Vieillissement artificiel. Prévoir le comportement des matériaux

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1 Vieillissement artificiel Prévoir le comportement des matériax 1

2 Résmé Un avion est constité de matériax divers et variés, qi sont somis à différentes sollicitations. Un avion pet par exemple décoller dans n air tropical chad et faire croisière à ne altitde de 10 km à des températres bien en dessos de zéro. Otre les variations climatiqes extrêmes, il existe d atres sollicitations, telles qe les vibrations, qi ont n impact sr les matériax pendant le vol. Ces sollicitations pevent entraîner n vieillissement des matériax et donc ne modification de lers propriétés. Por cette raison, des essais de vieillissement artificiel sont réalisés dès la phase de développement, afin d éviter ne défaillance des matériax pendant le vol. Cependant, des tests accélérés exigeant n nivea de sollicitation pls élevé sont sovent réalisés por des raisons de coûts et de temps. L analyse et l évalation qi s ensivent indiqent si le matéria en qestion est adapté à l sage prév. Il est ainsi possible de rédire considérablement les coûts indits par le remplacement contin d composant. 2

3 Sommaire 2 Résmé 4 Q est-ce qe le vieillissement? 7 Parenthèse : Svante Arrhenis 9 Types de vieillissement 12 Vieillissement artificiel Q est-ce qe le vieillissement artificiel? Vieillissement accéléré Analyse et évalation 15 Mentions légales 3

4 Q est-ce qe le vieillissement? Des matériax de tos types sont tilisés par les hommes dans des bts très différents. Pendant la drée de ler tilisation, ils sont somis ax inflences et ax sollicitations les pls variées, qi pevent avoir n très grand impact sr la drée de vie d matéria en qestion. Un avion pet par exemple décoller dans n air tropical chad et faire croisière à ne altitde de 10 km à des températres bien en dessos de zéro pendant ne période prolongée. Otre les variations climatiqes extrêmes, il existe d atres sollicitations, telles qe les vibrations, qi ont n impact sr les matériax pendant le vol. Ces différentes sollicitations pevent avoir n tel impact sr le matéria qe ses propriétés s en trovent changées de manière irréversible. Dans n cas pareil, on parle de vieillissement d matéria. La partie 1 de la norme DIN en donne la définition sivante : «Ensemble de tos les processs chimiqes et physiqes irréversibles se prodisant dans n matéria a cors d temps» 1 En principe, il est totefois impossible de faire la différence entre n processs chimiqe et physiqe sr la base de lers effets. Ces processs se dérolent généralement en même temps et ont donc n effet complexe. La figre sivante donne ne représentation simplifiée d dérolement d n processs de vieillissement. Processs de vieillissement Vieillissement chimiqe Vieillissement physiqe Fissration Effet d entaille Modification de la strctre cristalline Hasse de la cristallinité Relaxations Bris 1 DIN partie 1, section 1 Vieillissement,

5 Q est-ce qe le vieillissement? En cas de vieillissement, les propriétés d matéria sont tojors inflencées de manière négative o pevent même être détrites. Dans la science des matériax o le contrôle qalité, on parle dans ce cas de fatige des matériax, pis de défaillance des matériax. Il ne s agit néanmoins pas d n processs de vieillissement si les propriétés initiales d composant pevent être rétablies à l aide d n traitement thermiqe. Divers facters pevent être à l origine d n vieillissement et pevent être classés en dex catégories. Il existe d ne part les facters internes, comme la relaxation des contraintes, les changements de phase et de strctre o les modifications des compositions chimiqes. Ces facters internes ne sont totefois pas abordés pls en détail dans ce livre blanc. La seconde catégorie de facters englobe les cases de vieillissement externes, comme par exemple les variations de températre, l hmidité de l air, la concentration d oxygène, les rayons visibles, ltraviolets o ionisants, ainsi qe les inflences chimiqes. Matéria vieilli Le vieillissement d n matéria pet se manifester de manières très différentes. Cela ne dépend pas niqement des propriétés et de la composition d matéria, mais assi d type de sollicitation. Les facters externes se divisent en six types de vieillissement principax, qi pevent assi se présenter en combinaison. Sr l exemple de l avion, il ne s agit pas selement de sollicitations thermiqes, climatiqes et mécaniqes, mais assi de sollicitations corrosives et électriqes. Un atre type de vieillissement à ne pas négliger est la modification des matériax casée par n rayonnement UV, dont l effet optiqe est visible en particlier sr les polymères, par ex. par n janissement. De pls amples détails concernant les différents types de sollicitations povant caser n vieillissement figrent a chapitre 4. 5

