
III.1.1. Détermination du coefficient de frottement des matériaux
III.1.1.1. Mise en place d’un dispositif de mesure du coefficient de frottement
III.1.1.3. Effet de la rugosité des surfaces en contact ... 108
III.1.2. Conductivité thermique des matériaux ...113
III.1.2.1. Chaleur spécifique ... 113 III.1.2.2. Diffusivité thermique ... 115 III.1.2.3. Densité... 117 III.1.2.4. Conductivité thermique... 118
III.1.3. Impact mécanique dans l’oxygène liquide ...119
III.1.3.1. Résultats obtenus ... 119 III.1.3.2. Etude des résidus impactés ... 121 III.1.3.3. Interprétation des résultats selon le modèle de Gerzeski ... 127
III.2. Recherche des paramètres affectant la compatibilité à l’oxygène
liquide des matériaux polymères ... 130
III.2.1. Paramètres liés à l’échantillonnage ...130
III.2.1.1. Procédé de mise en œuvre des échantillons ... 130 III.2.1.2. Procédure de préparation des échantillons ... 133
III.2.2. Paramètres liés au matériau ...136
III.2.2.1. Propriétés de résistance à l’oxydation ... 136 III.2.2.2. Comportement viscoélastique – Dissipation mécanique ... 139 III.2.2.3. Structure chimique du matériau ... 141
III.3. Conclusions ... 144
Chapitre III : Compatibilité à l’oxygène liquide des matériaux
polymères
Le développement d’un matériau compatible à l’oxygène liquide (LOX) selon le test d’impact décrit dans la norme ASTM D2512 [1] constitue l’un des défis majeurs de ce travail de recherche. Comme nous l’avons vu au chapitre I, les polymères présentent, de manière générale, une faible capacité à satisfaire ce type d’essais.
Précédemment, une revue de la compréhension des mécanismes de compatibilité intervenant dans le cas des matériaux polymères a été menée. Parmi les travaux portant sur cette thématique, le modèle prédictif proposé par R. Gerzeski [2] semble donner une explication réaliste des phénomènes se produisant lors de l’impact mécanique dans l’oxygène liquide.
Ce chapitre traitera, dans un premier temps, des travaux de modification d’une matrice thermoplastique menés dans l’optique d’améliorer sa compatibilité au LOX. Le raisonnement s’appuie sur le modèle de Gerzeski. Dans une seconde partie, il s’agira de déterminer l’influence que peuvent avoir différents paramètres, sur les résultats du test ASTM D2512. Celle-ci est destinée à acquérir une meilleure compréhension des mécanismes d’incompatibilité rencontrés.
III.1. Modification de la compatibilité au LOX selon le modèle de Gerzeski
Dans cette première partie, le coefficient de frottement et la conductivité thermique des mélanges à base de PA6 seront évalués. Ces résultats seront ensuite corrélés à ceux obtenus en termes de compatibilité au LOX puis interprétés.III.1.1. Détermination du coefficient de frottement des matériaux
Lors de l’impact mécanique dans l’oxygène liquide, deux couples de matériaux sont susceptibles d’interagir en frottement : « acier / polymère » (contact impacteur / matériau) et « polymère / polymère » (cas des résidus du matériau impacté). Ces deux configurations ont donc été évaluées dans les travaux présentés ci-après.
III.1.1.1. Mise en place d’un dispositif de mesure du coefficient de frottement
Deux types de coefficient de frottement peuvent être définis (leurs expressions sont rappelées en Équation III-1) :
• Frottement statique : Il correspond à la résistance qu’il faut vaincre au début du mouvement de glissement pour activer le déplacement.
• Frottement dynamique : Il correspond à la résistance qui subsiste pendant le mouvement de glissement à une vitesse donnée.
