Soutenance mémoire
Aujourd’hui, les industries pétrolières développent des produits électroniques de pointe pour évaluer et caractériser les formations rocheuses, suivre finement et précisément le forage d’un puits pétrolier et l’évolution de ses grandeurs caractéristiques en phase de production. Ces outils électroniques sont sollicités dans des conditions de plus en plus extrêmes : en effet, on estime que 15 % des puits pétroliers ont une température ambiante située entre 150℃ et 175℃, et 2 % à 3 % une température ambiante supérieure à 200℃. Les brasures classiques au plomb, suite aux nouvelles normes environnementales, seront bientôt éliminées de l’électronique. De plus les brasures sans plomb (type SAC) ont un point de fusion nettement plus bas que celles au plomb, ce qui limite leur emploi à hautes températures. Une alternative à ces brasures est l’utilisation de colles conductrices: ces colles, matrices polymères chargées de fines particules conductrices, remplissent le même rôle que les brasures tout en respectant les normes environnementales puisqu’elles ne contiennent pas de plomb. En outre, elles présentent comme avantages :
◆ une mise en place et une utilisation facilitées par rapport aux brasures avec moins d’étapes dans le processus d’assemblage ;
◆ des températures de polymérisation plus basses que celles de refusion des brasures, sollicitant moins l’assemblage durant la cuisson et induisant de ce fait moins de contrainte résiduelle dans l’assemblage ;
◆ un gain de poids lié à la faible densité de la matrice polymère.
Ces avantages conduisent également les fabricants à utiliser les adhésifs comme alternative à d’autres assemblages mécaniques (vissé, soudé, riveté, etc) dans certaines situations. Depuis leurs débuts, les adhésifs continuent de présenter pour principale faiblesse leur manque de fiabilité. Ils ne peuvent donc pas encore être considérés comme une alternative totalement viable en toute situation. D’une part, plusieurs études effectuées depuis vingt ans environ sur le comportement en fatigue en sollicitation thermique et mécanique d’assemblages collés et d’éprouvettes massiques montrent une défaillance accrue après une certaine durée d’utilisation et de sollicitation. D’autre part, le dégazage progressif des solvants initialement contenus dans les adhésifs ainsi que leur vieillissement pendant la vie en service du produit en atmosphère confinée peuvent dégrader les propriétés mécaniques de ces adhésifs. Utiliser des joints adhésifs structuraux en milieu confiné implique de maîtriser l’interaction possible avec les produits de dégazage. Mais la compréhension des mécanismes de défaillance reste floue, et l’étude en vieillissement sous différentes atmosphères confinées (vide, gaz inerte, air…) reste à faire. Il est donc toujours important de pouvoir comprendre et simuler le comportement des colles et des assemblages collés durant le cycle de vie des outils électroniques.
On s’intéresse donc à la mise en place d’outils de prédiction de la durée de vie thermomécanique d’adhésifs prenant en compte le vieillissement à l’air libre ou dans des milieux confinés.
Brefs rappels et résultats de MMC
Généralités sur les polymères
Les polymères sont des matériaux macromoléculaires complexes qui peuvent être décrits comme des chaînes constituées d’une succession de monomères reliés entre eux par des liaisons covalentes chimiques. Les chaînes peuvent être linéaires : le monomère ne présente que deux liaisons covalentes, une avec le monomère précédent de la chaîne et une avec le suivant. Si le monomère peut faire plus que deux liaisons covalentes avec ses homologues, un réseau tridimensionnel de chaînes réticulées est obtenu. Dans le cas de chaînes linéaires, le polymère présente une température de fluidification ?? audessus de laquelle il devient un liquide visqueux. Dans ce cas de chaînes réticulées, le passage à l’état liquide est impossible sans rupture de chaînes : le polymère ne possède donc pas de température de fluidification et augmenter la température conduira directement à la décomposition chimique. D’autre part, les polymères sont traditionnellement représentés sous forme amorphe, c’est-à-dire avec une répartition spatiale des chaînes totalement aléatoire (d’où l’image du plat de spaghettis souvent utilisée). Dans certains cas, des domaines cristallins peuvent coexister dans la phase amorphe du polymère. Ces cristallites sont le plus souvent sous forme de sphérolites à l’échelle micronique, constituées de juxtapositions de lamelles suivant une distribution radiale. Elles possèdent une température de fusion ??? caractéristique du matériau.
