Les ondes de choc induites par laser peuvent produire une sollicitation dynamique capable de tester l'adhérence d'interfaces et de détecter les joints faibles. Cette étude vise à étendre ce procédé aux composites stratifiés et à leurs assemblages, qui touchent un large spectre d'applications industrielles, notamment dans le secteur aéronautique et de la défense. Les problématiques scientifiques et techniques liées à l'essai sont étudiées, particulièrement la caractérisation du comportement des stratifiés et de leur endommagement sous choc ainsi que la tenue des interfaces. Les expériences sont conduites sur des installations laser délivrant une large gamme d'impulsion (fs-μs) permettant de localiser les contraintes maximales de traction aux interfaces. Les essais sont instrumentés avec des diagnostics résolus en temps : vélocimétrie Doppler, visualisation transverse. Les échantillons sont analysés avec différentes techniques (MEB, tomographie, ultrasons, DSC...) pour identifier les endommagements et les relier aux propriétés des matériaux. L'analyse des résultats s'appuie sur la simulation numérique pour décrire le comportement des matériaux. L'étude montre la capacité de la technique à différencier la force des assemblages.

Dans la conception et la fabrication des structures, l'assemblage des composants est une étape cruciale en termes de durabilité et de fiabilité. Les techniques l'assemblage dites mécaniques telles que le boulonnage, le rivetage et le soudage entre autres, ont longtemps été celles traditionnelles. Toutefois, les avancées dans l'étude et l'analyse de la fissuration au sein des matériaux ont permis de mettre en évidence certains de leurs inconvénients en tant que cause de rupture de ces structures à travers les concentrations de contraintes localisées et/ou l'altération mécanique ou thermique des propriétés locales des pièces assemblées. Ainsi, des techniques alternatives tel que le collage structural ont été développées permettant de s'affranchir ou plutôt de réduire ces effets indésirables lors de l'assemblage, pour le peu que le processus soit bien maîtrisé. Parmi les avantages les plus connus, le collage permet d'une part une meilleure transmission et répartition des efforts à l'interface réduisant ainsi l'endommagement en fatigue et augmentant la durée de vie de l'assemblage, et d'autre part, de conserver l'intégrité des pièces à assembler. D'autres avantages proviennent également de la conception des adhésifs structuraux qui, après l'application de traitements physico-chimiques permettent d'ajouter des propriétés thermiques, acoustiques et d'étanchéité.Malgré ces avantages, le collage souffre d'une réputation de non fiabilité due aux manques d'outils de prédiction du comportement des joints collés. En effet, les paramètres qui influent sur le comportement de l'interface sont nombreux et sont souvent sources de variabilité sur la résistance du joint de colle. L'étude de cette ténacité des joints d'adhésif s'effectue grâce à des essais de fissuration selon différents modes de rupture qui cherchent à mesurer l'énergie de fissuration de l'assemblage. La connaissance de cette énergie permet d'être prédictif dans la plupart des cas sur la propagation des fissures pour le peu que nous soyons en mesure de décrire et de prédire le comportement de l'interface.D'un point de vue numérique, de nombreuses techniques et formulations de loi de comportement ont été proposées dans un souci de reproduire le comportement de l'interface au sein des assemblages. Parmi ces dernières, celle des lois de zone cohésive semble être une voie des plus prometteuses en terme de modélisation et de simulation des interfaces par son caractère local et discret. Parmi les avantages qu'elles procurent demeurent la prise en compte intrinsèque de l'endommagement et des phénoménologies du comportement du joint collé. En outre, de nombreuses études ont été entreprises pour identifier ces lois de zone cohésive en comparant des observations issues d'essais de fissuration et des sorties de modèle où elles sont utilisées. Cette identification se fait au moyen d'algorithmes itératifs de minimisation d'une fonction coût qui mesure la métrique entre observations et sorties de modèles. Toutefois, peu d'importance est attachée d'une part, aux sensibilités des techniques de mesure employées par rapport aux paramètres de loi de zone cohésive, et d'autre part, sur les incertitudes associées aux paramètres de loi de zone cohésive identifiés. À notre connaissance, aucun travail sur ces deux derniers aspects n'a été mené et constitue ainsi le principal propos de ce mémoire de thèse. [...] / In the design and manufacture of structures, assembly of components is a crucial step in terms of durability and reliability. Mechanical assembly techniques such as bolting, riveting and welding, among others, have long been traditional. However, advances in the study and analysis of cracks within materials have made it possible to highlight some of their disadvantages as a cause of rupture of these structures through localized stress concentrations and / Mechanical or thermal alteration of the local properties of the assembled parts. Thus, alternative techniques such as structural bonding have been developed which make it possible to eliminate or rather reduce these undesirable effects during assembly, for the little that the process is well