Vieillissement des matériaux massiques

Les mesures gravimétriques permettent de suivre la cinétique d’absorption d’eau en mesurant la prise de masse de l’échantillon. Les études préliminaires menées en collaboration avec la DIMAT ont orienté le choix du

solvant vers l’eau distillée62. Les échantillons sont découpés dans des plaques de colle réticulée, d’épaisseurs inférieures à 2 mm, de longueurs et de largeurs ajustables. Ces échantillons sont placés dans des atmosphères à température et taux d’humidité contrôlés (TAB. IV.2).

20◦C 35◦C 45◦C 55◦C 60◦C 70◦C 90◦C Immersion o o o o o o o 100 % HR - o o - o - - 75 % HR - o o - o - - 58 % HR - - - - o - - 30 % HR - - - - o - -

TAB. IV.2 – Différentes conditions climatiques testées pour mesurer le

vieillissement : oui (o) ou non (X)

Ces températures sont, pour les plus basses, représentatives des températures de fonctionnement de la structure collée. Il est vraisemblable qu’une automobile ne sera jamais amenée à subir des températures supérieures à 55◦C. Les températures supérieures ont donc été choisies afin de pratiquer un vieillissement accéléré. Comme le coefficient de diffusion, D, varie en fonction de la température selon une loi d’Arrhenius, plus la température sera élevée, plus la diffusion sera rapide (EQU. IV.28). Ces températures restent inférieures à la TG. Elles sont de plus relativement aisées à atteindre. Seul le vieillissement à 90◦C nécessite un montage à reflux avec un réfrigérant pour éviter les évaporations trop rapides. De même, les humidités relatives choisies sont assez représentatives des conditions d’humidité naturelles.

Avant d’être placés dans les atmosphères décrites dans le tableau IV.2, les échantillons sont séchés au préalable dans des étuves, à la même température que celle à laquelle ils seront vieillis, en présence de gel de silice pour absorber l’eau. Ils sont pesés régulièrement jusqu’à ce que leur poids entre deux mesures successives soit constant. Cette masse, ainsi que leurs dimensions, sont notés. Ils sont alors prêts pour la phase de vieillissement.

Humidité voulue 75 % HR 58 % HR 30 % HR Sel 2 kg de NaCl 3 kg de NaNO3 4 kg de MgCl2

Eau distillée 3,5 L 1,5 L 1 L

TAB. IV.3 – Composition des saumures pour les humidités relatives recher-

chées

Les échantillons en phase vapeur sont placés dans des cuves hermétiques dont la température est contrôlée (FIG. IV.25 [b]). Des sels sont ajoutés dans le fond de la cuve et sont dissous dans un volume d’eau distillée déterminé, en fonction de l’humidité relative (%HR) souhaitée (TAB. IV.3). L’échantillon est ainsi en contact avec la vapeur dégagée par cette saumure. En pratique, le contrôle du taux d’humidité est très difficile, notam- ment à cause de la condensation locale qui peut avoir lieu sur l’échantillon. L’échantillon est donc protégé par un couvercle métallique afin de limiter la condensation qui se produit sur la face supérieure du couvercle ne retombe sur l’adhésif. Pour tous ces tests, il est important de s’assurer que le niveau d’eau dans les cuves ne varie pas trop, de manière à ce que l’humidité relative souhaitée reste constante.

62

a) T

b)

T

Eau distillée + sel

Vapeur d’eau Support perforé Echantillons Couvercle métallique

FIG. IV.25 – Conditionnement des échantillons pour le vieillissement : immersion [a] et vapeur [b]

Des échantillons ont aussi été placés en immersion totale. La réalisation de ces essais est beaucoup plus simple que celle en phase vapeur, pour toutes les raisons évoquées ci-dessus. Ces échantillons sont placés dans des bocaux propres, remplis d’eau distillée et fermés hermétiquement. Ces bocaux sont au placés ensuite dans des étuves, elles-mêmes remplies d’eau distillée, dont la température est contrôlée (FIG. IV.25 [a]).

Les échantillons sont alors retirés de leur milieu à intervalles de temps choisis, les surfaces sont séchées à l’aide de papier absorbant et les échantillons sont pesés sur une balance METTLER. Les pesées successives permettent de tracer les courbes de gravimétrie pour chacune des conditions. Pour chaque condition, plusieurs échantillons sont utilisés afin de connaître les dispersions éventuelles qui pourraient avoir pour origine un défaut de l’échantillon (bulle ou autre), un séchage incomplet, . . ..

IV.4.1.2 Désorption

Les échantillons vieillis peuvent être séchés afin de mesurer les cinétiques de désorption. Retirés de leur milieu de vieillissement, après une pesée, ils sont placés dans une étuve à la même température que la température à laquelle ils avaient été vieillis (et à laquelle ils avaient déjà été séchés au préalable). Des pesées successives permettent de tracer les courbes de désorption.

IV.4.1.3 Analyses physico-chimiques et thermomécaniques

Les analyses physico-chimiques et thermomécaniques qui avaient été effectuées sur les matériaux massiques non vieillis sont reproduites sur les échantillons après vieillissement :

– Analyse Infra-Rouge – DMTA

– Pendule de torsion

– Traction sur éprouvettes haltères

Les échantillons sont vieillis dans des conditions choisies, puis, après un certains temps passé dans les at- mosphères contrôlées, ils sont pesés et testés. Ces essais permettent de visualiser les évolutions de propriétés physico-chimiques et thermomécaniques en fonction des conditions et du temps de vieillissement.

IV.4. MÉTHODOLOGIE 123

IV.4.2 Vieillissement des assemblages collés IV.4.2.1 Gravimétrie

Les pesées des éprouvettes collées, de type cylindre de torsion ou ARCAN, ne permettent pas de mesurer précisément la quantité d’eau qui a pénétré dans l’assemblage. Cependant, certains assemblages spécifiques se prêtent à la mesure des variations de masse en fonction du vieillissement. Ainsi, si un joint de colle est élaboré entre deux feuilles métalliques suffisamment fines, la masse de métal ne sera pas un obstacle à la mesure de variation de masse de l’assemblage.

Un tel assemblage a été réalisé entre deux feuilles d’aluminium de 100 µm chacune. Cet assemblage a été mesuré et pesé avant d’être placé en vieillissement, en immersion à 45◦C. Les feuilles d’aluminium pouvant s’oxyder, une feuille aux dimensions rigoureusement identiques à celles ayant servi pour l’assemblage est elle aussi mise à vieillir.

Adhésif

Feuille métallique

FIG. IV.26 – Conditionnement des échantillons pour le

vieillissement

IV.4.2.2 Essais mécaniques

Les essais mécaniques effectués sur les assemblages collés et présentés au chapitre II sont ici reproduits : – Torsion sur cylindre

– Essais mixtes sur le montage ARCAN

Dans tous les cas, les deux types de substrats sont testés séparément, c’est-à-dire que les assemblages testés sont des joints Aluminium /Colle / Aluminium ou Acier /Colle / Acier. Cette utilisation séparée des substrats permet de tester les interfaces entre l’adhésif et le métal de manière bien distincte.

Les évolutions de propriétés mécaniques sont mesurées au cours du temps et comparées aux états de vieillisse- ment supposés des assemblages, déterminés grâce aux modèles de diffusion.

Chapitre V

Vieillissement des matériaux massiques

Sommaire

V.1 Gravimétrie . . . 126