On the durability of structural adhesive bonds in thermal environments : application to space-oriented optical systems

par Vincent Dumont

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de David Thévenet.

Le président du jury était Stéphane Roux.

Le jury était composé de Éric Maire, Claudiu Badulescu, Georgios Stamoulis, Anthony Lefèvre.

Les rapporteurs étaient Franck Lauro, Evelyne Toussaint.

  • Titre traduit

    Durabilité de collages structuraux pour applications optiques spatiales en environnements thermiques


  • Résumé

    Le collage structural est une technique d’assemblage se retrouvant dans de nombreux secteurs industriels du fait de ses divers avantages. Il est entre autres possible de réaliser aisément des assemblages multi-matériaux grâce à ce procédé, ce qui est un avantage certain dans la conception de structures de haute technologie, comportant de nombreux éléments de tailles, matériaux et fonctions variables. Les systèmes optiques présents dans les télescopes (actuels comme futurs) sont autant d’exemples parlants de ce type d’applications, nécessitant à la fois fiabilité dans le temps et connaissance précise des propriétés des adhésifs utilisés. Ces systèmes optiques sont soumis à des chargements thermomécaniques variés, impliquant divers phénomènes à diverses échelles du comportement des adhésifs. Pour apporter de nouveaux éléments de réponse à ces questionnements opérationnels et scientifiques, une caractérisation des propriétés mécaniques d’assemblages collés sous différents environnements thermiques a été réalisée, de manière à étudier l’influence de la température sur les propriétés élastiques, viscoélastiques et viscoplastiques d’un adhésif. Les paramètres d’une loi viscoélastique-viscoplastique spectrale ont ainsi été identifiés. Par ailleurs, les taux de restitution d’énergie critiques Gc dans le plan mode I / mode II ont également été étudiés en fonction de la température via une méthode alternative aux standards ISO et ASTM. Enfin, une étude poussée de la microstructure de joints collés a été réalisée au moyen de mesures de microtomographie aux rayons X, mettant en évidence divers phénomènes liés à la polymérisation et à la croissance de porosités.


  • Résumé

    Structural bonding is an assembly technique found in many industrial fields due to its various advantages, including its multimaterials bonding capabilities. This aspect is definitely an advantage regarding the design of high-tech structures, with many elements of varying sizes, materials and functions. The optical systems found in telescopes (not only current but also future) are examples of this type of application, requiring both reliability over time and precise knowledge of the properties of the adhesives. These optical systems are subjected to various thermomechanical loads, involving various phenomena at various scales of the behaviour of the adhesive. A thorough characterisation of the mechanical properties of bonded assemblies under various thermal loadings was carried out to answer these industrial and scientific issues. In particular, the influence of temperature on the elastic, viscoelastic and viscoplastic properties was investigated, through the identification of the parameters of a viscoelastic-viscoplastic spectral law. The critical strain energy release rates Gc in the mixed-mode plane I / II were also studied as a function of the temperature using an alternative method to the ISO and ASTM standards. Finally, a detailed study of the microstructural properties of bonded joints was carried out by means of in-situ X-ray microtomography, highlighting various phenomena related to polymerisation and pore growth.


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