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Caractérisation de la cohésion de l’interface AMF/polymère dans une structure déformable adaptative

Fischer-Rousseau, Charles (2012). Caractérisation de la cohésion de l’interface AMF/polymère dans une structure déformable adaptative. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les structures déformables adaptatives (SDA) sont appelées à jouer un rôle important en aéronautique entre autres. Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont un des candidats les plus prometteurs. Beaucoup de travail reste toutefois à faire avant que ces structures rencontrent les exigences élevées reliées à leur intégration dans un contexte aéronautique. Des travaux de recherche ont montré que la résistance à la décohésion de l’interface AMF/polymère peut être un élément limitant dans la performance des SDA.

Dans ce travail, l’effet sur la résistance à la décohésion de l’interface AMF/polymère de divers traitements de surface, géométries de fil et types de polymère est évalué. La géométrie du fil est modifiée par une combinaison spécifique de laminage à froid et de recuit postdéformation qui maintient les propriétés de mémoire de forme tout en permettant de réduire l’aire de la section transversale du fil. Le traitement thermomécanique le plus prometteur est proposé.

Une nouvelle méthode d’évaluation de la résistance à la décohésion est développée. Plutôt que de tester les fils en arrachement et de mesurer la force maximale, les tests en contraction sont basés sur la capacité des fils d’AMF à se contracter s’ils ont été encastrés dans un état
étiré et qu’ils sont chauffés par effet Joule. L’hypothèse qu’on pose est que ces tests sont une meilleure approximation des conditions rencontrées dans une SDA, où les fils se contractent plutôt qu’ils sont arrachés par une force externe à la structure. Bien qu’une décohésion partielle ait été observée pour tous les échantillons, l’aire de la surface où il y a décohésion était plus grande pour les échantillons avec une pré-déformation plus grande. Le front de décohésion a semblé cesser de progresser après les cycles de chauffage initiaux lorsque la vitesse de chauffage était faible.

Un modèle numérique simulant la réponse thermique transitoire du polymère et du fil d’AMF lors d’un chauffage par effet Joule est programmé à l’aide du logiciel ANSYS. Le comportement du modèle est validé avec des résultats expérimentaux où des thermocouples encastrés dans l’échantillon permettent des mesures locales de la température. Les résultats calculés sont en accord avec les résultats expérimentaux d’un point de vue qualitatif, mais accusent des différences significatives d’un point de vue quantitatif.

La mesure du champ de déformation à l’interface du fil et du polymère dans une SDA permettrait de développer et valider un modèle numérique prenant en compte l’effet mémoire de forme d’un fil encastré dans une matrice polymère. Dans ce but, une machine de traction miniature permettant l’analyse par microspectrométrie Raman in situ est présentée. Elle a une capacité de 1 kN et un déplacement maximal de 20 mm dans une enveloppe de conception totale de 160 mm de diamètre. La machine est conçue pour que le milieu de l’échantillon soit immobile grâce au fait que le mouvement des deux extrémités soit symétrique.

Les résultats montrent que du travail supplémentaire est nécessaire avant de pouvoir encastrer des fils d’AMF dans une structure déformable adaptative.

Titre traduit

Debonding characterization of SMA/polymer morphing structures

Résumé traduit

Morphing structures are expected to play an increasingly important role in aeronautic applications, among others. Shape memory alloys (SMA) are one of the most promising candidates to date. However, work remains to be done before these structures meet the stringent requirements of their successful integration in an aeronautic context. Research has shown that SMA/Polymer interface strength can be a limiting factor in active deformable structure performance.

In this study, the effect on the SMA/Polymer interface strength of various surface treatments, wire geometries and polymer types are evaluated. SMA wire geometry is modified through a specific combination of cold rolling and post-deformation annealing, which is capable of maintaining SMA actuating properties while achieving required cross-section area reductions. The most promising thermomechanical processing is proposed.

A novel method of evaluating bond strength is developed. Rather than pulling out wires and measuring the maximum force, pull-in tests rely on the SMA wire’s capacity to contract if embedded in a stretched state. Although partial debonding was observed in all samples, the debonded area was larger in samples with greater amounts of pre-stretching. The extent of debonded area was stabilized after the first heating cycle for the samples with low heating rate.

A finite element model simulating the transient thermal response of the polymer and wire to Joule heating is programmed using ANSYS software. The behavior of the model is validated against experimental results using embedded thermocouples. The qualitative results are in agreement although significant differences are noted in the quantitative results.

The design of a miniature tensile testing machine is described. It has a capacity of 1 kN and a maximum displacement of 20 mm for a design envelope of 160 mm. The machine is designed so the middle portion of the sample does not move during testing. This allows analysis using Raman microspectroscopy and X-ray diffractometry.

Results show that further work is required before SMA active elements can safely be used in an active structure.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique" Bibliogr. : f. [224]-229.
Mots-clés libres: Alliages à mémoire de forme. Mécanique de la rupture. décohésion, structure active, AMF, tests d’arrachement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Terriault, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 31 oct. 2012 18:14
Dernière modification: 04 mars 2017 00:42
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1074

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