Sur les mécanismes de rayures des vernis de finition automobile

par Patricia Bertrand-Lambotte

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Jean-Luc Loubet.

Soutenue en 2001

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon , en partenariat avec Laboratoire de mécanique des solides (Ecully, Rhône) (laboratoire) .

mots clés

• Nano-indentation
• Nano-rayure
• Cicatrisation
• Mécanique -- Revêtements -- Thermodurcissables
• Matériaux -- Propriétés mécaniques
• Rupture, Mécanique de la

Résumé

Les vernis de finition constituent la couche la plus externe des revêtements peinture recouvrant les carrosseries automobiles. Ces vernis sont des polymères thermodurcissables déposés sous forme de films minces de 40 à 50 ,um d'épaisseur. Leurs fonctions sont de protéger les couches inférieures du revêtement peinture des dégradations du milieu ambiant et de donner au véhicule un aspect brilliant et esthétique. Le lavage des voitures aux machines automatiques munies de brosses provoque des microrayures à la surface des vernis. Ces microrayures sont de deux types: ductiles (sans déchirures) et fragiles (avec déchirures). L'objectif de cette étude est de relier les mécanismes de rayures aux propriétés physiques et mécaniques des vernis. Le rapport profondeur de rayure sur épaisseur du vernis étant inférieur à 1/10, le vernis est considéré comme un matériau massif semi infini. Dans un premier temps des essais de nano-indentation et de nano-rayure combinés à des observations au microscope à force atomique indiquent que la formation des rayures ductiles met en jeu des mouvements locaux de chaînes polymères (énergies de transitions ß) et que leur cicatrisation met en jeu des mouvements coopératifs de chaînes de polymères (énergies de relaxation a). Dans un deuxième temps, une étude analytique du contact entre l'indenteur et le vernis indique que la transition ductile/fragile est gouvernée à la fois par un critère en énergie de rupture et par un critère de dimension, tous deux exprimés en fonction des propriétés viscoélastoplastiques des vernis, de la géométrie de l'indenteur et de l'environnement. Cette étude a permis d'identifier les propriétés physiques et mécaniques des vernis qu'il faut optimiser pour améliorer la résistance à la rayure des vernis et va donc plus loin que la notion de charge critique communément utilisée dans la littérature mais reliée à aucune propriété intrinsèque du matériau.

Titre traduit

About mar and scratch mechanisms of automotive clearcoast

Résumé

Automotive clearcoats compose the most external layer of automotive coatings and consist of thermoset resins. Their thickness ranges from 40 to 50 µm. They made automobiles glossy and protect them from environmental damage. Car wash brushes bring about microscratches at the surface of automotive clearcoats. There are both ductile and brittle scratches. Ductile scratches present no tearing and heating can make them disappear. On the contrary, brittle scratches show irreversible rips. The goal of this study is to relate scratches mechanisms to physical and mechanical properties of clearcoats. As the ratio scratch depth over clearcoat thickness is smaller than 1/10, the clearcoat is considered as a semi-infinite bulk material. On the one hand, nano-indentation and nano-scratch tests added to AFM experiments show that the formation of ductile scratches involve local motions of polymer chains (B relaxation energies) whereas their healing involves large motion of polymer chains (a relaxation energies). On the other hand, an analytical study of the contact between the indenter and the clearcoat show that the ductile/brittle transition is ruled by a fracture energy criterion and by a size criterion. Both are related to the viscoelastoplastic properties of the clearcoats, the indenter geometry and the environment. The study has allowed to identify the physical and mechanical properties of clearcoats which are to be optimised in order to improve their scratch resistance. It goes further than the idea of critical load commonly used in literature but related to none intrinsic properties of the material.