Adhesion Day : un symposium à l’interface de plusieurs disciplines

Au croisement entre physique, chimie et mécanique, l’adhésion a été le centre du symposium annuel de la Chaire « Design et modélisation de matériaux innovants » organisé le 30 novembre et qui a eu pour titre « Adhésion : Expériences, théorie et applications ». Ce programme est mené par Julie Diani, Directrice de recherche CNRS au Laboratoire de mécanique des solides (LMS*).

Bruno Charrière, directeur scientifique d’Arkema, mécène du programme, n’a pas caché son enthousiasme pour ce symposium : « Il y a très peu d’évènements de ce type avec des présentations de haut niveau dans ce domaine de recherche. Ce symposium répond au besoin des industriels d’échanger avec des experts, surtout dans des sujets très interdisciplinaires comme celui-ci. » De multiples problématiques académiques, souvent amenées par des industriels, ont été présentées à travers les huit interventions du symposium. Quatre doctorants ont également pu prendre part aux échanges lors d’une session poster où ils ont présenté leurs travaux aux experts d’Arkema et aux intervenants.

La journée a été ouverte par la présentation de Matteo Ciccotti (École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris), qui cherche à comparer trois des principaux tests auxquels sont soumis les adhésifs. Pour ce faire, il considère l’adhésif comme un ensemble de ressorts soumis aux tests de pelage (arracher une surface collée, comme du scotch), de tack (faire adhérer un cylindre à une surface puis le retirer) et de joint à recouvrement (faire glisser l’une sur l’autre deux surfaces collées). Il observe la formation de fibrilles d’adhésif et de vides permettant d’expliquer les résultats des tests de pelage et de tack. Le test de shear, plus difficile à modéliser, reste encore un objectif de ses futures études.

Nicolas Carrere (École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne) développe un modèle pour étudier les ruptures ayant lieu à l’interface des assemblages collés. Lorsque deux matériaux sont liés par un adhésif, les effets de bord causent plus souvent des ruptures prématurées. Par ailleurs, la taille ainsi que le nombre des défauts présents dans les joints sont sujet d’intérêt. Il montre que lorsque des porosités, des défauts sont présents dans l’adhésif, ces derniers peuvent causer des facilités de rupture, mais également aider à arrêter la progression d’une fissure dans l’adhésif. A l’avenir, il espère pouvoir dévier une fissure en dehors de l’adhésif afin de conserver la cohérence entre les deux matériaux collés.

La polymérisation plasma, système qui utilise un plasma pour dissocier des éléments afin notamment de recouvrir une surface, est au cœur des travaux de recherche présentés par Florence Bally-le-Gall (Université Haute-Alsace). Cette méthode très versatile permet de traiter, de sculpter à très petite échelle, ou encore de déposer un film mince de matériau sur une surface. Elle a ainsi pu créer des surfaces adhésives répondant à des stimulus extérieurs, par exemple une surface à laquelle les bactéries n’adhèrent pas sauf si elle est soumise à une force de traction. Ses travaux récents l’ont menée à créer une méthode d’adhésion forte, se basant sur une réaction spécifique appelée réaction de Diels-Alder, mais réversible lorsqu’on chauffe cette liaison.

Valérie Nassiet (Ecole Nationale des Ingénieurs de Tarbes) a présenté son modèle d’étude de joints adhésifs à gradient de propriété, c’est-à-dire un adhésif composé de deux substances différentes réparties dans la jonction adhésive. En comparant deux mélanges d’adhésifs uniques fournis par Arkema, elle a pu étudier les différentes dynamiques de réticulation, c’est-à-dire de formation des liaisons d’adhésion par création d’un réseau 3D solide de molécules. Elle a ainsi pu déterminer que plus les adhésifs sont séparés dans le joint (plus le gradient est marqué et l’adhésif hétérogène), plus ce dernier est résistant.

Reprenant la modélisation de l’adhésif comme une série de ressorts, Eric Paroissien (ISAE Supaéro) étudie la transmission des contraintes exercées sur une structure en la modélisant comme un assemblage de « briques » appelées macro-éléments. Il montre qu’un ensemble collé peut être représenté avec un seul macro-élément, ce qui simplifie l’analyse et le coût de calcul de structures collées.

Dénonçant le concept d’interface comme étant une vue idéalisée au niveau macroscopique, Maëlenn Aufray (Institut Carnot Chimie Balard Cirimat) développe le concept d’« interphase », avec comme postulat que dans une jonction adhésive, le matériau se « prolonge » et se mélange dans l’adhésif au lieu de considérer que les deux sont séparés comme c’est le cas pour le concept d’interface. Cette interphase, varie en fonction de l’adhésif et de sa viscosité, ainsi que du temps avant fixation de l’adhésif. Enfin, elle propose un test mécanique innovant pour mieux distinguer la rupture adhésive.

Noelig Dagorn (R&D Safran) a détaillé les processus de caractérisation et validation d’assemblages collés dans le monde industriel. Il a pris l’exemple de pales de réacteur d’avion en titane et a détaillé la loi de comportement de l’adhésif qu’il a établie afin d’analyser les critères d’intérêt (viscoélasticité, écrouissage, loi d’écoulement…). Cette étape de caractérisation est suivie d’une étape de validation, avec des essais mettant en jeu des impacts à haute vitesse pour tester la résistance. Il souhaite par la suite adapter cette procédure à des assemblages collés composites de titane avec un autre matériau.

Pour clôturer la journée, Franck Lauro (Université Polytechnique Hauts-de-France Valenciennes) a présenté son étude de rupture des adhésifs soumis à des chargements dynamiques dans un contexte industriel. Il a utilisé un bras mécanique pour décrocher une plaque flexible à différentes vitesses et établir un modèle dynamique de rupture nécessitant un faible temps de calcul. Il cherche à présent à appliquer son modèle viscoélastique à d’autres angles d’arrachement, ainsi qu’à des vitesses différentes, notamment en simulant des vitesses plus élevées via diminution la température de l’adhésif.

Pour Julie Diani, « Ce symposium a parfaitement illustré la multidisciplinarité des questions abordées dans le cadre de la chaire « Design et modélisation de matériaux innovants ». Il a également montré la dynamique positive pour l’avancée des connaissances que représentent les partenariats entre l’industrie et la recherche académique. Je tiens à remercier les intervenants pour leur disponibilité et la grande qualité des échanges que nous avons pu avoir durant cette journée. »

*LMS : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris

>> à propos de la Chaire :
Depuis sa création en 2018, la Chaire « Design et modélisation de matériaux innovants » cherche à inventer les matériaux de demain avec un intérêt particulier pour l’optimisation de leur comportement mécanique. Portée par Julie Diani du Laboratoire de mécanique des solides (LMS), en collaboration avec le Centre des mathématiques appliquées (CMAP) et avec le soutien d’Arkema, les recherches de cette Chaire se concentrent sur le lien entre microstructure et comportement mécanique des polymères et sur l’optimisation du comportement de structures polymères pour des applications variées telles que l’adhésion, le comportement dynamique…