controlled. Among the best known advantages, bonding allows, on the one hand, a better transmission and distribution of forces at the interface, thus reducing fatigue damage and increasing the service life of the assembly and, on the other hand, maintain the integrity of the parts to be assembled. Other advantages also arise from the design of structural adhesives which, after the application of physicochemical treatments, make it possible to add thermal, acoustic and sealing properties.Despite these advantages, bonding suffers from a reputation for unreliability due to the lack of tools for predicting the behavior of bonded joints. Indeed, the parameters which influence the interface behavior are numerous and are often sources of variability on the strength of the bonded joint. The study of this toughness of the adhesive joints is carried out by means of crack tests according to different modes of fracture which seek to measure the assembly crack energy. The knowledge of this energy makes it possible to be predictive in most cases on cracks propagation for the little that we are able to describe and predict the interface behavior.From a numerical point of view, numerous techniques and formulations of interface law have been proposed in order to reproduce the interface behavior within the assemblies. Among the latter, that of the cohesive zone laws seems to be one of the most promising ways in terms of modeling and simulation of the interfaces by its local and discrete character. Among the advantages that they provide are the intrinsic consideration of damage and behavior phenomenologies of bonded joint. In addition, numerous studies have been undertaken to identify these cohesive zone laws by comparing observations from crack tests and model outputs where they are used. This identification is done by means of iterative minimization algorithms of a cost function which measures the metric between observations and models outputs. However, little importance is attached, on the one hand, to the sensitivities of the measurement techniques used in relation to the cohesive zone law parameters and, on the other hand, to the uncertainties associated with the identified cohesive zone law parameters. To our knowledge, no work on these two aspects has been conducted and is thus the main purpose of this thesis. [...]

Dans des contextes industriels spécifiques, coller un revêtement épais élastomère à des canalisations en acier constitue le meilleur moyen de les protéger de la corrosion en milieu marin. Ce travail de thèse a principalement pour objectif de mieux appréhender le comportement à long terme de ces assemblages acier/colle/revêtement en milieu marin. Deux approches complémentaires ont été définies. La première se base sur des outils statistiques pour traiter les données de caractérisations physico-chimiques des matériaux issus des assemblages utilisés en service depuis plus de trente ans. A partir de ces données hétérogènes (les assemblages sont différents en termes de formulations des matériaux, de procédé de collage et de conditions de vieillissement); des groupes homogènes présentant des scénarios de vieillissement identiques ont été identifiés et les mécanismes majeurs de dégradation du revêtement ont été établis. La seconde approche se focalise sur les assemblages actuellement utilisés dans les opérations de rénovation. Une démarche expérimentale a donc été mise en place en laboratoire afin d’accélérer de manière contrôlée le vieillissement des matériaux et assemblages. Les objectifs sont multiples. Pour chaque matériau (revêtement et colle), il s’agissait de comprendre les mécanismes de dégradation et les cinétiques d’absorption d’eau qui expliquent les évolutions de propriétés mécaniques et physico-chimiques observées au cours du vieillissement. De même, les interfaces ont été caractérisées et les paramètres de procédé qui influent sur la tenue de l’interface métallique ont été identifiés. Cette approche découplée a permis de mieux comprendre le comportement en milieu marin de l’assemblage d’étude à partir de celui des matériaux et interfaces présentes. / In some industrial applications, bonding rubber coatings to metallic pipelines is a suitable solution to protect them from marine corrosion. This study deals with the long term behavior of such metallic coated pipelines in a marine environment. Two different approaches have been developed. The first focuses on degradation data of pipelines used for around thirty years in normal service conditions. As these bonded assemblies are different in terms of material formulations, manufacturing processes and aging conditions, statistical tools were used to identify homogeneous groups with identical aging mechanisms. Also, based on these results, the main degradation mechanisms of the rubber coating were established. The second approach focused on pipelines used currently in renovation operations. An experimental methodology was developed in the laboratory to accelerate aging processes. The bulk materials, surfaces and interfaces were characterized physically, chemically and mechanically before and after natural sea water ageing. This enabled an understanding of the mechanisms and kinetics governing adhesion and degradation to be developed. It also allowed the influence of sea water aging on the failure strength of the assembly of interest to be investigated.