S S P F F
µ
= D D P F Fµ
=µS est le coefficient de frottement statique
µD est le coefficient de frottement dynamique
FP est la force de pression (perpendiculaire aux surfaces en contact)
FS et FD sont les forces tangentielles s’appliquant à l’interface
Équation III-1 : Définition des coefficients de frottement statique et dynamique
Les relations tribologiques utilisées dans le modèle proposé par Gerzeski font intervenir le coefficient de frottement dynamique µD. Afin d’accéder à ces valeurs dans le cas des mélanges à base de PA6, un dispositif de mesure dédié a été conçu et mis en place (Figure III-1). Il repose sur les prescriptions définies dans les normes ISO 8295 et ASTM D1894 [3 ; 4]. Son principe consiste à mesurer la force nécessaire pour déplacer une surface sur une autre. La nature de ces surfaces est fonction du type de contact que l’on souhaite caractériser (« acier / polymère » ou « polymère / polymère »). Ce dispositif est aussi connu sous le nom de « test du mobile ».
Figure III-1 : Schéma du dispositif mis en place pour le test du mobile
En pratique, l’échantillon à caractériser est placé sur un support plan et maintenu à l’aide d’une pince. Un traîneau métallique (pouvant être lesté d’un poids) est tracté le long de l’échantillon par l’intermédiaire d’une machine de traction. Le mouvement de la traverse de traction est transmis au traîneau grâce à un fil nylon. Ce dernier est supposé indéformable au vue des contraintes mises en jeu. Une poulie (munie d’un axe présentant des frottements très faibles afin de ne pas fausser la mesure de force) permet de transmettre le mouvement vertical de la machine de traction au mouvement horizontal du traîneau. Deux supports élévateurs sont réglés de façon à assurer une parfaite horizontalité de l’échantillon. Cette condition est
placé sur une table à vérin, de manière à ce que le fil nylon soit horizontal entre le mobile et la poulie.
L’évolution de la force F nécessaire au mouvement du traîneau est suivie en fonction du déplacement, grâce au logiciel pilotant le banc de traction (MTS/2M). Compte tenu des faibles forces mises en jeu, une cellule dynanométrique de faible capacité (i.e. 10 N) a été utilisée afin de mesurer la force avec une plus grande précision. Connaissant la masse du traîneau (et du poids éventuellement placé à l’intérieur), il est ainsi possible de déterminer le coefficient de frottement de la surface métallique sur l’échantillon polymère. Une variante consiste à revêtir la face inférieure du traîneau, d’un échantillon polymère de même nature que celui fixé sur le support. On détermine ainsi le coefficient de frottement « polymère / polymère ».
L’impacteur utilisé pour le test mécanique dans l’oxygène liquide est réalisé avec un acier inoxydable traité thermiquement (AMS 5643D) et possède une surface inférieure présentant une grande qualité de polissage (i.e. électrolytique). De manière à se rapprocher de ces conditions d’essais, des efforts ont été réalisés pour obtenir cette qualité d’acier, malheureusement, sans succès. Afin d’avoir un état de surface similaire, le choix s’est donc porté sur un acier inoxydable poli « miroir » pour réaliser le traîneau.
Dans chacun des cas, les courbes F=f(déplacement) présentent l’allure décrite en Figure III-2 (a). Le premier pic est attribué au frottement statique. La force maximale associée
permet de déterminer le coefficient de frottement µS. Au-delà de ce pic, la force F chute brutalement, ce qui correspond au début du mouvement de glissement du mobile. On observe ensuite une évolution de la force en « dents de scie » (mouvement saccadé du traîneau). Cette partie de la courbe est associée au calcul du coefficient de frottement dynamique. En fait, le mouvement du traîneau se compose d’une succession d’adhésion et de glissement (phénomène de « stick-slip »). En effet, la force augmente (adhésion) jusqu’au moment où elle est suffisamment importante pour activer le mouvement du mobile. Dès cet instant, la force mesurée chute (glissement) jusqu’à ce que le traîneau adhère à nouveau à l’échantillon. La détermination de FD s’effectue en prenant la valeur moyenne de force dans cette seconde partie de la courbe [4]. Dans certains cas, on observe des variations importantes de la force mesurée (Figure III-2 (b)). Celles-ci sont probablement liées à des hétérogénéités de surface de l’échantillon. Les variations de force autour de la valeur moyenne permettent de calculer le coefficient de variation associé.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 5 10 15 20 25 30 Déplacement (en mm) F o rce ( en N ) (a) (b)
Figure III-2 : Allure d’une courbe F=f(déplacement) obtenue avec le test du mobile pour un échantillon de faible rugosité de surface (Ra≈2 µm) (a)
et pour un échantillon présentant des hétérogénéités de surface (b)
Afin de valider la méthodologie expérimentale, les coefficients de frottement ont été déterminés sur des matériaux commerciaux, parmi lesquels, du polycarbonate (PC) et des polymères à cristaux liquides (LCP) non chargé et chargé fibre de verre ou PTFE, utilisés sous forme de plaques injectées. Les résultats obtenus sont en accord avec les données des fournisseurs. De plus, les coefficients de variation associés à ces valeurs sont du même ordre de grandeur voire inférieurs à ceux attendus dans les normes (i.e. 15 %)[3 ; 4].
