Impact des conditions environnementales sur la performance mécanique de composites thermoplastiques soudés par résistance avec un élément chauffant modifié

Ce travail présente l’étude des effets du vieillissement hygrothermique et des cycles de gel/dégel sur la résistance des joints fibres de carbone/polysulfure de phénylène soudés par résistance et notamment l’efficacité d’un revêtement de silane sur l’adhésion entre l’élément chauffant et la matrice avant et après ces conditionnements. Le soudage par résistance est intéressant par son court temps de procédé et sa facilité de mise en oeuvre, cependant la performance des joints soudés dans des environnements extrêmes est encore peu étudiée. De plus la rupture de ces joints se produit souvent entre l’élément chauffant en acier inoxydable et la matrice thermoplastique démontrant une faible adhésion entre les deux matériaux. Cette faible adhésion peut alors permettre à l’humidité de s’infiltrer et ainsi diminuer la performance des joints.
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\nIl est étudié l’impact de la température et de l’humidité sur la résistance des joints soudés ainsi que sur leur mode de rupture. Il est démontré que la résistance des joints soudés en simple recouvrement baisse avec la température entre 21°C et 150°C mais que les conditionnements en humidité n’ont pas impact significatif sur cette valeur de résistance. Cependant l’observation des surfaces de rupture montre une dégradation de l’interface fibres/matrice suite à ces conditionnements. De même, l’élément chauffant semble se désolidariser de la surface des composites pendant les tests en température ou après les conditionnements hygrothermiques.
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\nLe mode de rupture dominant restant entre l’élément chauffant et la matrice, il est développé un procédé permettant d’appliquer un revêtement à base de silane sur l’élément chauffant. Ce procédé est réalisé en quatre étapes étant le nettoyage de l’acier à l’acide sulfurique, son oxydation à haute température, l’application du silane hydrolysé par une méthode sol/gel et la condensation du silane sur l’acier. Un plan d’expérience de Taguchi est utilisé pour pouvoir étudier l’impact de plusieurs paramètres du procédé sur la résistance des joints. La température d’oxydation, le pH et le solvant de la solution de silane sont identifiés comme ayant un impact significatif sur cette valeur. Ce revêtement permet d’augmenter la résistance en cisaillement de plus de 30% avec une température d’oxydation de 500°C et une solution de silane à pH basique dans de l’éthanol. Les observations microscopiques des surfaces de rupture montrent que la matrice reste attachée à l’élément chauffant. De plus, des tests de poutre double en porte-à-faux (double cantilever beam) entre des plaques d’acier avec le revêtement et le composite démontrent une meilleure adhésion entre les deux matériaux avec des surfaces de rupture montrant de la matrice ainsi que des fibres qui restent attachées à l’acier.
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\nFinalement 1000 cycles de gel/dégel de -40°C à 82°C sont imposés à des joints soudés secs, saturés en humidité, avec ou sans revêtement au silane sur l’élément chauffant. À l’instar de l’humidité, les cycles de gel/dégel n’ont pas d’impact significatif sur la résistance en cisaillement des joints que les joints soient préalablement saturés en humidité ou non. De manière générale, les joints soudés avec l’élément chauffant modifié par le revêtement de silane obtiennent de meilleures performances comparés aux joints non traités à conditionnements égaux. L’analyse des surfaces de rupture ainsi que des coupes transversales des joints démontrent que les interfaces fibres/matrice et acier traité/matrice sont toutes deux dégradées par les cycles de gel/dégel.

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