La démocratisation des technologies du collage dans le domaine aérospatial amène les industriels à exiger des adhésifs toujours plus performants. L’objectif de cette thèse est d’optimiser les propriétés thermomécaniques d’un adhésif polyépoxyde bi-composant qui devra présenter des propriétés structurales entre -150°C et +150°C, tout en respectant des exigences de mise en oeuvre.L’analyse de la littérature et des expériences préliminaires a permis de sélectionner le système polyépoxyde modèle binaire le plus pertinent en termes de réactivité à l’ambiante et de propriétés sur assemblage collé. Pour optimiser la résistance en température élevée de ce système, deux voies ont été explorées : l’incorporation d’époxydes multi-fonctionnalisés pour augmenter la densité de réticulation, et l’utilisation d’amines cycliques qui accroit la rigidité des segments macromoléculaires. Pour améliorer les propriétés de résistance à la propagation de fissure à basse température, les additifs de renforcement montrent un intérêt certain pour la formulation d’adhésifs structuraux polymérisés à température ambiante. Sur la base de ces résultats, plusieurs formulations complexes ont pu être élaborées. Des phénomènes de synergie et d’inhibition entre les différents éléments des formulations ont été constatés, sans pouvoir être totalement compris ce qui met en lumière la difficulté de prévoir le comportement d’adhésifs complexes, à l’image des formulations commerciales.Ces travaux de thèse ont permis de développer un adhésif structural répondant aux exigences strictes du secteur aérospatial, et de dégager une stratégie de formulation qui pourra être appliquée à d’autres secteurs d’activités. / The democratisation of bonding technologies in aerospace field leads industrials to demand more and more efficient adhesives. The aim of this thesis is to optimise thermomechanical properties of two-component epoxy adhesives which need to preserve structural properties on a large scale of temperature (from -150°C to +150°C) and observing application process requirements.The analysis of scientific literature and preliminary experiments enable to select the most relevant binary epoxy system in terms of reactivity and bonding mechanical properties. To optimise high temperature resistance of this epoxy system, two approaches have been explored: addition of multi-functionalised epoxy resin to extend the crosslink density, and use of cycloaliphatic amines which increase the rigidity of macromolecular segments. To improve crack propagation resistance in low temperature, tougheners reveal an interest to formulate room temperature structural adhesives. On the basis of these results, complex formulations have been developed. Synergy and inhibition phenomenon between the formulation blends have been observed without being able to fully understand them which highlight the difficulty to predict the behaviour of complex adhesives such as commercial formulations.This thesis works allowed to develop a two-component epoxy adhesive formulation which meets aerospace requirements, and to bring about a formulation strategy which could be adapted to others sectors activities.

