Elaboration d'assemblages multicouches polymère/métal par frittage "Spark Plasma Sintering" pour des applications d'allègement de structure

Development of polymer/metal multilayer assemblies by "spark plasma sintering" technology for lightweighting applications

• Auteur / Autrice : Jean-Charles Sébileau
• Direction : Adèle Carradó
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique-Chimie
• Date : Soutenance le 07/02/2018
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse - Institut de Science des Matériaux de Mulhouse / IS2M

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frittage (métallurgie)

Spark plasma sintering (métallurgie)

Composites polymères

Mots clés libres

Frittage de polymère

Spark Plasma Sintering

Polyétheréthercétone

Polyimide

Assemblages polymère-métal

Polymer sintering

Spark Plasma Sintering

Polyetheretherketone

Polyimide

Polymer-metal as-semblies

Résumé

Les assemblages multicouches polymère-métal, combinant la faible densité du polymère à la résistance du métal, se présentent comme une solution à fort potentiel pour répondre aux problématiques d’allégement de structure dans le secteur des transports. Plus particulièrement, ces travaux s’intéressent à l’élaboration de multicouches basés sur l’utilisation de polymères thermoplastiques thermostables associés à un alliage d’aluminium via un procédé de la métallurgie des poudres appelé « Spark Plasma Sintering » (SPS). Dans un premier temps, la mise en forme par SPS du polymère seul a été étudiée. Les influences des paramètres SPS tels que la température, la pression appliquée et le temps de maintien sur les caractéristiques structurales et les propriétés mécaniques du polyétheréthercétone (PEEK) ont été déterminées au moyen d’un plan d’expérience. Cette étude a permis de proposer des mécanismes de frittage et de mettre en évidence le rôle complexe joué par la pression sur la structure cristalline. Ensuite, le développement des assemblages, sans colle, d’un polyimide ou PEEK associé avec l’aluminium a été considéré. Une approche expérimentale a été mise en place, dans le but d’améliorer l’adhésion entre les deux matériaux. Des traitements de surface appliqués à l’aluminium visant à augmenter l’ancrage mécanique et la compatibilité chimique ont été testés. Le renforcement du polymère afin de limiter sa dilatation thermique a également été abordé. Les contributions de chacun des facteurs sont discutées sur la base de mesures d’adhérence et de caractérisations microstructurales. Cette stratégie a permis d’obtenir des multicouches avec une forte résistance à l’interface.

Polymer/metal multilayer assemblies, combining the low density of the polymer with the strength of the metal, are considered to be of great interest for high-demand engineering applications, especially in the transportation industries where the lightweighting issues are predominant. Keeping this in mind, the present study deals with the development of this kind of assembly, using thermostable thermoplastic polymers associated with an aluminum alloy by means of a powder metallurgy process: the “Spark Plasma Sintering” (SPS) technology. As the first part of this work, the sintering of the polymer was considered. The effects of SPS parameters such as temperature, pressure, and dwell time on mechanical properties of a PolyEtherEtherKetone (PEEK) were investigated thanks to a design of experiment. This study allowed to determine the mechanisms of polymer’s consolidation and the intricate role of pressure on the PEEK crystallinity was examined with particular attention. Then, the development of the assembly, without adhesive part, composed of both polymer (polyimide or PEEK) and aluminum alloy was considered. An approach was set up to improve the compliance between these dissimilar materials comprising: surface treatments on aluminum in order to enhance their mechanical anchoring and their chemical compatibility, as well as polymer reinforcement with the aim of reducing its thermal expansion. The efficiency of each solution is discussed based on microstructural and mechanical characterizations. This approach enabled to process multilayer assemblies with a significant strength at the interface.