Durabilité des époxys ; application au collage structural aéronautique

Ageing of epoxys used for aeronautical bonded assemblies

• Auteur / Autrice : Justine Delozanne
• Direction : Emmanuel Richaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 18/12/2018
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux [Paris]
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Chailan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Richaud, Marco Gigliotti, Valérie Langlois, Nancy Desgardin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Rivaton, Peter Davies

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique

Résines époxydes

Mots clés libres

Époxy/amine

Thermo-Oxydation

Vieillissement humide

Assemblages collés

Modèle cinétique

Epoxy/amine

Thermal oxidation

Hygrothermal aging

Adhesive joints

Kinetic modeling

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude multi-échelle du vieillissement d’assemblages collés à base de colle époxy employés dans le domaine aéronautique. Dans leurs conditions de service, ces matériaux sont soumis à un vieillissement humide, qui peut s’accompagner d’un vieillissement thermique essentiellement lors des phases de décollage des avions. De telles conditions rendent difficiles la prédiction de la durée de vie basée uniquement sur le suivi des propriétés mécaniques des assemblages (par des tests de cisaillement simple ou de clivage) lors d’essais de vieillissement normalisés qui prévalent, pour le moment, dans l’industrie. Notre objectif était donc une étude du vieillissement à l’échelle moléculaire afin d’en dériver, à terme, des lois cinétiques prédisant la vitesse de dégradation. Une première étape a mis en lumière les différences existantes entre le vieillissement humide (rupture adhésive) et thermique (rupture cohésive). La rupture cohésive observée en vieillissement thermique nous a conduits à étudier les mécanismes responsables de la chute de ténacité des époxys. Nous avons ainsi étudié les mécanismes de dégradation de l’adhésif, de deux de ses systèmes « représentatifs » (DGEBA-DDS et TGMDA-DDS). L’analyse des produits de dégradation dans ces réseaux et leurs composées modèles nous a conduits à élaborer un schéma cinétique intégrant la réactivité des principaux sites d’oxydation (sites au voisinage de certains hétéroatomes) qui peut décrire en partie l’oxydation des systèmes simples DGEBA-DDS et TGMDA-DDS mais devra être converti en modèle de co-oxydation (c’est-à-dire intégrant la participation simultanée de plusieurs sites) à la fois pour décrire plus complétement l’oxydation des systèmes simples mais surtout pour traiter des matériaux industriels de formulation complexe. Dans une dernière partie, nous nous sommes intéressés à la spécificité des assemblages collés lors d’un vieillissement humide. Cette dernière partie montre la nécessité de bien comprendre les phénomènes de diffusion à l’interface, et dans des matériaux oxydés, pour pouvoir prédire la durée de vie des adhésifs époxys employés pour les assemblages collés.

This thesis deals with a multi-scale study of the ageing of bonded assemblies based on epoxy adhesive used in the aeronautical field. In service conditions, these materials are subjected to humid ageing, which can be accompanied by thermal ageing essentially during the take-off phases of aircraft. Such conditions make it difficult to predict lifetime based only on the study of the mechanical properties of the assemblies (by single lap shear stress or wedge tests) in standardized ageing tests, which, for the moment, prevail in the industry. Our objective was therefore a study of ageing at the molecular scale in order to derive forward kinetic laws predicting the kinetics of degradation. A first step highlighted the differences between humid ageing (adhesive failure) and thermal aging (cohesive failure). The cohesive rupture observed in thermal ageing led us to study the mechanisms responsible for the decrease in toughness of the epoxies. We studied the mechanisms of degradation of the adhesive as well as two of its "representative" systems (DGEBA-DDS and TGMDA-DDS). The analysis of degradation products in these networks and their model compounds led us to develop a kinetic scheme introducing the reactivity of the main oxidation sites (site near certain heteroatoms) which can partly describe the oxidation of simple systems. In the future, DGEBA-DDS and TGMDA-DDS will have to be converted into a co-oxidation model (that means integrating the simultaneous participation of several sites) to describe entirely the oxidation of simple systems but especially for handled industrial materials of complex formulation. In a last part, we were interested in the specificity of bonded assemblies during humid aging. This last section displays the need to understand diffusion phenomena at the interface, and in oxidized materials, to predict the lifetime of epoxy adhesives used for bonded assemblies.