FR2960881A1 - Procede de collage structural renforce de deux pieces en materiau composite - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de collage structural de deux pièces (la, lb) en matériau composite, au moyen d'un adhésif (8) chargé de particules solides (4, 6), comprenant les étapes suivantes : - application de l'adhésif chargé de particules solides sur une surface de jonction (la) d'au moins l'une des pièces à coller ; et - collage des deux pièces par application sur celles-ci d'une pression telle qu'au moins certaines de ces particules solides (4) s'incrustent partiellement dans au moins l'une des deux pièces, par déformations locales de des surfaces de jonction concernées.

Description

PROCEDE DE COLLAGE STRUCTURAL RENFORCE DE DEUX PIECES EN MATERIAU COMPOSITE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé conçu pour effectuer le collage structural de deux pièces quelconques en matériau composite. Plus précisément, l'invention se rapporte à un procédé de collage structural utilisant un adhésif chargé de particules solides telles que des microbilles ou similaires, dont le but est d'améliorer la résistance au décollement. Le procédé de collage conforme à l'invention peut être utilisé dans de nombreux secteurs industriels, dès lors que l'on désire optimiser la tenue mécanique d'un joint de colle entre deux pièces en matériau composite. A titre d'exemple nullement 20 limitatif, le procédé selon l'invention peut notamment être utilisé pour le collage des pièces utilisées dans les industries aéronautiques et spatiales.

ETAT DE LA TECHNIQUE 25 Lorsque deux pièces réalisées en un même matériau ou en des matériaux différents doivent être solidarisées par collage, il est d'usage d'appliquer un film de colle sur au moins l'une des pièces, puis de presser les pièces l'une contre l'autre, afin de 30 maintenir les pièces en position pendant le durcissement de la colle. 15 Cette technique de collage traditionnelle est satisfaisante lorsque la jonction que l'on désire réaliser n'est pas une jonction structurale destinée à transmettre des efforts mécaniques, ou lorsque cette jonction est surdimensionnée par rapport aux efforts mécaniques à transmettre. En revanche, cette technique de collage traditionnelle n'est pas satisfaisante lorsqu'on désire réaliser une jonction structurale présentant une tenue mécanique optimisée, c'est-à-dire lorsqu'on désire ne pas surdimensionner la jonction, bien qu'elle soit appelée à transmettre des efforts mécaniques. En effet, la pression qui est appliquée sur les pièces lors du collage se traduit inévitablement par un fluage de la colle, qui conduit à une épaisseur du joint de colle non uniforme et dont la valeur est fréquemment inférieure à 0,1 mm. Or, des études ont montré que la jonction entre deux pièces collées ne présente une tenue mécanique optimale qu'à la condition que l'épaisseur du joint de colle reliant les deux pièces soit uniforme et comprise entre environ 0,1 mm et environ 0,2 mm. On se reportera à ce sujet à l'article de J. M. Giraud intitulé "Quelle épaisseur de colle choisir pour un assemblage collé ?", pages 255-259, dans la revue Matériaux et Techniques de juin-juillet 1980. Les assemblages obtenus par les techniques de collage traditionnelles ne présentent donc généralement pas une tenue mécanique optimale. Le document FR-A-2 709 871 propose de connecter électriquement différentes zones présélectionnées de deux composants électroniques en formant sur chacune des zones considérées de l'un des composants un tapis de billes de soudure, puis en déposant une dose précise de colle liquide sur chaque tapis de billes. La colle se trouve ainsi confinée par capillarité sur les tapis de billes. On amène ensuite l'autre composant en contact avec les billes, de façon à assurer un collage limité à des zones localisées avec précision. Chaque tapis de billes permet d'établir un contact électrique et thermique entre les composants. La technique de collage décrite dans ce document FR-A-2 709 871 est spécifique à l'assemblage des composants électroniques et vise essentiellement à assurer des contacts électriques et thermiques en des emplacements bien déterminés et à limiter précisément le collage à ces mêmes emplacements. Elle n'est évidemment pas transposable à l'assemblage structural de deux pièces entre lesquelles des efforts mécaniques importants doivent être transmis. Par ailleurs, le document FR-A-2 714 764 propose de réaliser des écrans plats tels que des écrans fluorescents à micro-pointes, en collant des billes en des emplacements prédéterminés entre les deux plaques de verre formant l'écran. Plus précisément, la face interne de l'une des plaques de verre est enduite d'un adhésif visqueux, puis des billes sont disposées avec précision sur cet adhésif au moyen d'une aiguille, en des emplacements qui correspondent avec les intersections des bandes perpendiculaires séparant les pixels. Lorsque le collage a été effectué, l'adhésif est évaporé à haute température, puis les deux plaques sont scellées l'une à l'autre, de façon à mettre sous vide l'espace qui les sépare. Dans ce document, les billes ont essentiellement pour fonction de permettre aux plaques de verre formant l'écran de résister à la différence de pression entre l'atmosphère extérieure et le vide régnant à l'intérieur de l'écran. Il ne s'agit pas d'une technique de collage de pièces et encore moins d'une technique d'assemblage structural conçue pour réaliser un joint de colle apte à supporter des efforts mécaniques importants. De l'art antérieur, il est également connu le document GB-A-2 149 719, dans lequel un collage structural est réalisé grâce à un mélange d'adhésif et de microbilles, ces dernières permettant de calibrer l'épaisseur du joint de colle obtenu entre les deux pièces. Néanmoins, avec cette solution technique, des problèmes d'accrochage du joint de colle sur les surfaces de jonction des pièces peuvent subsister. Pour diminuer ces problèmes, il est possible de traiter les surfaces de jonction des pièces afin de disposer d'un état de surface plus propice à l'adhésion du joint, mais ces traitements s'avèrent très souvent coûteux, et parfois peu efficaces.

EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur.

Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé de collage structural de deux pièces en matériau composite, au moyen d'un adhésif chargé de particules solides, comprenant les étapes suivantes : - application de l'adhésif chargé de particules solides sur une surface de jonction d'au moins l'une des pièces à coller ; et - collage des deux pièces par application sur celles-ci d'une pression telle qu'au moins certaines desdites particules s'incrustent partiellement dans au moins l'une des deux pièces, par déformations locales de la/des surface(s) de jonction concernée(s).

L'invention est remarquable en ce qu'elle utilise de manière astucieuse les particules solides mélangées avec l'adhésif, pour créer des ancrages du joint de colle dans la/les pièces collées par ce joint. La tenue mécanique du joint de colle se trouve donc avantageusement renforcée, en particulier lorsque les deux pièces sont sollicitées en cisaillement l'une par rapport à l'autre, dans la direction de leur interface. La solution apportée par l'invention est par ailleurs avantageuse en ce qu'elle génère une meilleure tenue mécanique du joint de colle, sans nécessiter de traitement de surface particulier des surfaces de jonction des pièces, avant l'application du mélange d'adhésif et de particules solides. En d'autres termes, le joint de colle obtenu a une tenue mécanique renforcée en ce sens qu'au moins certaines des particules solides présentes dans le joint final constituent des encastrements mécaniques dans l'une ou les deux surfaces de jonction des pièces, ce qui leur permet de remplir la fonction de micro- chevilles d'ancrage, autorisée par les déformations locales des pièces au niveau de ces particules incrustées. De préférence, lesdites particules solides prennent la forme de microbilles sphéroïdes. Dans la définition qui précède, comme dans la suite du texte, le terme « sphéroïde » désigne indifféremment des microbilles sphériques ou des microbilles de forme légèrement différente (ovoïde, etc.).

