Développement de nouveaux pré-traitements pour le collage structural des surfaces d'aluminium

Development of new pre-treatments for the structural bonding of aluminum surfaces

• Auteur / Autrice : Justine Layec
• Direction : Florence Ansart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 07/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Nassiet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Ansart, Valérie Nassiet, Jean-Charles Dupin, Viviane Turq
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Roualdes, Pascal Casari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collage (matériaux)

Aluminium -- Alliages

Aluminium de construction

Mots clés libres

Collage structural

Pré-traitement

Alliage d'aluminium

Couche d'accroche

Aluminum alloy

Pretreatment

Structural bonding

Bonding layer

Résumé

Le collage structural est une technique de plus en plus utilisée dans le domaine industriel car elle constitue une alternative aux assemblages mécaniques classiques tels que le soudage, le rivetage ou encore le boulonnage, car plus rapide et plus simple à mettre en œuvre. L'un des objectifs de ce projet de thèse vise, à terme, de réduire la consommation de carburant des véhicules afin de limiter leurs émissions de CO2 dans l'atmosphère. Pour cela, un des leviers est la réduction du poids des automobiles, en remplaçant l'acier par de l'aluminium, plus léger. La méthode d'assemblage par collage des surfaces d’aluminium a donc été introduite ainsi que les notions de préparation et de traitement de surface afin de promouvoir et rendre durable l'adhésion des composés sur ces surfaces. Le développement de ces traitements de surface, également appelés couches d'accroche (CA) dans ces travaux de thèse, est précisément au cœur du projet. Différents polymères constitutifs des couches d’accroche, comprenant différentes fonctions latérales d’ancrage, avec ou sans phosphore, ont été étudiés et comparés avec des références commerciales présentes sur le marché pour des applications de collage structural.Les objectifs scientifiques ont d'abord été de caractériser morphologiquement les matériaux à différentes étapes : les couches d’accroche elles-mêmes déposées sur des substrats aluminium, ainsi que le système collé complet, c'est-à-dire le substrat revêtu puis collé. Pour cela des analyses microscopiques (MEB-FIB, MET-ARM) et de surface (XPS) ont été mises en œuvre pour déterminer les épaisseurs des couches ainsi que les mécanismes physico-chimiques d’ancrage vis-à-vis du substrat d’aluminium. De plus, les performances mécaniques des couches d’accroche ont été évaluées avant et après vieillissement, dans un cycle de corrosion. Ainsi, des essais mécaniques de cisaillement à simple recouvrement, de flexion trois points, de micro-sclérométrie et des tests Arcan ont été conduits pour caractériser l'interface couche-adhésif et comparer les performances, en termes de collage, de ces différentes couches d’accroche. Enfin, le point clé de ces travaux de thèse est d'établir des liens entre la formulation (nature, concentration) et les paramètres du procédé (temps d’immersion dans les bains de traitement), afin de pouvoir établir la corrélation (micro)structure - propriétés – performances mécaniques des couches d’accroche.

Structural bonding is a technique increasingly used in the industrial field because it is an alternative to conventional mechanical assemblies such as welding, riveting or bolting, because it is faster and easier to implement. One of the objectives of this thesis project is, in the long term, to reduce the fuel consumption of vehicles in order to limit their CO2 emissions into the atmosphere. For this purpose, one of the levers is the reduction of the weight of cars, by replacing steel with aluminum, which is lighter. The method of assembly by structural bonding of the aluminum surfaces was thus introduced as well as the concepts of preparation and treatment of surface in order to promote and make sustainable the adhesion of the compounds on these surfaces. The development of these surface treatments, also called bonding layers (BL) in this thesis work, is precisely at the heart of the project. Different polymers constituting the bonding layers, including different lateral anchoring functions, with or without phosphorus, were studied and compared with commercial references present on the market for structural bonding applications.The scientific objectives were first to morphologically characterize the materials at different stages: the bonding layers themselves deposited on aluminum substrates, as well as the complete bonded system, i.e. the coated and then bonded substrate. For this purpose, microscopic (SEM-FIB, TEM-ARM) and surface (XPS) analyses were carried out to determine the thicknesses of the layers as well as the various physicochemical anchoring mechanisms with respect to the aluminum substrate. In addition, the mechanical performances of the bonding layers were evaluated before and after ageing, in a corrosion cycle. Thus, mechanical tests of single lap shear, three-point bending, micro-scratch and Arcan tests were conducted to characterize the bonding layer-adhesive interface and to compare the performances, in terms of bonding, of these different bonding layers. Finally, the key point of this thesis work is to establish links between the formulation (precursors, concentration) and the process parameters (immersion time in the treatment baths), in order establish the correlation (micro)structure - properties - mechanical performances of the bonding layers.