Lorsqu’un joint de collage échoue, nos premières étapes consistent généralement à évaluer si la force d’adhésion est adéquate, si le traitement de surface est approprié, si l’imprégnation est suffisante et si les matériaux n’ont pas vieilli.
Cependant, dans les applications d'ingénierie réelles, certaines pannes ne commencent pas seulement lors de la mise en service ; au contraire, les risques potentiels sont déjà présents une fois que l’adhésif a complètement durci.
Ce danger potentiel est la présence de contraintes internes résiduelles.
Il est invisible et difficile à mesurer avec précision directement, mais il n’est pas de nature mystique. En termes simples, l'adhésif subit un retrait pendant le durcissement et le refroidissement ; si le substrat environnant restreint sa libre déformation, la partie non rétractable devient une contrainte résiduelle à l'intérieur de la couche adhésive.
Aujourd'hui, je vais vous guider dans la compréhension approfondie de ce concept.
0 1 Pourquoi l'étudier ?
Les risques de stress interne sont de nature "stockage d'énergie".
Lors du durcissement, la couche adhésive stocke une partie de l'énergie de déformation élastique. Cette énergie sert de force motrice sous-jacente au délaminage interfacial ultérieur, à la propagation des microfissures et à la déformation par gauchissement.
Prenons l'exemple du délaminage et du délaminage de l'interface : les contraintes internes s'accumulent au-dessus de la charge opérationnelle, ce qui fait que la contrainte réelle de l'interface dépasse de loin la valeur nominale calculée de conception-. En d’autres termes, avant même que la couche adhésive ne commence son service formel, l’interface est déjà soumise à une précontrainte excessive-.
Un autre exemple est la dérive de précision, qui s'avère particulièrement préjudiciable aux assemblages de précision tels que les robots, les moteurs et les composants optiques.
La position du noyau magnétique dans le moteur, l'alignement des composants optiques et les dimensions des pièces structurelles peuvent tous subir une dérive à long terme-en raison de la libération progressive des contraintes internes. Si les composants sont initialement conformes lors de l'assemblage mais présentent des écarts après des centaines d'heures de fonctionnement, ces problèmes proviennent souvent de la présence de contraintes internes.
De plus, la durée de vie en fatigue est réduite. La contrainte interne représente un niveau de contrainte moyen à long terme qui réduit collectivement la courbe de durée de vie en fatigue. La combinaison des cycles de température, d'humidité et de vibrations conduit souvent à des situations dans lesquelles les produits réussissent les tests initiaux mais échouent lors de la production de masse.
Par conséquent, la contrainte interne n’est pas un problème secondaire mais plutôt la condition préalable fondamentale à la fiabilité de la liaison. Il détermine non seulement si une adhésion peut se produire, mais également combien de temps la liaison reste stable par la suite.
0 2 D'où vient le stress interne ?
Pour comprendre le stress interne, il faut d’abord comprendre son origine.
La contrainte interne lors du durcissement de l'adhésif provient essentiellement de deux types de contraintes qui ont tendance à se contracter mais ne peuvent pas le faire.
La première catégorie est le retrait de durcissement, également appelé retrait chimique.
Dans les monomères liquides, les molécules maintiennent le contact grâce aux forces de Van der Waals (interactions faibles). Il n’y a aucune liaison chimique entre les atomes des deux molécules ; ils existent simplement à proximité, avec une distance typique d'environ 0,3 à 0,4 nm (ce qui représente la somme des rayons de van der Waals des deux molécules).
Lors de la réaction de polymérisation, des liaisons covalentes se forment entre les monomères. En prenant comme exemple la liaison simple C-C la plus courante, sa longueur de liaison est d'environ 0,154 nm. Cela signifie que deux molécules initialement séparées par une distance lâche d'environ 0,35 nm sont désormais rapprochées de force par une liaison covalente d'une longueur d'environ 0,15 nm-, ce qui entraîne une réduction de la distance intermoléculaire de plus de moitié. (Chiffre)
Au niveau macroscopique, la contraction simultanée de milliards de ces paires moléculaires se manifeste par une réduction de volume. Il s’agit d’une conséquence physique qui ne peut être entièrement évitée dans toute réaction de polymérisation par addition.
La deuxième catégorie concerne les contraintes de désadaptation thermique.
De nombreux adhésifs nécessitent un chauffage pour durcir. Après durcissement, lorsqu'il est refroidi d'une température élevée à température ambiante, les coefficients de dilatation thermique de l'adhésif et du substrat diffèrent.
Le coefficient de dilatation thermique de l'adhésif est généralement nettement supérieur à celui des matériaux de base tels que les métaux, les aimants et la céramique. Pendant le refroidissement, l'adhésif a tendance à se contracter davantage, mais le matériau de base empêche sa libre contraction, retenant ainsi la couche adhésive et induisant une contrainte interne résiduelle.
Le concept le plus critique ici est le point de gel.
Avant le point de gel, l'adhésif reste fluide et peut s'écouler. Au cours de cette étape, même en cas de contraction, le matériau peut dissiper cette déformation par écoulement, réorganisation et remplissage, minimisant ainsi l'accumulation de contraintes internes.