Lorsque la pression de collage est appliquée sur les pièces, les microbilles se répartissent d'abord naturellement entre elles de façon à former une couche unique de microbilles de plus grande dimension, qui détermine temporairement avec précision l'épaisseur du joint de colle séparant les pièces ainsi assemblées. Ensuite, la mise en pression est poursuivie pour obtenir l'incrustation des microbilles de plus grande dimension dans l'une ou les deux pièces. Durant la poursuite de la mise en pression qui voit l'une ou les deux surfaces de jonction des pièces se déformer localement du fait de la contre- pression opérée par les microbilles, d'autres microbilles de plus petites dimensions peuvent également s'incruster dans les surfaces de jonction des pièces, sur des profondeurs d'incrustation nécessairement moins élevées. Ainsi, en maîtrisant la profondeur de pénétration des microbilles de plus grande dimension dans la/les pièces à assembler, il est possible de maîtriser l'épaisseur de joint final, qui s'avère alors avantageusement calibré. De préférence, ladite pression appliquée est telle que la partie incrustée d'au moins une microbille, dans au moins l'une des deux pièces, prend la forme d'une calotte sphérique dont la hauteur représente entre 20 et 40% du diamètre de ladite microbille incrustée, et encore plus préférentiellement environ 25% de ce diamètre. Dans le cas où il ne s'agit pas de microbilles, par exemple lorsque les particules solides sont des nanotubes de carbone, le niveau de pénétration dans les pièces à coller est semblable à celui qui vient d'être évoqué pour les microbilles, dont le diamètre maximum est de préférence compris entre environ 0,1 mm et environ 0,2 mm. Quelle que soit la forme des particules solides, il est de préférence fait en sorte qu'au moins l'une de celles-ci soit incrustée dans chacune des deux pièces. De préférence, chacune des particules solides de plus grande dimension est incrustée dans chacune des deux surfaces de jonction, selon un niveau de pénétration sensiblement équivalent pour les deux surfaces, même s'il pourrait en être autrement, sans sortir du cadre de l'invention. Préférentiellement, lesdites particules solides sont réalisées dans un matériau pris parmi le verre, le carbure de tungstène, le carbure de silicium et le tungstate de zirconium. Ce dernier matériau est particulièrement intéressant en ce sens qu'il présente un coefficient de dilatation thermique négatif, le rendant adapté aux applications cryogéniques. De préférence, lesdites pièces à coller sont réalisées dans un matériau composite comprenant un mélange de résine, par exemple de la résine époxy, et de fibres de verre et/ou de carbone. Par ailleurs, les particules solides sont indifféremment pleines et/ou creuses, en fonction des besoins identifiés. Enfin, on utilise préférentiellement un mélange d'adhésif et de particules solides comprenant entre environ 0,5 en masse et environ 1 en masse de particules solides, l'essentiel du mélange étant donc constitué par de l'adhésif, qui, de préférence, est un adhésif époxy bi-composant, polymérisant à température ambiante.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; les figures 1 à 4 représentent des vues schématiques en coupe illustrant différentes étapes d'un procédé de collage structural selon un mode de réalisation préféré de la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence aux figures 1 à 4, on peut apercevoir différentes étapes d'un procédé de collage structural de deux pièces en matériau composite la, lb, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention. Les deux pièces, de préférence comprenant un mélange de fibres de verre et/ou de carbone et de résine, par exemple de la résine époxy, sont destinées à être assemblées par collage de façon telle que la tenue mécanique de la jonction réalisée soit optimisée. En d'autres termes, le procédé de collage selon l'invention est conçu pour obtenir un assemblage présentant une tenue mécanique optimale, sans qu'il soit nécessaire de surdimensionner les pièces et/ou de réaliser un traitement de surface coûteux. En effet, la préparation des surfaces de jonction 2a, 2b des deux pièces la, lb reste classique, et bien connue des spécialistes du collage. Il n'en sera donc pas fait de description. Les surfaces de jonction 2a, 2b selon lesquelles les pièces sont destinées à être collées l'une à l'autre sont généralement des surfaces planes. Il peut toutefois s'agir de surfaces de formes différentes, qui restent tout de même préférentiellement complémentaires, c'est-à-dire parallèles l'une à l'autre dans toute la zone d'assemblage. Selon une première étape du procédé, on prépare un mélange en introduisant dans un adhésif des particules solides telles que des microbilles sphéroïdes de granulométrie connue, au moins pour ce qui concerne les microbilles de plus grande dimension. Plus précisément, lorsque l'adhésif est constitué par un adhésif époxy bi-composant, polymérisant à température ambiante, on introduit les microbilles en même temps que l'on procède au mélange des deux composants de l'adhésif, ou juste après avoir effectué ce mélange.