L’influence sur la valeur de µD, de la masse du traîneau et de la vitesse d’essai a également été évaluée. Ces deux paramètres influent de façon très faible sur les résultats
obtenus, comme l’indique la Figure III-3. Ils ont été choisis égaux à 200 grammes et 100 mm.min-1 respectivement (conditions prescrites dans la norme ISO 8295 [3]). Notons que
les masses et vitesses choisies sont à priori très inférieures à celles susceptibles d’être exercées lors de l’impact dans le LOX. Celles-ci, et notamment la vitesse d’essai, sont limitées dans cette étude par les caractéristiques techniques du matériel utilisé (i.e. banc de traction).
Coefficient de frottement µD théorique
Coefficient de frottement µD mesuré
Vitesse d’essai : 100 mm.min-1 Masse du traîneau : 200 g Masse du traîneau Vitesse d’essai (en mm.min-1)
Matériau 200 g 14 kg 10 100 150 500 LCP non chargé / (±0,01) 0,12 (±0,01) 0,11 / (±0,01) 0,12 / / LCP chargé fibres de verre 0,14 (±0,01) 0,11 (±0,01) 0,12 (±0,01) 0,11 (±0,01) 0,11 (±0,01) 0,10 (±0,01) 0,11 LCP chargé PTFE 0,11 0,11 (±0,02) 0,11 (±0,02) / 0,11 (±0,02) / / PC 0,30 (±0,02) 0,31 (±0,04) 0,29 / (±0,02) 0,31 / (±0,04) 0,33
Note : Les coefficients de frottement « théoriques » présentés dans ce tableau sont ceux trouvés dans les fiches techniques des matériaux utilisés pour cette étude.
Figure III-3 : Influence de la masse du traîneau et de la vitesse d’essai sur la valeur de µD mesurée à température ambiante
La détermination du coefficient de frottement a été réalisée à la fois aux températures ambiante et cryogénique. Dans ce dernier cas, des difficultés ont été rencontrées pour obtenir
des mesures correctes. Les premiers essais ont été effectués en enceinte thermostatée à T=-150°C. Cependant, l’humidité présente à l’intérieur de l’enceinte conduit à la formation d’une
couche de givre à la surface de l’échantillon. Le coefficient de frottement mesuré est donc en partie associé au couple « acier / givre ».
Afin de remédier à ce problème, un dispositif (Figure III-4 (a)) a été conçu de façon à mesurer µD pour un couple de matériaux plongés dans l’azote liquide (Tébullition=-196°C). Il s’agit, en fait, d’un bac isolé thermiquement, dans lequel est placé une partie du dispositif du test du mobile.
(a) (b)
Figure III-4 : Coupe schématique du dispositif élaboré pour le test du mobile à température cryogénique (a) et système de fixation de l’éprouvette (b)
Les premiers essais avec ce dispositif ont soulevé le problème de la déformation de l’échantillon liée à la réduction de température. Un système de fixation de l’éprouvette a donc été conçu et usiné, afin de « plaquer » l’échantillon sur le support (Figure III-4 (b)). Ainsi, l’éprouvette est encastrée par ses bords. Suivant les formulations testées, on constate tout de même une légère déformation de l’échantillon dans sa partie centrale, lorsqu’il se trouve plongé dans l’azote liquide.