Après le point de gel, la donne change. Un réseau tridimensionnel-commence à se former au sein de l'adhésif et le matériau passe progressivement de l'état liquide à l'état solide. À ce stade, la couche adhésive acquiert une capacité portante-et commence à « se souvenir » des événements de retrait et de déformation ultérieurs.
En d’autres termes, la partie de contraction se produisant après le point de gel est véritablement susceptible de générer un stress interne.
Au fil du temps, le matériau se solidifie davantage et sa Tg augmente continuellement. Lorsque la Tg dépasse la température de fonctionnement actuelle, la couche adhésive passe d'un état caoutchouteux à un état vitreux.
En entrant dans l'état de verre, le module de la couche adhésive augmente rapidement, ce qui rend le mouvement des segments de chaîne plus difficile ; par conséquent, une partie du stress qui pouvait auparavant être libérée devient encore plus difficile à libérer.
Par conséquent, le stress interne peut être simplement compris comme :
Avant le point de gel : la contraction peut se produire sans induire facilement de stress.
Après le point de gel : la couche de gel commence à former un réseau et le rétrécissement ultérieur est évité.
Après vitrification : le matériau devient rigide, ses chaînes moléculaires immobilisées rendant la libération des contraintes plus difficile.
Comme nous le savons tous :
Contrainte=Module × Déformation
Contrainte interne finale ≈ module effectif × (retrait post--durcissement par gélification + déformation par inadéquation thermique) − libération par relaxation
La déformation par inadéquation thermique peut être simplement comprise comme :
Déformation par inadéquation thermique ≈ (coefficient de dilatation thermique de l'adhésif − coefficient de dilatation thermique du substrat) × différence de température effective
Seules la contraction et le déséquilibre thermique se produisant après le point de gel, multipliés par le module en augmentation continue, moins la partie libérée par relaxation au cours du processus, constituent la contrainte interne nette finale.
C'est aussi la raison pour laquelle les contraintes internes sont difficiles à étudier : elles n'apparaissent pas brusquement à un instant donné mais s'accumulent progressivement au cours des processus de durcissement et de refroidissement. Tout au long de ce processus, le retrait, la température, le module et la capacité du matériau à relâcher les contraintes subissent tous des changements continus.
03 Comment caractériser : Mesurez d'abord le « résultat », puis mesurez la « cause ».
Il est désormais largement reconnu que les contraintes internes ne surviennent pas brusquement à un instant donné, mais s'accumulent plutôt progressivement au cours des processus de durcissement et de refroidissement.
Ici, chaque paramètre change constamment : le taux de contraction, la température, le module et même la capacité du matériau à relâcher les contraintes varient tous.
Par conséquent, la caractérisation des contraintes internes ne peut pas reposer uniquement sur une seule valeur numérique ; elle doit répondre simultanément à deux questions :
Premièrement, quelle quantité de contrainte ou de déformation reste-t-il à la fin ?
Deuxièmement, comment ces contraintes se forment-elles pendant le processus de durcissement ?
En ce qui concerne les méthodes de test, elles peuvent généralement être divisées en deux catégories.
Une catégorie implique la mesure directe des résultats de contrainte ou de déformation, tandis que l'autre mesure les paramètres intrinsèques des matériaux pour établir des modèles.
Catégorie 1 : Mesure directe des résultats de contraintes ou de déformations
Cette approche se concentre sur la détermination de l’étendue de la déformation ou de la contrainte résiduelle induite dans la structure après le durcissement de l’adhésif.
La méthode la plus classique est l’approche de flexion de poutres en porte-à-faux ou de poutres bimatériaux. L'adhésif est appliqué sur de fines feuilles de métal, des tranches de silicium ou d'autres matériaux de substrat ; pendant le durcissement, le retrait de l'adhésif provoque la flexion du substrat. En mesurant la courbure en temps réel et en employant une méthode analogue à l'équation de Stoney, la contrainte moyenne au sein de la couche adhésive peut être calculée. Cette approche offre les avantages d'être intuitive et bien établie-, permettant la visualisation de courbes illustrant la façon dont la contrainte varie en fonction du temps de durcissement.
Il existe également la technique du réseau de Bragg sur fibre (FBG). En intégrant des fibres optiques dans une couche de gel, la déformation au sein du gel peut être mesurée en temps réel. Cette méthode fournit un reflet plus précis de l’état interne du gel par rapport aux seules mesures de déformation de surface, même si elle entraîne des coûts plus élevés et une plus grande complexité opérationnelle.
Surveillance de la déformation de polymérisation dans les stratifiés composites à l'aide d'un capteur optique distribué (Source de l'image)
Pour les adhésifs transparents, des méthodes de photoélasticité ou de biréfringence peuvent également être utilisées pour observer la répartition des contraintes via la biréfringence induite par la contrainte-.
De plus, des méthodes telles que le forage, le carottage, la diffraction des rayons X- (DRX), la diffusion de neutrons et l'analyse du décalage Raman peuvent également être utilisées dans des conditions spécifiques pour mesurer la contrainte résiduelle ou la déformation indirecte.