Propriétés cohésives d'une couche de colle dans un assemblage collé structural en fonction de ses propriétés physico-chimiques induites par l'adhésion

Une réparation structurale consiste généralement à enlever de la matière autour de la zone endommagée (fissure de fatigue, impact, corrosion…) puis à ajouter de la matière saine. L’ajout de matière saine est réalisé par un assemblage. Les méthodes d’assemblage, dites classiques, sont le boulonnage, le collage et l’assemblage hybride (boulonné / collé). La matière saine ajoutée peut être réalisée dans un matériau différent de la matière initiale, menant à la présence d’interfaces multi-matériaux (composite, métallique) qu’il s’agit de maîtriser. Aujourd’hui l’aviation civile n’a pas recours aux réparations collées pour des applications structurales [Baker et al. 2002]. Dans certaines applications, notamment sur les matériaux composites tissés 3D, la réparation par patch de composite est en cours de développement. Des réparations par rebouchage sont néanmoins mises en place. Plusieurs travaux visent l’amélioration de la réparation par injection [Stadtlander. 2013]ou par infiltration de résine [Hautier et al. 2010]. Plus récemment, [Charlas 2020] a proposé une technique brevetée qui consiste en un retrait de la zone composite endommagée et un dépôt de colle en résine époxy chargée de particules aptes à être détectées magnétiquement. La colle réticule ensuite in-situ. Basé sur ce brevet, les travaux de Camille Gillet[Gilet et al. 2022] ont montré qu’un choix judicieux, de traitement de surface de la zone impactée en service et du contrôle du procédé de rebouchage, garantissait une réparation pérenne.

D’après [Baker et al. 2015] [Zhou et al. 2021], la certification des réparations collées structurales est rendue difficile du fait du manque de méthodes de contrôle non destructif (premier verrou). Quand, par exemple, des contraintes d’écoulement aérodynamiques sont à considérer, les réparations de type biseauté, ou en escalier, apparaissent comme idéales. D’un point de vue calcul, elles sont complexes et demandent un effort de modélisation expérimentale et numérique particulier, en particulier, du fait de la graduation de leurs propriétés (second verrou) [Orsatelli et al. 2023] [Orsatelli et al. 2024a] [Orsatelli et al. 2024b]. Ces deux verrous sont attachés au collage structural. Le collage structural est une méthode d’assemblage chimique pour assurer la fonction mécanique de transfert des efforts. Le collage structural est particulièrement adapté pour l’assemblage de structures minces, telles que les structures aérospatiales, et, est connue pour présenter un rapport tenue sur masse exceptionnel. Le premier verrou est l’assurance que le procédé de collage utilisé permet de développer la cohésion et l’adhérence attendues. Des méthodes de contrôles destructifs et/ou non destructifs existent. Cependant, leur utilisation implique une augmentation des coûts, et ne permettent de détecter que les défauts connus à l’instant du contrôle sans donner d’information quant à la tenue à l’épreuve du temps. Le second verrou est le dimensionnement des assemblages collés, comme le montre l’absence de normes, contrairement au dimensionnement des assemblages par fixation mécanique. Ce second verrou s’articule autour de deux problématiques : (i) les modélisations et schémas de résolution associés permettant d’évaluer des critères de tenue restant à déterminer, et, (ii) les méthodologies de caractérisation expérimentale (quoi, comment) des lois matériaux nécessaires aux calculs et des admissibles auxquels sont comparés les critères évalués. Le projet OVERCOME s’inscrit principalement dans le second verrou.

La rupture d’un assemblage collé peut être décomposée en deux phases : l’amorçage et la propagation. Chacune de ces phases peut être qualifiée selon l’une des trois terminologies suivantes : (i) rupture cohésive dans les substrats, l’interphase ou la couche adhésive, (ii) rupture adhésive à l’interface entre le substrat et l’interphase. Enfin la propagation peut également être définie comme (iii) la combinaison de ruptures adhésives et cohésives, réparties sur la surface collée. La sollicitation mécanique, vue localement au niveau de la couche adhésive, est généralement complexe, et, est caractérisée par une mixité de modes. Il est donc primordial de maîtriser les propriétés cohésives et d’adhérence de la jonction.

Les analyses calorimétriques et infra-rouge ont déjà permis de quantifier les gradients de propriété dans les interphases époxyde-amine/métal [Aufray et Roche 2006] [Montois et al 2006] [Aufray et Roche 2007] [Montois et al 2007][Pomes et al. 2015]. Parallèlement, [Tramis et al 2021]ont façonné des joints à gradient de propriétés à l’échelle nanométrique, et détourné l’utilisation classique du test de clivage en coin par insertion en continue, à vitesse constante du coin dans la partie de l’assemblage non adhésive. Les analyses des fissures successives ont permis de mesurer l’évolution de l’adhérence en fonction de l’évolution des propriétés du joint le long du recouvrement. Durant ces vingt dernières années, les modèles à zone cohésives des joints collés sont fréquemment utilisés pour simuler la rupture progressive d’une liaison collée. Ces modèles nécessitent des méthodologies de calcul et de caractérisation expérimentales dédiées [Lélias et al. 2019]. Cette modélisation ne distingue généralement pas la rupture cohésive ou adhésive de la liaison, et, est vue comme macroscopique. Elle peut néanmoins être enrichie afin d’être plus fidèle à la réalité physique, et, par exemple, prendre en compte un effet d’épaisseur, de profondeur, ou de variation d’état mécanique[Sarrado et al. 2015] [Cabelloet al. 2017] [Manterola et al. 2019] [Planas Andrés et al. 2024]. La modélisation de zone cohésive peut être aussi utilisée pour la simulation de la rupture adhésive [Birro et al. 2020]. A notre connaissance, la prise en compte de gradients de propriétés dans l’épaisseur n’a jamais été adressée dans ce contexte.

SUJET COMPLET DISPONIBLE ICI : https://ica.cnrs.fr/wp-content/uploads/2024/11/PhD_Offer_OVERCOME_fr.pdf

L’ICA est un laboratoire de recherche qui s’attache à l’étude des structures, des systèmes et des procédés mécaniques. Nos secteurs d’activités s’inscrivent dans ceux des industries mécaniques avec une attention particulière accordée aux projets des domaines de l’aéronautique, de l’espace, du transport et de l’énergie. Nos travaux portent généralement sur la modélisation du comportement, l’instrumentation et l’étude de la durabilité des structures ou produits considérés. Une part importante de nos recherches porte sur les matériaux composites, lesquels prennent aujourd’hui une place importante dans les structures.

Niveaux d’études : M2 ou Diplôme d’Ingénieurs

Compétences : Matériaux polymère, composite et métallique [fondamentaux], Mécanique des structures [avancé], Mécanique numérique [fondamentaux], Mécanique expérimentale [fondamentaux]

Démarrage : Au plus tôt, en 2025

Durée : 3 ans

Rémunération : 2100€ net / mois (augmentation prévue en 2026 en accord avec la loi de programmation de la recherche), vacations au sein de l’ISAE SUPAERO possible (100 à 200€ en plus par mois)

Localisation : Institut Clément Ader, ISAE-SUPAERO, Toulouse

Laboratoire en Zone à Régime Restrictif (ZRR)