COLLAGE, physique

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La résistance des collages : l'énergie de fracture

Pour étudier un phénomène, il faut pouvoir le mesurer. Un paramètre couramment mesuré est la « résistance à la rupture », σR, d'un assemblage collé. Or cette valeur dépend de la configuration de l'assemblage et du mode de sollicitation. Le paramètre physique est l'« énergie de fracture », énergie qu'il faut fournir pour former une unité de surface de fracture. Elle est notée G, en hommage au physicien américain Josiah W. Gibbs. Elle est exprimée en J.m—2 (qui a la même dimension que N.m—1 ce qui permet de se représenter sa valeur : 100 J.m—2 signifie qu'un collage de un mètre de large supporte une force de 100 N). L'énergie de fracture se mesure principalement par pelage ou clivage (voir plus loin). Par exemple, les entreprises aéronautiques exigent désormais des colles ayant une valeur G >1 000 J.m—2.

Mesure de la résistance à la rupture : l'essai de cisaillement

Deux plaquettes rectangulaires sont collées en recouvrement et l'on tire sur chacune d'elles pour mesurer la force, F, nécessaire à provoquer la rupture. L'usage est de la rapporter à la surface collée (S) et de donner la valeur σR = F/S (alors que la résistance à la rupture n'est pas proportionnelle à la surface !). C'est une configuration de mesure mal adaptée, elle n'est pas reproductible. Même dans la procédure normalisée, il y a de grands écarts entre les résultats des mesures (par exemple, 104 collages d'acier inoxydable avec une même époxy-amine ont donné des valeurs de σR comprises entre 15 et 50 MPa avec un pic à 30 MPa, qui sera la valeur indiquée par les praticiens et les spécifications commerciales). En plus, elle ne correspond pas à la résistance réelle du collage, qui cède sous une charge beaucoup plus faible, et ne rend pas compte de la dégradation du joint en présence d'un environnement agressif ou de l'humidité. Au mieux permet-elle de fixer les idées.

Mesure de l'énergie de fracture des collages faibles : le pelage

Le pelage consiste à détacher un film, de largeur l, d'un substrat, en appliquant une force, F, sous un angle Θ, généralement à 90 ou 180 0C.

En absence de déformation, l'énergie de fracture G s'en déduit par la relation :

G = F/l (1 — cos Θ).

Le pelage permet d'imposer la vitesse de décollement. On constate que l'énergie de fracture des adhésifs varie avec la vitesse, v, de sollicitation (fig. 1). Pour tirer plus vite, il faut tirer plus fort. La variation s'exprime par l'équation (1) : G = Wa(1 + ζ vn), Wa étant l'énergie d'adhésion (voir plus loin). L'exposant n décrit la coopération des chaînes, il varie de 1 pour un liquide à 0 pour un cristal, il a la valeur 0,6 pour les élastomères. Le paramètre ζ est une « viscosité de séparation » due au frottement des chaînes de polymère entre elles lorsqu'elles sont étirées. L'énergie dissipée augmente celle qui est nécessaire à la séparation jusqu'à une vitesse critique (vc) où la dissipation diminue. Elle augmente de nouveau à très grande vitesse car il n'est pas possible de dépasser la vitesse du son dans le matériau. Lorsque la vitesse de décollement tend vers zéro, G tend vers Wa. C'est pourquoi, pour décoller un sparadrap, il faut tirer soit très lentement, soit très vite (il n'y a pas de risque d'atteindre la vitesse du son). La mesure par pelage est bien adaptée aux collages avec des adhésifs. Lorsque l'adhérence est élevée, il y a trop de déformations et la mesure perd sa signification.

Variation de l'énergie de fracture avec la vitesse de pelage

Dessin : Variation de l'énergie de fracture avec la vitesse de pelage

Variation de l'énergie de fracture avec la vitesse de pelage. La pente négative de la courbe (en pointillés) montre qu'il existe deux domaines stables de pelage (décollement du film de son substrat), séparés par un domaine où l'énergie d'adhésion chute au-dessus d'une vitesse vc. On... 

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Mesure de l'énergie de fracture des collages forts : le clivage

Le clivage d'un assemblage collé est simple à réaliser et la physique en est bien comprise. Deux plaquettes rectangulaires sont collées l'une à l'autre. La fracture est provoquée soit par l'introduction d'un coin (fig. 2a), soit en appliquant une force (fig. 2b). Elle s'étend sur une longueur, l, puis s'arrête. Cette valeur est reproductible. Dans le cas où une force est appliquée, l'énergie de fracture diminue en même temps que la fracture progresse et il vaut mieux utiliser un support d'épaisseur variable qui assure une valeur constante (fig. 2c). L'énergie de fracture se déduit de la longueur, l. L'essai du coin montre que l'énergie de fracture à vitesse nulle d'un collage avec une colle de structure est très supérieure à Wa. Le collage a une « ténacité statique ». Elle est due à ce que, pour étirer une chaîne de polymère, il faut en étirer tous les N maillons sous [...]

Clivage d'un joint collé

Dessin : Clivage d'un joint collé

Pour mesurer l'adhérence et son évolution dans le temps, on colle deux surfaces de substrat dont une partie forme des lèvres (à gauche). Ensuite, soit on introduit un coin entre ces lèvres (a), soit on applique une force F à chacune des lèvres des deux surfaces d'épaisseur constante (b)... 

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Écrit par :

  • : docteur ès sciences, chef du groupe Matériaux, Asulab, Swatch Group R.-D.

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Pour citer l’article

Jacques COGNARD, « COLLAGE, physique », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 27 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/collage-physique/