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Adhésion et Adhérence des Matériaux Dr S. Mouffok USTHB Programme Semestre: 3 U

Adhésion et Adhérence des Matériaux Dr S. Mouffok USTHB Programme Semestre: 3 Unité d’enseignement: ……………… Matière: Adhésion et Adhérence des Matériaux VHS: 45 h (Cours: 1h30, TD: 1h30) Crédits: 04 Coefficient: 02 Objectifs de l’enseignement: Les phénomènes d'adhésion et d’adhérence sont présents partout dans notre quotidien, depuis l'expérience du bricoleur qui dépose un joint de colle pour réparer un objet jusqu'à l'élaboration d'objets techniquement très complexes (structures alvéolaires de la coiffe de la fusée Ariane par exemple). Cependant, s’ils sont omniprésents, et utilisés en pratique, ces phénomènes sont longtemps restés peu compris, ce qui a été un frein important à leur utilisation technologique. Ceci a profondément changé au cours de ces dernières années, et ce sont ces progrès récents que nous nous attacherons à décrire. Cet enseignement permet donc, à l’étudiant d’appréhender les phénomènes et les théories d’adhésion et d’adhérence des matériaux. Il lui permet également la maitrise des méthodes de caractérisation de l’adhérence. Connaissances préalables recommandées: Structure de la matière, science des matériaux, résistance des matériaux. Contenu de la matière: Chapitre 1 : Généralités (1 semaines) 1. Notions fondamentales : Adhésion, Adhérence, Adhésifs, Assemblage, Collage, Multimatériaux, Revêtement. 2. Historique de l’assemblage et du collage 3. Importance industrielle 4. Approche scientifique Chapitre 2 : Adhésion des Matériaux (6 semaines) 2. 1. Surfaces et interfaces - Généralités et rappel - Liaisons aux interfaces - Energie et tension de surface ‐ capillarité 2.2. Les théories de l’adhésion - la théorie chimique, - la théorie mécanique (ou de l’ancrage mécanique) - la théorie thermodynamique (ou du mouillage) - la théorie électrique - la théorie de diffusion 2.3. Adhésion Métal/Céramique 2.4. Adhésion Métal/Polymère 2.5. Méthodes de traitement de surfaces des matériaux avant assemblage. Chapitre 3 : Adhérence des Matériaux (5semaines) 3.1. Généralités et ordre de grandeur 3.2. Rappels de rhéologie et de mécanique de la déformation -Rhéologie : loi de comportement - Caractérisation mécanique des matériaux fragiles 3.3. Caractérisation de l’adhérence - Essai de traction simple ou de cisaillement simple - Essai de pelage - Essai de probe‐tack - Essai de clivage en coin - Essai de JKR - Essais spécifiques au film minces Chapitre 4 : Les adhésifs (3 semaines) 4.1. Définition et concepts 4.2. Types d’adhésifs 4.3. Formulation d’adhésifs Mode d’évaluation: Contrôle continue 40%; Examen 60%. Références bibliographiques: 1. G. Couarraze, J. L. Grossiord, N. Huang, Initiation à la rhéologie, (4° Éd.), 2014. 2. E. Darque‐Ceretti, E.F., ed. Adhésion et Adhérence. CNRS ed. 2003. 3. J.Cognard, Science et technologie du collage, PPUR, Lausanne, 2000. 4. M. Barquins, K.F., ed. Adhésion et collage. Edition Palais de la découverte ed. 1999. 5. Gerschel, A., ed. Liaisons intermoléculaires. CNRS Editions ed. 1995. Chapitre 1. Généralités 1.1. Notions fondamentales * Adhérence: L’adhérence est une grandeur qui se mesure par des essais mécaniques appelés essais d’adhérence, visant à évaluer la difficulté à séparer deux corps (Figure .1.1). Figure 1.1 : Schéma démonstratif du concept d’adhésion et d’adhérence * Adhésion: L’adhésion désigne l’ensemble des interactions présentes à l’interface qui créent l’adhérence. * Adhésif : Un adhésif est une substance permettant de joindre deux matériaux (Figure.1.2), identiques ou différents, par leur surface. Figure.1.2 Schéma représentant un assemblage par collage L’élément clé de l’assemblage étant la zone d’interface (ou d’interphase) ou encore le joint (dans le cadre du collage) où s’exercent les interactions entre l’adhésif et le substrat. 1.2. Historique du collage 1.2.1. L e c ol l a g e n a t u r el Les animaux représentent à la fois la première forme de collage rencontrée et la plus efficace. * Les insectes sont, quant à eux, capables de supporter leur propre poids, parfois en portant des objets proportionnellement assez lourds (voir Figure 1.3.a). Le phénomène en jeu ici est souvent l’adhésion capillaire. Il existe un pont liquide entre les pattes des insectes et le support qui permet l’adhésion. Figure 1.3 : (a) Fourmi rouge portant un poids de 100g. (b) Moule capable de coller aux parois en conditions extrêmes (eau salée) * les moules génèrent des protéines collantes leur permettant de se fixer aux rochers (Figure 1.4b) et les étoiles de mer sécrètent une colle qui possède des propriétés d’adhésion réversibles. * le gecko est un lézard qui peut se promener sur les surfaces les plus lisses (Figure 1.4.c). Figure 1.4 : (a) Fourmi rouge portant un poids de 100g. (b) Moule capable de coller aux parois en conditions extrêmes (eau salée) 1.2.2. les premiers collages humains Les humains ont toujours essayé d’assembler des objets pour fabriquer, par exemple, des outils (Figure 1.5). Le premier collage date de 5300 ans A.J. Figure 1.5 : (a) Faucilles, Béloutchistan, ‐5300 ans. (b) Couteau suisse à moissonner, ‐5700 ans. (c) Couteaux suisses, ‐5150 ans (d) Collage de silex sur le bois, bitume, ‐3400 ans. * Les techniques utilisées à l’époque étaient essentiellement le bitume (qui affleure dans les bassins sédimentaires) et des protéines extraites des arbres comme la bétuline, extraite de l’écorce des bouleaux blancs. 