Étude des revêtements électriquement conducteurs produits par projection à froid sur des substrats fragiles et thermosensibles

Study of electrically conductive coatings produced by cold spray onto brittle and thermosensitive substrate

• Auteur / Autrice : Patrizio Lomonaco
• Direction : Jean-François Hochepied, Michel Jeandin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 25/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Richard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Hochepied, Michel Jeandin, Bernardo Favini, Yuji Ichikawa, Francesco Delloro, Sara Bagherifard, Chrystelle Bernard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Richard, Bertrand Jodoin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bois

Polyamides

Modélisation CFD

Composites

Mots clés libres

Projection à froid

PEEK

Composite

CFD analyses

CEL simulation d'impact

PA66

Bois

Cold spray

PEEK

Composite

CFD analysis

CEl impact simulation

PA66

Wood

Résumé

Le procédé de projection à froid n’est évalué industriellement que pour l’assemblage de métal sur métal. Néanmoins, il offre plusieurs avantages technologiques par rapport aux autres procédés de projection thermique car il est basé sur l’énergie cinétique plutôt que thermique. Cette caractéristique augmente les possibilités de déposer des revêtements sur des substrats fragiles et thermosensibles, tels que les polymères et les composites à base de polymères. L’objectif principal de cette thèse était de développer des stratégies pour réaliser la métallisation de composites PEEK renforcés de fibres de carbone courtes par projection à froid à haute et basse pression. Les phénomènes impliqués dans un tel processus ont été étudiés. Afin d’augmenter l’adhérence et de réduire la délamination des revêtements en aluminium pur, une stratégie de mélange de poudre a été employée. Des tests d’adhérence par arrachement et des mesures de conductivité électrique ont été effectués pour comprendre l’effet de la teneur en poudre de PEEK dans le mélange. Un modèle de dynamique des fluides a été développé pour mieux comprendre les phénomènes impliqués dans les processus de projection à froid à haute et basse pression. Les mesures expérimentales des vitesses des particules, ainsi que les températures calculées des particules, ont été utilisées comme conditions initiales pour les simulations par éléments finis de l’impact des particules sur le composite. Une approche couplée eulérienne-lagrangienne dans une analyse explicite a été utilisée pour simuler l’impact de particules simples et multiples. Dans la dernière partie de ce travail, quelques applications industrielles ont été mises en avant. En conclusion, ce travail de thèse a fait appel à plusieurs techniques, à la fois expérimentales et numériques, et des approches originales ont été proposées pour étudier et améliorer le processus de projection à froid dans le cas de matériaux substrats thermosensibles et fragiles.

The cold spray process is industrially assessed only for the assembly of metal onto metal. Nevertheless, it offers several technological advantages over the other thermal spray processes because it is based on kinetic rather than thermal energy. This feature increases the possibilities to deposit coatings onto brittle and thermo-sensitive substrates, such as polymer and polymer based composites. The main goal of this PhD thesis was to develop strategies to achieve the metallization of short carbon fiber reinforced PEEK composites by both high pressure and low pressure cold spray. The phenomena involved in such a process were investigated. To increase the adherence and reduce the delamination of pure aluminium coatings, a powder mixing strategy was employed. Pull-off adhesion tests and electrical conductivity measurements were carried out to understand the effect of PEEK powder content in the mixture. A fluid dynamic model was developed to better understand the phenomena involved in both high and low pressure cold spray process. Experimental measurements of particle velocities, together with computed particle temperatures, were used as initial conditions for finite element simulations of particle impact onto the composite. A coupled eulerian-lagrangian approach in an explicit analysis was used to simulate single and multiple particle impact. In the final part of this work, some industrial applications were brought to attention. In conclusion, this PhD work engaged several techniques, both experimental and numerical, and original approaches were proposed to investigate and improve the cold spray process in the case of thermo-sensitive and brittle substrate materials.