La démontabilité des assemblages collés structuraux est une nouvelle problématique liée à l’augmentation de l’utilisation de la technologie du collage dans de nombreux secteurs industriels et de la prise en compte de l’éco-conception dans les processus industriels. Peu de travaux ont été menés à ce jour sur cette thématique qui représente un véritable verrou technologique pour la diffusion de la technologie d’assemblage par collage. Une des voies utilisées et détaillées dans la présente étude est basée sur l’incorporation, dans une formulation d’adhésif, d’un additif organique solide possédant un point de sublimation dans une gamme de température connue.Ainsi, l’étude de l’influence de la reformulation par incorporation de l’additif montre qu’en dépit de la réactivité entre cette molécule et certains composants de la formulation de l’adhésif, les propriétés de mise en œuvre et les caractéristiques thermo-mécaniques ne sont pas drastiquement modifiées et restent compatibles avec une utilisation industrielle.Le mécanisme de démontabilité est basé sur la diffusion du gaz libéré par la réaction de sublimation de l’additif jusqu’aux interfaces où les contraintes générées induisent une rupture interfaciale. Néanmoins, le désassemblage est grandement fonction de la nature de la surface des substrats assemblés. Une compétition a lieu entre le travail nécessaire pour faire croître les bulles à l’interface et le travail des forces d’adhésion.L’efficacité de ce procédé de démontabilité a été éprouvée dans le cadre de tests de validation des segments du tore d’un télescope. L’assemblage réalisé avec un adhésif incorporant un additif spécifique permet de transmettre d’importantes contraintes mécaniques puis après une phase d’activation, de se désassembler avec des contraintes résiduelles nulles / Structural adhesives are nowadays widely used in numerous industries like automotive, aerospace, avionics or microelectronics … for many reasons such as easy processing or weight and cost savings. A strong effort has been achieved so far to enhance the level of adherence in structural assemblies and in this particular case a new challenge appears: the easy dismantling of structural bonded joints. This innovative concept results from industrial constrains like maintenance or recycling needs.This work studies a process which offers a simple and efficient solution to the disassembling of structural bonds. Based on the use of specific additives activated by heating at a certain temperature, this new technology allows the drastic decrease of the bonding performance and allow the dismantling in a very short time. It fulfills the main characteristics required by this application, like no change in processing (implementation, curing conditions,…) and no or slight modification of the mechanical properties. The results of the influence of adding additive is evaluated.This process is based on the incorporation. of specific chemicals in the adhesive or primer formulations. These additives are selected according to specific properties like decomposition temperature. An innovative aspect of this technology lies in the localization of the dismantling. The first step of the additive action is migration from the bulk of the adhesive to the interface. In a second time, once at the interface, the decomposition gases generated by the additive (mainly steam and nitrogen) induce constrains and stresses. After a certain time, theses stresses are sufficient enough to overcome the adhesion forces and the adhesive debonds from the substrate, adhesive failure occurs. One logical consequence of this interfacial action is the use of a dismantling primer, which enables to improve the efficiency of the technology and allows additive savings.This work proposes mecanisms based on experimental results in order to explain what happens in the adhesive bulk and on the interfaces. Finally, an application of this process is described related to the use of debondable adhesive for structural coupling during ground tests in the frame of GAIA telescope. Its main structure is a multi segments brazed torus in silicon carbide. In order to test each segment, a structural and debondable epoxy adhesive was developed, allowing structural bonding at room temperature and easy dismantling with interfacial failure after thermal activation. After testing and dismantling, segments were reused for final application.