1.2.3 le collage au vingtième siècle La création d’adhésifs artificiels a pris son envol en même temps que l’apparition des polymères, lorsque le caoutchouc a été découvert. Chacun des polymères découverts ou synthétisés ont permis de fabriquer des colles aux propriétés variées. Figure 1.6 : (a) L’aéroplane Moore Brabazon ,1909. (b) Fabrication d’un pneumatique dans l’usine Metzeler, Munich, 1905. (c) La pyramide du Louvre. (d) Le post‐it ! * De nombreux assemblages mécaniques ont pu être remplacés par de la colle dans des constructions aussi variées que la pyramide du Louvre (Figure 1.6c), les aéroplanes (Figure 1.6a), le bâtiment... * Une des grandes applications incluant l’adhésion des polymères est l’industrie du pneumatique (Figure 1.6b). Ceux‐ci sont, en effet, obtenus par adhésion de couches successives de polymères conférant chacun une propriété particulière au pneu. * On peut enfin citer les adhésifs PSA (Pressure Sensitive Adhesive) qui sont couramment utilisés pour des applications allant du post‐it (Figure 1.6d) au collage structural en passant par toutes les formes de scotch. Voici un bref historique récent de l’évolution de ces adhésifs artificiels : * 1823: Dissolution du caoutchouc naturel par Mackintosh. * 1823‐1935: Développement des silicones (Europe) * 1840: Invention de la vulcanisation (qui permet de durcir le caoutchouc en réticulant le polymère par ajout de souffre) par Goodyear * 1868: Création des premiers pneus pour vélos par Sparow et Ader. * 1900 : Extraction industrielle de la gélatine. * 1910 : emploi des colles au silicate de soude pour la fabrication des contre‐plaqués. * 1931: Synthèse de polymères artificiels. Dupont de Nemours crée le polychloroprène (à la base de la colle néoprène) * 1938 : apparition des premiers adhésifs à base de caoutchouc synthétique aux USA. * 1964 : début de la commercialisation des premiers adhésifs thermostables. 1.3. Avantages et Inconvénients du collage * Le collage peut parfois remplacer les assemblages mécaniques (vis et boulon, clous...). Cela présente le premier avantage d’être plus esthétique. Avantages * on évite la localisation de la fragilité à un endroit précis, car les contraintes mécaniques sont réparties tout le long du joint. * La colle peut aussi permettre d’amortir les vibrations et elle évite une détérioration du matériau. * On peut coller du métal sur un polymère ou recouvrir un métal avec de la peinture. L’absence de métal évite la corrosion du joint. Inconvénients *A chaque matériau et pour chaque application, une colle quasi unique va convenir. Et si on se trompe, cela peut être un vrai problème. un exemple concret de cette méconnaissance est symbolisé par la façade de l’opéra Bastille qui a tendance à se décoller et qui peut donc présenter un réel danger. * Un traitement de surface est souvent nécessaire avant l’application de la colle. * Il est impossible de tester l’efficacité du joint au moyen d’un contrôle non destructif puisque l’adhérence est testée en rompant l’interface. 1.4. Importance Industrielle 1.4.1. Usage domestique * Les petits pots de colle blanche, fabriqués à partir de farine mélangée à de l'huile d'amande. * La superglue. * La colle époxy présentée en deux tubes, l’un contenant l’adhésif et l’autre le durcisseur. * Les joints d’étanchéité à base de silicone. les colles sont utilisées couramment dans notre quotidien. On peut citer: * Dans le bâtiment: - Ciments colles pour le montage des blocs de bétons cellulaires ou la pose carrelage est systématique. - Du mastic de silicone est également utilisé pour les vitrages extérieurs collés dont la solidité doit durer plusieurs dizaines d’années. * Dans l’aéronautique: Les alliages d’aluminium sont quasiment tous collés avec de l’époxy. 1.4.2. Usage industriel * Dans l’automobile: De nombreuses pièces sont désormais collées pour un gain de poids, il ne faut que 90s pour coller les panneaux de carrosseries. * Dans l’industrie alimentaire: Les emballages sont tous thermocollés. Dans tous les cas, la tenue thermomécanique de l’interface est primordiale et elle est souvent considérée comme le point faible du matériau. Une connaissance approfondie des phénomènes d’adhésion et d’adhérence permettra donc de concevoir de nouveau matériau aux propriétés contrôlées. 1.5. Approche scientifique La science de l’adhésion est une science pluridisciplinaire: * Elle fait appel notamment à la uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-adhes-et-adher-part-1-mouffok.pdf