Tous les polymères présentent une température de transition vitreuse ??, correspondant à l’apparition de mouvements moléculaires de relativement grande amplitude des chaînes. En dessous de cette température, le volume libre dans le polymère est trop faible et les éventuels mouvements possibles pour les chaînes sont isolés (rotations de groupes secondaires, changements de conformation…). La déformation est donc majoritairement enthalpique et le polymère reste rigide : ce régime est appelé le régime vitreux du polymère. Au-dessus de cette température, les chaînes peuvent bouger les unes par rapport aux autres, la déformation devient principalement entropique et le polymère s’assouplit beaucoup par rapport au régime vitreux : c’est le régime caoutchoutique du matériau. Les polymères sont traditionnellement séparés en quatre catégories selon leur rigidité [9].
❖ les polymères amorphes non réticulés : ils possèdent une température de fluidification car ils sont linéaires. Ils sont habituellement appelés thermoplastiques si leur ?? est supérieure à la température ambiante ???? et élastomères si ?? < ????.
❖ les polymères thermoplastiques semi-cristallins : ce sont les homologues des thermoplastiques amorphes, mais ils possédent une température de fusion ??? > ?? en-dessous de laquelle des cristallites se développent dans le matériau. Sur la plage de température [?? ; ???], le polymère est donc un solide souple intermédiaire entre l’état vitreux et l’état caoutcoutique.
❖ les réseaux thermodurcissables : ils possèdent un réseau très densément réticulé les rendant très stables, d’où ?? > ????. Ils ne possèdent pas de température de fluidification et restent donc solides à haute température jusqu’à décomposition chimique.
❖ les élastomères réticulés : leur réseau de chaîne est souvent bien moins réticulé que celui des thermodurcissables, d’où leur ?? < ????. Cette réticulation entraîne des changements très importants de propriétés dans la zone de ??, mais ces polymères ne restent pas moins solides jusqu’à leur décomposition chimique à haute température.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 CONTEXTE MATERIAU ET MECANIQUE
1.1 Brefs rappels et résultats de MMC
1.1.1 Elasticité linéaire
1.1.2 Hyperélasticité
1.2 Présentation et généralités sur les matériaux de l’étude
1.2.1 Généralités sur les polymères
1.2.2 Généralités sur les matrices silicones
1.2.3 Généralités sur les matrices polyimide
1.2.4 Morphologies des particules d’argent utilisées en renfort
1.3 Conventions géométriques utilisées et spécificités des joints adhésifs
CHAPITRE 2 PROTOCOLES EXPÉRIMENTAUX
2.1 Revue comparative de tests de cisaillement pour des joints adhésifs
2.2 Mise en pratique technique des géométries de traction et de torsion
2.2.1 Géométrie de traction
2.2.2 Géométrie de torsion
2.3 Conclusion
CHAPITRE 3 CARACTERISATION MACROSCOPIQUE EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT VISCOELASTIQUE
3.1 Bibliographie et présentations des modèles
3.1.1 Modélisation viscoélastique linéaire temporelle
3.1.2 Viscoélasticité linéaire fréquentielle
3.1.3 Equivalence temps-température et courbes maîtresses
3.1.4 Viscoélasticité non linéaire
3.2 Résultats expérimentaux et identification des modèles
3.2.1 Courbes maîtresses
3.2.2 Effet Payne
3.2.3 Influence de la pression hydrostatique
3.3 Conclusion
CHAPITRE 4 ETUDE NUMERIQUE DE LA MICROSTRUCTURE
4.1 Présentations des modèles analytiques et des méthodes numériques d’homogénéisation utilisées
4.1.1 Homogénéisation en champ moyen
4.1.2 Homogénéisation périodique
4.1.3 Homogénéisation élastique VS. viscoélastique
4.2 Comparaison des résultats d’homogénéisation pour des lois linéaires
4.2.1 Représentativité du VER de l’étude
4.2.2 Calculs numériques élastiques VS viscoélastiques
4.2.3 Influence de la rigidité de la matrice sur le module de cisaillement du joint
4.2.4 Influence de l’orientation des particules sur le module de cisaillement du joint
4.3 Résultats FEM avec une modélisation hyperélastique de la matrice
4.3.1 Dispersion des contraintes hydrostatique et déviatorique
4.3.2 Influence de la pression hydrostatique
4.3.3 Etude des contraintes résiduelles
4.4 Conclusion
CHAPITRE 5 MECANISMES ET FACIES DE RUPTURE
CONCLUSION GENERALE