Le mélange de l'adhésif et des microbilles est réalisé de façon aussi homogène que possible, afin que les microbilles soient réparties sensiblement uniformément à l'intérieur de l'adhésif. On obtient ainsi un mélange homogène d'adhésif et de microbilles.

Les microbilles qui sont mélangées à l'adhésif peuvent être pleines et/ou creuses, et le matériau qui les constitue peut être quelconque. Cependant, les microbilles sont choisies afin de pouvoir résister à la pression de collage, et de façon à provoquer localement des déformations des pièces pour pouvoir y être incrustées, comme cela sera détaillé ci-après. De plus, leur composition chimique ne doit pas affecter la réaction de polymérisation de l'adhésif. Avantageusement, les microbilles possèdent également des propriétés de surface adhérentes vis-à-vis de l'adhésif. Certaines applications imposent toutefois d'utiliser de préférence certains types de microbilles et certains matériaux. Ainsi, et uniquement à titre d'exemple, lorsque l'assemblage par collage est destiné à une application spatiale, on utilise de préférence des microbilles pleines afin d'éviter tout risque de dégazage dans l'espace. Par ailleurs, la nature du matériau constituant les microbilles est alors choisie avantageusement afin que le coefficient de dilatation de ce matériau soit sensiblement égal ou inférieur à celui du joint de colle. Des matériaux tels que le verre et l'aluminium satisfont à cette exigence. Il peut alternativement s'agir du tungstate de zirconium, qui est particulièrement intéressant en ce sens qu'il présente un coefficient de dilatation thermique négatif, le rendant adapté aux applications spatiales à grandes amplitudes thermiques. Les microbilles mélangées dans l'adhésif peuvent être de diamètres différents, ou présenter des diamètres voisins et, de préférence, identiques. Dans tous les cas, le diamètre maximum des microbilles utilisées est compris entre environ 0,1 mm et environ 0,2 mm, ce diamètre ayant une incidence directe sur l'épaisseur du joint de colle obtenu, comme cela sera détaillé ci-après. Par la suite, on considèrera que l'ensemble de microbilles comprend des microbilles de diamètre maximum référencées 4 sur les figures, ainsi que d'autres microbilles de diamètre(s) inférieur(s), référencées 6 sur les figures, les proportions de celles-ci pouvant être, en masse, de l'ordre de 90% et 10%, respectivement.

Le taux des microbilles 4, 6 mélangées à l'adhésif référencé 8 peut différer en fonction de différents paramètres. Dans tous les cas, la quantité d'adhésif doit être suffisante pour que tout l'espace qui sépare les surfaces de jonction 2a, 2b soit rempli d'adhésif autour des microbilles, lorsque l'assemblage est réalisé. A titre d'illustration nullement limitative, le mélange peut contenir entre environ 0,5 % en masse et environ 1 % en masse de microbilles, dans les cas où l'on utilise des microbilles pleines en verre ou en tungstate de zirconium. Lorsqu'un mélange homogène d'adhésif et de microbilles a été obtenu, ce mélange est appliqué sur la surface de jonction 2a de l'une des pièces la à assembler, comme cela a été schématisé sur la figure 1. L'application du mélange homogène d'adhésif et de microbilles peut être effectuée par tout moyen approprié tel qu'une spatule lisse ou crantée.

