Impact des conditions environnementales sur la performance mécanique de composites thermoplastiques soudés par résistance avec un élément chauffant modifié

Rohart, Vincent (2020). Impact des conditions environnementales sur la performance mécanique de composites thermoplastiques soudés par résistance avec un élément chauffant modifié. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce travail présente l’étude des effets du vieillissement hygrothermique et des cycles de gel/dégel sur la résistance des joints fibres de carbone/polysulfure de phénylène soudés par résistance et notamment l’efficacité d’un revêtement de silane sur l’adhésion entre l’élément chauffant et la matrice avant et après ces conditionnements. Le soudage par résistance est intéressant par son court temps de procédé et sa facilité de mise en oeuvre, cependant la performance des joints soudés dans des environnements extrêmes est encore peu étudiée. De plus la rupture de ces joints se produit souvent entre l’élément chauffant en acier inoxydable et la matrice thermoplastique démontrant une faible adhésion entre les deux matériaux. Cette faible adhésion peut alors permettre à l’humidité de s’infiltrer et ainsi diminuer la performance des joints.

Il est étudié l’impact de la température et de l’humidité sur la résistance des joints soudés ainsi que sur leur mode de rupture. Il est démontré que la résistance des joints soudés en simple recouvrement baisse avec la température entre 21°C et 150°C mais que les conditionnements en humidité n’ont pas impact significatif sur cette valeur de résistance. Cependant l’observation des surfaces de rupture montre une dégradation de l’interface fibres/matrice suite à ces conditionnements. De même, l’élément chauffant semble se désolidariser de la surface des composites pendant les tests en température ou après les conditionnements hygrothermiques.

Le mode de rupture dominant restant entre l’élément chauffant et la matrice, il est développé un procédé permettant d’appliquer un revêtement à base de silane sur l’élément chauffant. Ce procédé est réalisé en quatre étapes étant le nettoyage de l’acier à l’acide sulfurique, son oxydation à haute température, l’application du silane hydrolysé par une méthode sol/gel et la condensation du silane sur l’acier. Un plan d’expérience de Taguchi est utilisé pour pouvoir étudier l’impact de plusieurs paramètres du procédé sur la résistance des joints. La température d’oxydation, le pH et le solvant de la solution de silane sont identifiés comme ayant un impact significatif sur cette valeur. Ce revêtement permet d’augmenter la résistance en cisaillement de plus de 30% avec une température d’oxydation de 500°C et une solution de silane à pH basique dans de l’éthanol. Les observations microscopiques des surfaces de rupture montrent que la matrice reste attachée à l’élément chauffant. De plus, des tests de poutre double en porte-à-faux (double cantilever beam) entre des plaques d’acier avec le revêtement et le composite démontrent une meilleure adhésion entre les deux matériaux avec des surfaces de rupture montrant de la matrice ainsi que des fibres qui restent attachées à l’acier.

Finalement 1000 cycles de gel/dégel de -40°C à 82°C sont imposés à des joints soudés secs, saturés en humidité, avec ou sans revêtement au silane sur l’élément chauffant. À l’instar de l’humidité, les cycles de gel/dégel n’ont pas d’impact significatif sur la résistance en cisaillement des joints que les joints soient préalablement saturés en humidité ou non. De manière générale, les joints soudés avec l’élément chauffant modifié par le revêtement de silane obtiennent de meilleures performances comparés aux joints non traités à conditionnements égaux. L’analyse des surfaces de rupture ainsi que des coupes transversales des joints démontrent que les interfaces fibres/matrice et acier traité/matrice sont toutes deux dégradées par les cycles de gel/dégel.

Titre traduit

Impact of environmental conditions on the mechanical performance of resistance-welded thermoplastic composites with a modified heating element

Résumé traduit

This work presents the study of the hygrothermal aging and freeze/thaw cycles effects on the lap shear strength of carbon fibres/polyphenylene sulfide resistance welded joints and especially the impact of a silane based coating before and after these conditioning. Resistance welding is a fast and easy to apply joining method but few studies considered the joints performance under harsh environments. The joints failure mode usually involves debonding between the stainless steel heating element and the thermoplastic matrix, an indication of a poor adhesion between the two materials. This weak adhesion can enable moisture infiltration and thus lower the joint performance.

The moisture and temperature impact on the single lap shear strength and the failure mode of welded joints is first studied. It is shown that the lap shear strength decreases with the temperature between 21°C and 150°C and that hygrothermal conditions do not have a significant impact on the resistance. However, the fracture surfaces observation shows a degradation of the fibre/matrix interface after conditioning. It also seems that the heating element is lifted off the composite adherends during testing at high temperature or after hygrothermal conditioning.

As the failure mode involves a heating element and matrix debonding, a silane-based coating is developed for the heating element. This coating is realized in four steps: the corrosion of the steel with sulfuric acid, its oxidation at high temperature, the development of the silane coating using a sol/gel method and the silane condensation on the steel. A Taguchi design of experiment is used to study the impact of several parameters on the joints lap shear strength. The oxidation temperature, the pH and the solvent of the silane solution are identified as parameters with a significant impact on the joints mechanical performance. The coating improves the lap shear strength of welded joints by more than 30% with an oxidation at 500°C and a silane solution with a basic pH in ethanol. Fracture surfaces microscopic observations show that the matrix remains attached to the heating element. Moreover, double cantilever beam tests between stainless steel plates and the composite show a better adhesion between both materials with matrix and fibres transferring to the steel plate after fracture.

Finally, dry and moisture saturated joints, with or without a silane coating are subjected to 1000 freeze/thaw cycles from -40°C to 82°C. In the same manner as hygrothermal aging, freeze/thaw cycles do not have any significant impact on the dry and saturated joints lap shear strength. In general, the coating still provides superior lap shear strength values compared to untreated joints after the same environmental conditioning. Fracture surfaces and cross-section analysis of the joints show that both fibre/matrix and coated steel/matrix interfaces are degraded by the freeze/thaw cycles.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 183-196).
Mots-clés libres:	soudage par résistance, dégradation environnementale, composites thermoplastiques, traitements de surface, plan d'expérience, cycles thermiques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dubé, Martine
Codirecteur:	Codirecteur Laberge Lebel, Louis
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 janv. 2021 16:40
Dernière modification:	11 janv. 2021 16:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2600

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