COLLAGE, physique

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 σ_R = 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 σ_R 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 = W_a(1 + ζ vⁿ), W_a 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 (v_c) 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 W_a. 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.

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[...]