Ce mémoire entame le développement d’une méthode d’évaluation d’assemblages en aluminium liée par adhésifs structuraux dans un contexte d’ingénierie du secteur industriel. Les travaux ont pour but de fournir à l’entreprise Services Précicad inc. des outils de conception applicables sur le véhicule électrique Kargo. Plus spécifiquement, des séries d’essais expérimentaux sont réalisées sur des échantillons ASTM au moyen de plans d’expériences employant la méthode Taguchi pour étudier l’incidence des conditions de préparation manufacturière sur la résistance mécanique et pour faire un dépistage de produits commerciaux. La famille des méthacrylates est alors privilégiée pour répondre aux besoins de flexibilité d’utilisation et de préparation de surface. Ensuite, différents modèles de calculs analytiques sont étudiés et une analyse paramétrique est réalisée sur le joint en cisaillement à simple recouvrement (SLS). Le modèle du joint sandwich simplifié de Bigwood et Crocombe est choisi comme outil de calculs de prédimensionnement de joints génériques, cependant une bonne connaissance des conditions limites est nécessaire. L’approche de simulation par la méthode des éléments finis en mécanique des milieux continus est alors recommandée. D’importantes difficultés de convergence des résultats des contraintes sont identifiées avec cette théorie, entre autres par la présence de singularités numériques aux interfaces du volume de l’adhésif. Des techniques de modélisation simplifiées, utilisant les outils du logiciel NX Nastran, sont ensuite testées et l’outil Surface-Gluing est alors proposé pour permettre la simulation de joints qui reflètent les caractéristiques de modélisation « industrielles » de Précicad. Finalement, une méthode de mesure des propriétés élastiques in situ pour adhésifs flexibles, compensée au moyen d’analyses par éléments finis, est développée afin de pouvoir réaliser une caractérisation avec un extensomètre conventionnel, tout en préservant la précision souhaitée. Ainsi, il a été possible d’isoler les modules de cisaillement et de tension de l’adhésif H8000. / This thesis initiates the development of a structural assessment method for aluminium adhesively bonded joints, intended for the industrial engineering businesses sector. The present work is devoted to the company Services Précicad inc, who needs design tools that can be used for its Kargo electric vehicle assemblies. In particular, the Taguchi design of experiment method is used to study the effects of joint conditioning on the static strength of different ASTM samples configurations. Commercially available products are screened out during the process. Thus, methacrylates is found to be the best adhesive chemical category for Précicad design and manufacturing needs. Subsequently, a review of different analytical models is carried and the Bigwood & Crocombe sandwich model is selected to perform a parametric analysis on the Single Lap Shear joint (SLS). The simplified version of the sandwich model was found to be the best suited for pre-sizing generic forms of adhesive joints, although a good knowledge of the boundary conditions is mandatory to make a realistic assessment. Consequently, the standard continuum mechanics finite element method is recommended for most joints analysis. However, major convergence difficulties can be found when using this theory, partly due to the presence of numerical singularities in the adhesive domain. Several simplefied modelling techniques using NX Nastran are tested on the SLS joint and the Surface-Gluing tool is proposed for evaluating complex “industrial” meshes such as the ones used by Precicad. Finally, a method for measuring in situ elastic properties of flexible adhesives with finite element analysis compensation is developed for achieving a complete characterization with a conventional clip gauge. Thus, it has been possible to measure the shear and tensile modulus of the H8000 adhesive.

Les matériaux composites sont utilisés dans le domaine maritime depuis des dizaines d’années que ce soit par exemple pour les éoliennes offshore ou encore les navires militaires étant donné leurs propriétés intrinsèques avantageuses pour de telles applications (faible masse, faible signature magnétique ...). Jusqu’ici les composites employés sont surtout composés de fibres de verre et de matrice polyester. Cependant, les demandes croissantes de navires toujours plus légers et rapides conduisent peu à peu les industriels à se tourner vers les composites à haute performance composés de fibres de carbone et de matrice époxyde. L’utilisation de cette nouvelle génération de matériau nécessite de connaître l’influence de l’endommagement plan, qui peut être d’origine hydrique ou mécanique, sur leur tenue hors-plan. Cette étude a montré une diminution importante de l’enveloppe de rupture du matériau étudié lorsqu’il a séjourné en eau de mer jusqu’à saturation. La résistance en