Il est à noter qu'en variante, le mélange d'adhésif et de microbilles peut être appliqué simultanément sur les surfaces de jonction des deux pièces à assembler. Lorsque l'application du mélange est terminée, on commence à procéder au collage des deux pièces la, lb. Pour cela, on applique la surface de jonction 2b de la deuxième pièce lb sur le mélange d'adhésif 8 et de microbilles 4, 6 qui revêt la surface de jonction 2a de la pièce la. La mise en contact de la surface de jonction 2b et du mélange d'adhésif 8 et de microbilles 4, 6 est illustrée sur la figure 2. Le procédé est poursuivi en appliquant entre les deux pièces la et lb une pression de collage, pendant toute la durée de la polymérisation de l'adhésif 8. La valeur de la pression appliquée dépend notamment de la nature de l'adhésif et fait partie des connaissances habituelles des spécialistes du collage. Les différentes techniques utilisées pour appliquer cette pression sont également bien connues des spécialistes. Sur la figure 3, l'application de la pression de collage a été schématisée par un marbre 10 sur lequel repose la pièce la et par la flèche 12 figurant la pression par laquelle la pièce lb est appliquée contre la pièce la. La comparaison des figures 2 et 3 fait apparaître que l'application de la pression de collage entre les pièces la et lb a pour effet un fluage de l'adhésif 8 entre les surfaces de jonction 2a, 2b, jusqu'à ce que chacune de ces surfaces soit simultanément en contact avec toutes les microbilles 4 de diamètre maximum. Il est noté que lorsque des microbilles 4 de plus grande dimension se trouvent pratiquement les unes au-dessus des autres entre les surfaces 2a, 2b au début du collage, leur forme sphéroïde leur impose de se placer côte-à-côte sous l'effet de la pression appliquée sur les pièces. Les microbilles 4 sont donc nécessairement disposées sous la forme d'une couche unique suite à cette première phase de mise en pression, comme cela a été schématisé sur la figure 3. Selon une particularité de la présente invention, après la mise en contact des microbilles 4 avec les surfaces de jonction 2a, 2b, la mise en pression des pièces est poursuivie, comme cela a été schématisé par la flèche 12 de la figure 4. Cette mise en pression consiste à faire en sorte que les microbilles 4 s'incrustent partiellement dans au moins l'une des pièces la, lb, ou de préférence dans les deux pièces, comme cela a été représenté. Cette incrustation partielle de chaque microbille 4 dans les pièces la, lb est autorisée par la déformation locale des surfaces de jonction 2a, 2b. Effectivement, sous l'effet de la contre-pression des microbilles 4 plus dures que les pièces en matériau composite, celles-ci voient la formation de cuvettes 16 au niveau de leur surface de jonction 2a, 2b, ces cuvettes logeant chacune une calotte sphérique 18 des microbilles 4. Les calottes 18 et les cuvettes 16 présentent donc des formes sensiblement complémentaires, et se trouvent en contact surfacique, même si une fine pellicule d'adhésif peut néanmoins subsister entre ces éléments. Ainsi, les microbilles 4 de grande dimension sont astucieusement utilisées pour créer des ancrages du joint de colle obtenu dans les pièces collées par ce joint. La tenue mécanique du joint de colle se trouve donc renforcée, en particulier lorsque les deux pièces sont sollicitées en cisaillement l'une par rapport à l'autre, dans la direction de leur interface. En d'autres termes, le joint de colle obtenu a une tenue mécanique renforcée en ce sens que les microbilles 4 présentes dans le joint final constituent des encastrements mécaniques dans les deux surfaces de jonction 2a, 2b. La profondeur de pénétration des microbilles 4 est retenue en fonction des besoins rencontrés. Cette profondeur peut bien entendu être parfaitement maîtrisée, en fonction des différents paramètres employés pour la mise en oeuvre du procédé, comme la valeur de la pression 12, la nature des matériaux, le diamètre des microbilles 4, etc. De préférence, la pression 12 est telle que chaque partie incrustée en forme de calotte sphérique 18 a une hauteur 20 représentant environ 25% du diamètre « d » de la microbille incrustée 4, étant à cet égard précisé que la hauteur 20 correspondant de manière conventionnelle à la longueur du segment de droite le plus long reliant orthogonalement le plan de section 22 formant la calotte, à un point de celle-ci. Une fois que le niveau de pénétration des microbilles 4 est obtenu, la pression 12 est maintenue jusqu'à ce que la polymérisation de l'adhésif soit terminée.