6 Q est-ce qe le vieillissement? En raison des nombreses inflences possibles, n matéria pet vieillir de plsiers manières. Cela se caractérise par la modification des propriétés d matéria. La capacité de résistance à ne sollicitation donnée joe ici n rôle déterminant. En principe, la modification des propriétés pet être représentée par la formle simplifiée sivante : Modification des propriétés = capacité de résistance sollicitation La sensibilité pet totefois changer à mesre qe le vieillissement progresse, de telle sorte qe la modification des propriétés s accélère o ralentit. Il est possible d inflencer ce critère, par exemple en ajotant des stabilisaters spéciax ax polymères. On obtient ainsi n changement de la sensibilité d polymère. En principe, chaqe matéria organiqe est instable dans l air et présente des signes de vieillissement sr ne certaine période. Il est impossible de les empêcher, même à l aide de stabilisaters, mais on pet totefois les ralentir. En otre, non selement la composition d matéria joe n rôle dans le vieillissement, mais assi ses antécédents et son traitement. Ce critère est important, même por le vieillissement artificiel abordé a chapitre 5, car il s accompagne également de vieillissements accélérés. Un atre critère important est le stockage et les modifications des propriétés en résltant, car des réactions de vieillissement pevent ici assi être déclenchées, par ex. par des sollicitations thermiqes. 6

7 Parenthèse : Svante Arrhenis Svante Agst Arrhenis est né en Sède en Fils d n inspecter de l niversité d Uppsala, il y étdie pls tard les mathématiqes, la chimie et la physiqe. Après ses étdes, Arrhenis part por l niversité de Stockholm, où il s intéresse principalement à la condctivité galvaniqe des électrolytes. En 1887, il pblie à ce sjet sa «théorie chimiqe des électrolytes», qi montre qe les électrolytes se dissocient dans l ea o les soltions aqeses. Les définitions des acides et des bases tojors en viger de nos jors sont tirées de cette théorie. Ces définitions postlent qe les acides sont des sbstances qi forment les ions H + (aq) dans ne soltion aqese. À l inverse, les bases sont des sbstances qi forment les ions OH (aq) dans ne soltion aqese. Ces ions pevent totefois être à novea netralisés dans l ea. H + (aq) + OH (aq) H 2 O En 1903, Arrhenis reçoit le prix Nobel de Chimie por ses travax sr ce sjet. Cependant, Arrhenis ne se concentre pas niqement sr la dissociation des électrolytes, mais s intéresse assi à la dépendance à la températre de la vitesse des réactions. Il formle à ce sjet ne éqation qi définit la constante de vitesse de réaction en fonction de l énergie d activation et de la températre. k = A e E a / (R T) k A E a R T Constante de vitesse de réaction Constante caractéristiqe de la réaction Énergie d activation Constante idéale des gaz Températre L éqation définit le rapport qi existe entre la températre et l énergie d activation. Le facter e E a / (R T) étant ici la partie qi indiqe qand la barrière d activation est dépassée. En cas de hasse de la températre, la constante de vitesse de réaction agmente de manière exponentielle. Cela signifie qe même ne faible hasse de la températre pet engendrer ne modification o ne agmentation considérable de la vitesse de réaction. 7

