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Caractérisation des interphases dans des systèmes composites organiques-inorganiques par µTA

LCP –Pôle Matériaux – MAPIEM Journée « Caractérisation des nanostructures », le 19 mars 2008

1

Sommaire

 Principe de la micro-analyse thermique  Etude des interphases dans les composites époxy – FV  Influence du mode de séchage des fibres sur la structure des interphases  Formation des interphases et évolution au cours du vieillissement  Etude des interphases dans les assemblages polymère-métal  Assemblages métal – adhésif époxy  Perspectives - nTA 2 LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008

z La micro-analyse thermique

TA instrument 2990 <-> VEECO Base : AFM Explorer avec sonde thermorésistive miniaturisée en mode contact photodétecteur rétroaction - piezo laser Scanner piezo X, Y, Z Boucle de rétroaction thermique LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008

Institute of Polymer Technology and Materials Engineering, Loughborough University

3

La micro-analyse thermique

1. Scan en mode contact : -à force constante (  qq10nN), T° constante 

Image « topographique » isoforce

Image en conductivité thermique apparente isotherme

2. Analyse thermique locale (LTA) Rampe en température (/ ref.) : Tg, Tf  D H(T°) = µDTA

Suivi de la position de sonde = µTMA

Gamme de T° : 30°C->500°C

Vitesses de chauffe : 10-20K/sec

pyrolyse des pointes après chaque mesure

Calibration en température : ambiante, T f PET (260°C)

LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 4

La micro-analyse thermique

 Résolution latérale (grille de calibration) Topographie – sonde SFM Conductivité thermique apparente

500nm

500*500 – 5*5 µm 2 - 5µm/s LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008

500nm

300*300 – 100°C – 5µm/s 5

1 - ETUDE DES INTERPHASES DANS LES COMPOSITES époxy – fibres de verre

LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 6

1.1

- Influence du mode de séchage des fibres sur la structure des interphases

(St Gobain VETROTEX - OCV)  Ensimages  Fonctionnalisation, liaison physico-chimique fibres-résine, protection  émulsion aqueuse constituée d’organosilanes, d’agents collants, lubrifiants,...

 Application en sortie de filière et séchage des bobines, 2 modes   Procédé standard : Air Chaud (AC) Type Hautes Fréquences (HF) Réseau plus hétérogène et plus réticulé après AC (DMA sur fibres)  Topographie des fibres ensimées   Sonde SFM Pointe en silicium   Résolution :  30nm Mode contact 7 LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008

1.1

- Répartition de l’ensimage sur monofilament de verre

AC Ø monofilament 0.5% en masse   15µm 50nm d’épaisseur

100nm

 amas plus fréquents après AC LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 HF 8

1.1

- Influence du mode de séchage sur la structure des interphases

  Composites UD à matrice époxy réalisés à partir des 2 types de fibres par enroulement filamentaire (OCV) Découpe et polissage (1µm) sens transverse ( Zmax = 10µm)

conductivité 50 °C topographie

Suivi de la Tg à distance croissante par µTA Rampe effectuées à 15°C/sec LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 9

1.1

- Mise en évidence de l’interphase

4,50 4,40 4,30

LTA - NP06-05

LTA type 4,20 4,10 4,00 3,90 3,80 T ° ambiante T °

r

amollissement 3,70 -50 0 50 100

Température (°C)

150 200 1 2 3 4 5 6 250 T° ramollissement associée à la Tg de la matrice Tr diminue quand la distance / monofilament diminue LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 10

1.1

- Etude des interphases dans les composites

120 HF 110 Tr matrice 100 90 ( °C 80  Interphase = zone où Tr

zone sous réticulée ou plastifiée

70 interphase 60 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Distance /monofilaments (µm)  interpénétration ensimage/résine au cours de la réticulation  aminosilanes en excès  diffusion  modification locale de la stœchiométrie 

Perturbation de la réticulation de la matrice

 plastification du réseau par les éléments secondaires de l’ensimage 11 LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008

1.1

- Influence du mode de séchage sur la structure des interphases

Tr(°C) 120 110 

HF

 100 90 80  séchage AC / HF :  interphase plus épaisse  dispersion plus importante 70 60 0 

AC AC

 4 8 distance / fibre (µm) AC 12  

AC HF

16 

Répartition ensimage sur

HF

monofilaments

HF Interphase Matrice Mesure µTA 12 LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008