Dans l'assemblage obtenu, l'épaisseur « E » du joint de colle séparant les deux pièces la et lb est parfaitement maîtrisée, puisqu'elle est précisément égale au diamètre « d » des microbilles 4, auquel est retranchée deux fois la hauteur 20 des calottes 18. Il est donc possible d'obtenir un assemblage structural qui répond parfaitement, et de façon reproductible, aux exigences fixées. Il est à noter que l'obtention d'une tenue mécanique optimisée ne complique pas le processus de collage. En effet, la seule opération supplémentaire par rapport aux techniques de collage traditionnelles utilisant des mélanges d'adhésif et de particules solides, consiste à poursuivre la mise en pression des pièces afin de créer les incrustations désirées.

Par ailleurs, il est à noter que le procédé de collage structural selon l'invention permet d'obtenir un joint de colle d'épaisseur uniforme et optimisée même lorsque les surfaces de jonction des pièces présentent des anomalies ou des irrégularités, et même lorsque l'état de surface n'est pas réellement propice à un collage performant. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.5

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de collage structural de deux pièces (la, lb) en matériau composite, au moyen d'un adhésif (8) chargé de particules solides (4, 6), caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes . application de l'adhésif chargé de particules solides sur une surface de jonction (la) d'au moins l'une des pièces à coller ; et - collage des deux pièces par application sur celles-ci d'une pression telle qu'au moins certaines desdites particules solides (4) s'incrustent partiellement dans au moins l'une des deux pièces, par déformations locales de la/des surface(s) de jonction concernée(s).
2. 2. Procédé de collage selon la revendication 1, dans lequel lesdites particules solides prennent la forme de microbilles sphéroïdes (4, 6).
3. 3. Procédé de collage selon la revendication 2, dans lequel ladite pression appliquée est telle que la partie incrustée d'au moins une microbille, dans au moins l'une des deux pièces, prend la forme d'une calotte sphérique (18) dont la hauteur (20) représente entre 20 et 40% du diamètre (d) de ladite microbille incrustée.
4. 4. Procédé de collage selon la revendication 2, dans lequel ladite pression appliquée est telle que la partie incrustée d'au moins unemicrobille, dans au moins l'une des deux pièces, prend la forme d'une calotte sphérique (18) dont la hauteur (20) représente environ 25% du diamètre (d) de ladite microbille incrustée.
5. 5. Procédé de collage selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le diamètre maximum des microbilles est compris entre environ 0,1 mm et environ 0,2 mm. 10
6. 6. Procédé de collage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel il est fait en sorte qu'au moins l'une des particules solides (4) soit incrustée dans chacune des deux pièces 15 à coller (la, 1b).
7. 7. Procédé de collage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites particules solides (4, 6) sont réalisées dans 20 un matériau pris parmi le verre, le carbure de tungstène, le carbure de silicium et le tungstate de zirconium.
8. 8. Procédé de collage selon l'une 25 quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites pièces à coller (la, lb) sont réalisées dans un matériau composite comprenant un mélange de résine et de fibres de verre et/ou de carbone. 30
9. 9. Procédé de collage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites particules solides (4, 6) sont pleines et/ou creuses.5
10. 10. Procédé de collage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise un mélange d'adhésif (8) et de particules solides (4, 6) comprenant entre environ 0,5 en masse et environ 1 en masse de particules solides.10