Les matériaux composites à matrice thermoplastique connaissent un essor considérable dernièrement en raison de leur moindre impact environnemental comparativement aux thermodurcissables. En outre, ils offrent à l'industrie de nouvelles possibilités pour l'assemblage des pièces. Le soudage par ultrasons représente un potentiel prometteur pour une transposition à grande échelle. En effet, il s'agit d'un procédé très rapide et versatile, qui nécessite un faible investissement. Son principe est de générer un échauffement par friction à l’interface des deux éléments pour permettre l’interdiffusion des macromolécules. Cependant, des obstacles restent à surmonter pour assurer la reproductibilité du procédé et la fiabilité des assemblages soudés. L’objectif de cette thèse est de comprendre l’effet des paramètres du procédé, temps-pression-amplitude, sur la tenue mécanique des assemblages. Deux types de matériaux composites à fibres de carbone ont été utilisés, l’un avec une matrice PEEK (polyétheréthercétone) de grade très répandu, l’autre étant un PAEK (polyaryléthercétone) à basse température de fusion récemment développé. Dans une première partie, des analyses rhéologiques et de cristallisation ont été réalisées pour caractériser le comportement de cette nouvelle matrice PAEK. Pour le soudage, un film polymère, appelé directeur d'énergie, est placé à l’interface entre les deux éléments composites. Différents directeurs d'énergie ont été testés et nous avons montré que la résistance mécanique de l’assemblage est plus élevée quand le film est en polyétherimide (PEI). L’interphase étant composée d’un mélange de PEEK et PEI, les propriétés de ce mélange ont été étudiées par rhéométrie et calorimétrie différentielle à balayage. L’épaisseur de la zone d’interdiffusion PEEK/PEI a été quantifiée par spectroscopie Raman : les polymères diffusent sur 20 et 50 microns environ. Dans une autre partie, une procédure d'intégration de thermocouples a donné lieu à des mesures de profils de températures à l'interface pour différentes conditions de soudage. Ces mesures permettent d’interpréter plus précisément les phénomènes physiques en jeu lors du soudage. Enfin, une étude paramétrique a fait ressortir les paramètres les plus influants : la pression et la durée d’application des ultrasons. Les essais mécaniques de cisaillement simple recouvrement mettent en évidence une résistance jusqu’à 50 MPa avec 1 s et 2 MPa. L'analyse des faciès de rupture, par microscopie électronique à balayage apporte une compréhension plus approfondie des mécanismes de rupture des assemblages. |
Thermoplastic matrix composites are experiencing a considerable development because of their lower environmental impact compared to thermosets. In addition, they offer the industry new possibilities for joining parts. Ultrasonic welding (USW) presents a promising potential for large-scale implementation. Indeed, it is a fast and versatile process requiring minimal investment. The principle behind USW is to generate frictional heating at the interface to allow the interdiffusion of macromolecules. However, to ensure the reproducibility of the process and the reliability of the welded assemblies, some issues remain to be overcome. This thesis aims to understand the effect of process parameters, time-pressure-amplitude, on the mechanical resistance of the assemblies. Two types of carbon fiber composites are used, one with a widely used PEEK (polyetheretherketone) matrix, the other being a recently developed low melting temperature PAEK (polyaryletherketone). Firstly, rheological and crystallization analyses are performed to characterize the behavior of this new PAEK matrix. A polymer film, called energy director, is placed at the interface between the two composite elements. Different energy directors are tested and we show that the mechanical strength of the assembly is higher when the film is made of polyetherimide (PEI). As the interphase is composed of a PEEK/PEI blend, its properties are studied by rheometry and differential scanning calorimetry. The thickness of the PEEK/PEI interdiffusion zone is quantified by Raman spectroscopy: the polymers scatter over about 20 and 50 microns. Secondly, a procedure to integrate a microthermocouple is presented: the temperature profiles at the interface are measured for different welding conditions. These measurements allow to deeply understand the physical phenomena occurring during welding. Finally, a parametric study highlights the most influential parameters: pressure and duration of the ultrasound phase. The mechanical tests in single-lap shear configuration of specimens assembled with 1 s and 2 MPa show lap shear strength of up to 50 MPa. To gain more in-depth understanding of the fracture mechanisms, we study the fracture surfaces by scanning electron microscopy: the cracks propagate along the interphase and through the first composite layers, indicative of a weld strength suitable for aerospace applications. |