1.2 Formation des interphases et évolution au cours du vieillissement Thèse DGA - M.B. HEMAN

 Influence de la nature de la matrice sur la résistance au vieillissement hygrothermique de composites UD fibres de verre ensimées (OCV)  Caractérisation des systèmes ; échelle macro  micro  Caractérisation des interphases  Evolution au cours du vieillissement  Corrélation entre différentes échelles de caractérisation 13 LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008

1.2

-Influence du taux de fibre

 Sur composites UD, 50% et 20% volumique

EP-C20 EP-50

 Taux élevé :  réticulation perturbée (encombrement stérique)  rapport ensimage/résine plus élevé (diffusion constituants, stœchiométrie)  interaction entre interphases LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 14

1.2

-Influence du traitement des fibres

 Taux similaires (15-20%), fibres dégradées thermiquement Tr (°C) 150 130 110 90 70 50 30 0 5 10 distance aux monofilaments (µm) composite EP-c20 composite EP-DT15 15 20  pas d’interphase visible (>500nm) après dégradation thermique  formation de l’interphase liée à la présence de l’ensimage LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 15

1.2

–Evolution de l’interphase au cours du vieillissement

Tr(°C) 150 130 110 90 70 50 composite EP t0 composite EP tsat 85%HR-70°C composite EP tsat immersion 70°C   30 0 5 10 distance aux monofilaments (µm) pas d’eau libre (pas de fusion) eau liée au réseau époxy selon I ou II * :

I

15

II

* Zhou, J. et Lucas, J.P., Polymer,

40

: p. 5505-5512 (1999) LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 Plastification 20 Densification 16

1.2 Corrélations

échelles sur différents systèmes

 Caractéristique des interphases (µTMA) :    épaisseur sous-réticulation, plastification rigidification au cours du vieillissement  Données thermomécaniques DMA   évolution de la relaxation principale (T a , amplitude, largeur) modules dynamiques (G’)  Données thermiques MDSC  évolution de la Tg, D Cp  Données mécaniques macroscopiques  chute des propriétés (sollicitation préférentielle des interfaces) 

points à élucider : rôle de l’interphases de 0-500nm ?

LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 17

2 - ETUDE DES INTERPHASES DANS LES ASSEMBLAGES POLYMÈRE-MÉTAL

LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 18

2 – Assemblages métal – adhésif époxy Thèses E. LEGGHE (CIFRE TOTAL), M. NAKACHE (CIFRE TUS), T-H.Y. QUACH (AUF)

  Caractérisation des interphases à l’état initial Evolution au cours du vieillissement (milieu marin, PC, diffusion)  Préparation : -découpe fine, polissage métal (<1mm) -surfaçage par (cryo)microtomie

Substrat métallique (oxydé) CuAl Acier Adhésif époxy (qq10µm-100µm) Primaires (qqµm) Elastomères polyoléfines (qqmm)

lame

Zone analysée

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2 – Assemblages métal – adhésif époxy

 ex : Cupro-aluminium – adhésif époxy

x x x x x

 Tr augmente à proximité du métal -réseau plus dense : affinité amines/(hydr)oxydes surface (µIR) A valider sur  substrats polis Interphase <500nm ?  primaires LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 20

LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008

3 - PERSPECTIVES

21

Perspectives

     Amélioration de la résolution latérale ->nTA Acquisition d’un AFM multimode, notamment mode contact intermittent limitation endommagement, déformation caractérisation matériaux multiphasés adaptation d’un module « nanoTA »  ANASYS  PICOCAL Nouvelles générations de sondes 22 LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008

Perspectives Nouvelles sondes nano TA SthM :

Sondes : SiO 2 avec résistance sous la pointe Vitesse de chauffe : 10°C/s max, T°<160°C résolutions : 0.1°C ; 100 nm

ANASYS Instruments Nano - TA (Heated Tip- AFM)

Sonde en silicium avec résistance localisée sur pointe Utilisables en mode contact, contact intermittent,...

T°<500°C (pyrolyse qq s à 600°C)

1µm

23 LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008

Perspectives

 Systèmes interfaciaux :      Rôle de l’interphase < 500nm ?

Données thermomécaniques à différentes échelles Corrélations Evolution au cours du vieillissement Modélisation LCP – Pôle Matériaux – MAPIEM, le 19 mars 2008 24