Frittage de pièces de Polytétrafluoroéthylène (PTFE) compacté : Mécanismes physiques et modèles

PTFE compacts sintering : Physical mechanisms and models

• Auteur / Autrice : Gabriel Guenoun
• Direction : Nicolas Schmitt, Gilles Regnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 27/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021)
• Jury : Président / Présidente : Lucien Laiarinandrasana
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Lame, Yann Marco, Sandra Domenek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Lame, Yann Marco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Modélisation procédurale

Procédés de fabrication

Métaux -- Traitement thermomécanique

Polymères

Mots clés libres

Science des polymères

Thermomécanique

Procédé

Modélisation

Cristallisation

Polymer science

Thermomechanics

Process

Modeling

Crystallization

Résumé

Le polytétrafluoroéthylène (PTFE) est un polymère semi-cristallin ayant de nom- breuses propriétés remarquables avec notamment une excellente tenue thermique, un coeffi- cient de frottement extrêmement faible et une grande résistance à la corrosion. Ces atouts lui valent d’être utilisé dans de nombreuses applications.Sa mise en forme s’effectue par des procédés similaires à ceux utilisés pour les poudres métalliques. Dans l’un d’eux, la poudre de PTFE est compactée uniaxialement en pièces cylin- driques. L’étape suivante est le frittage de la poudre compactée, au cours de laquelle les pièces sont chauffées au-delà de la température de fusion du polymère. Durant ce cycle thermique, les pièces subissent de grandes déformations causées notamment par la fusion et la recristallisation du PTFE. Les gradients thermiques couplés à ces déformations peuvent engendrer des incom- patibilités mécaniques pouvant conduire à l’endommagement, voire à la rupture des pièces.Cette thèse a permis d’apporter une compréhension plus fine des phénomènes physiques à l’œuvre durant le frittage du PTFE compacté par des observations et analyses microstruc- turales, et des essais de caractérisation thermique et mécanique. La relaxation de contraintes résiduelles, la fermeture de porosités et un phénomène de cristallisation secondaire ont ainsi été mis en évidence et génèrent des déformations libres de contraintes macroscopiques. Les propriétés mécaniques du matériau en température ont également été déterminées lors du frit- tage. Un modèle a été développé pour rendre compte de ces observations. Il a été intégré dans une simulation thermomécanique du procédé de frittage d’une pièce de référence. Le modèle a été validé par comparaison des résultats de la simulation à des mesures réalisées sur des expériences de laboratoire.Enfin, un outil de simulation numérique par éléments finis a été développé. Il permet de déterminer les états de contrainte et déformation ainsi que la répartition des taux de cristalli- sation et des propriétés thermomécaniques au sein d’une pièce de PTFE compacté durant le cycle de frittage. A terme, cet outil pourrait permettre d’optimiser les paramètres du procédé industriel pour, par exemple, réduire le temps de frittage tout en s’assurant d’avoir des pièces non-endommagées et possédant les propriétés requises.

Polytetrafluoroethylene (PTFE) is a semi-crystalline polymer with many outstand- ing properties including excellent thermal resistance, extremely low friction coefficient and high corrosion resistance. These advantages make it suitable for many applications.It is shaped by processes similar to those used for metal powders. In one of them, the PTFE powder is uniaxially compacted into cylindrical parts. The next step is the compacted powder sintering process, in which the parts are heated above the melting temperature of the polymer. During this thermal cycle, the parts undergo large strains caused by the melting and the recrystallization of PTFE. Thermal gradients coupled with these strains induce mechanical incompatibilities that can lead to damage or even failure of the parts.This study provides a more detailed understanding of the physical mechanisms at work dur- ing the sintering of compacted PTFE through microstructural observations and analyses, and thermal and mechanical characterization tests. The relaxation of residual stresses, the closure of porosity and a secondary crystallization mechanism have thus been highlighted and generate macroscopic stress-free strain (called eigenstrain). The mechanical properties of the material as function of temperature have been also determined during sintering. A model has been devel- oped to take into account these observations. It has been integrated into a thermomechanical simulation of the sintering process of a reference part. The model has been validated by com- paring the simulation results with measurements from a laboratory experiments.Finally, a finite element numerical simulation tool has been developed. It is used to determine the stresses and strains as well as the distribution of crystallization rates and thermomechanical properties within a PTFE part compacted during the sintering cycle. In the long term, this tool could make it possible to optimize the industrial process parameters to reduce sintering time, for example, while ensuring that the parts are undamaged and have the required properties.