traction hors-plan du composite n’est quant à elle que très peu affectée par la présence de fissures transverses dans le matériau, quel que soit son état de vieillissement. Des travaux ont également été menés sur des assemblages composites collés et mis en avant à la fois la chute de la tenue de l’assemblage due à la présence d’eau de mer dans la matrice époxyde, mais également la nécessité de la prise en compte du couplage endommagement plan/endommagement hors-plan pour la prédiction de la tenue hors-plan de tels assemblages. Enfin, différentes méthodes de prédiction ont été utilisées pour valider les résultats expérimentaux confirmant ainsi l’importance de la prise en compte de l’endommagement plan sur la tenue hors-plan des composites et des assemblages composites collés. / Composite materials have been used in marine applications for decades for offshore windmills or even battleships because of its intrinsic properties which are assets for such applications (low weight, low magnetic signature...). Until now the composites used are almost made of glass fibers and polyester matrix. However the increasing demand for faster and lighter ships gradually leads manufacturers to turn to high performance composites made of carbon fibers and epoxy matrix. Using this new generation of material requires knowing the influence of the in-plane damage which can be due to water or mechanical damage on its out-of-plane strength. This study has shown a significant reduction of the out-of-plane failure envelope of the studied material after an extended stay in seawater until the saturation point.The out-of-plane tensile strength of the composite is very little affected by transverse cracking in the material whatever the aging state. Work has also been carried out on composite bonded assemblies and pointed out, on the one hand, the drop of the assembly strength because of the water aging and, on the other hand, the necessity to take into account the coupling between in-plane and out-of-plane damage for the prediction of the out-of-plane strength of such assemblies. Finally, different methods of prediction have been used to validate the experimental results confirming the importance to take into account the in-plane damage to predict the out-of-plane strength of composites and composite bonded assemblies.

Des patchs en matériaux composites sont classiquement utilisés dans l'aéronautique pour réparer ou renforcer des structures métalliques. Ces deux types de matériaux présentent cependant des coefficients de dilatation très différents. De ce fait, leur assemblage, soumis à de grandes variations de température en cours de fonctionnement, est le siège de contraintes pouvant provoquer la rupture ou le décollement du patch. Afin d'évaluer précisement les distributions de contraintes dans l'assemblage collé, différents modèles de calcul ont été proposés : d'abord un modèle analytique bidimensionnel mettant en évidence des effets liés à la géométrie plane de la structure, puis un modèle thermo-viscoélastique intégrant le comportement non-linéaire de la colle en fonction du temps et de la température. Ces modèles ont été ensuite partiellement validés expérimentalement sur des éprouvettes patchées en utilisant des méthodes de mesure de champs.

Cette thèse apporte une contribution à la compréhension et à la modélisation de la réponse d'assemblages collés sous des sollicitations en dynamique rapide générant des vitesses de déformation comprises entre 105 s-1 et 107 s-1. L'analyse présentée porte sur des assemblages aluminium/colle/aluminium. L'influence de la nature de la colle est étudiée par le biais de l'utilisation de deux types d'adhésifs : une résine époxyde et une résine silicone. Ces deux matériaux font l'objet d'une caractérisation expérimentale en régime dynamique et des approches de modélisation de leur réponse sous choc sont proposées. La réponse sous choc des assemblages collés est caractérisée à l'aide d'une grande diversité de moyens expérimentaux (laser, GEPI, lanceurs). L'influence de la durée de sollicitation et de la vitesse de déformation sur les seuils de rupture des empilements est ainsi investiguée sur une gamme de 3 ns à plus de 500 ns. Les essais laser permettent une récupération des échantillons pour des observations post-mortem. Le lien entre l'état final de l'empilement et la vitesse de face arrière mesurée est alors établi. Sur les essais d'impact de plaques et de compression isentropique, le couplage entre les mesures et la simulation numérique permet de mettre en évidence le caractère essentiellement adhésif des ruptures des empilements. La simulation numérique permet également de déterminer les seuils de rupture sur chacun des types d'essais et d'évaluer l'influence de la durée de sollicitation sur ces seuils. L'ensemble de ces résultats est destiné à être utilisé dans le cadre de l'optimisation d'un test d'adhérence par choc sur des assemblages millimétriques.