8 Parenthèse : Svante Arrhenis À ce stade, le rapport avec le vieillissement des matériax est également évident. L éqation d Arrhenis expliqe ainsi porqoi n vieillissement thermiqe a lie et porqoi on pet assi l accélérer de manière artificielle. Il existe cependant d atres mécanismes de vieillissement qi ne pevent pas être illstrés par l éqation d Arrhenis. Avec son éqation por le calcl de la constante de réaction, Arrhenis a fait n rapprochement qi pet être appliqé dans de nombrex domaines. Il sert de base à différents modèles de vieillissement qi sont tilisés ajord hi por prévoir le vieillissement. 8

9 Types de vieillissement Sollicitations thermiqes On parle de sollicitations thermiqes lorsqe le matéria est exposé à différentes températres. La températre pet alors rester constante sr ne longe période de temps o flcter en permanence. La températre a ne inflence complètement différente en fonction des propriétés et de la composition d matéria. C est porqoi différents matériax assemblés vieillissent à n rythme différent. Cependant, les températres élevées sont la case la pls fréqente d n vieillissement d matéria. Cela s expliqe par le fait qe la hasse de températre entraîne généralement ne accélération des réactions chimiqes. En principe, des réactions chimiqes se prodisent entre le matéria et les atomes d oxygène o d hydrogène de l air et sont inévitables. Sollicitations climatiqes Les sollicitations climatiqes désignent ne interaction entre la températre et l hmidité de l air. Dans ce contexte, l hmidité de l air dépend de la températre actelle. En cas de températres élevées, ne qantité d ea spériere pet être absorbée dans le mélange gazex de l air. Sollicitations climatiqes L hmidité relative de l air indiqe la proportion d ea absorbée par rapport à la proportion maximale à ne températre donnée. De ce fait, si la températre baisse et q il n y a acne évacation d ea, l hmidité relative de l air agmente. Cette interaction entre la températre et l hmidité de l air doit être prise en compte por le vieillissement des matériax. Dans ce cadre, l hmidité de l air est n facter d accélération des réactions chimiqes, a même titre qe la températre. L hmidité de l air accélère donc le vieillissement d n matéria tot comme la températre. 9

10 Types de vieillissement Sollicitations corrosives et vieillissement chimiqe La corrosion srvient en principe sr la srface et pet niqement se prodire en présence d n réactif. Cependant, la réaction chimiqe casant ne corrosion ne pet avoir lie tant q acne énergie d activation sffisante n est présente. Comme por tote corrosion, les sollicitations corrosives altèrent tojors pls la srface a cors de la réaction. Si l on représentait le dérolement de la corrosion comme ne fonction, il se rapprocherait très fortement d ne fonction logarithmiqe. Sollicitations mécaniqes Un atre type de sollicitation qi provoqe n vieillissement est la sollicitation mécaniqe. Celle ci décrit le nombre de cycles de flexion q n matéria pet spporter. Le nombre de cycles de flexion varie très fortement en fonction d rayon de flexion o de la contrainte imposée a matéria. Le flage d n matéria fait partie des effets provoqés par les sollicitations mécaniqes. Il s agit de la «déformation plastiqe en fonction d temps d n matéria somis à ne charge» 2. Néanmoins, les effets de la sollicitation mécaniqe ne dépendent pas niqement d type de matéria, mais varient très fortement selon sa composition. Sollicitations électriqes Les sollicitations électriqes srviennent niqement sr les composants électriqes. Sr ce genre de composants, le vieillissement dépend d champ électriqe, de la tension et de la drée d exposition. Vieillissement UV Le vieillissement UV décrit les effets qi résltent en règle générale d rayonnement solaire et pls rarement d n éclairage UV artificiel. Les rayons d soleil pevent par ex. caser ne décoloration de la srface o n vieillissement des polymères a nivea moléclaire. Il existe différents procédés impliqant n vieillissement par rayonnement solaire. Ils sont classés en trois types de réaction : la photolyse, la photooxydation et la photocatalyse. 2 Rösler, Joachim/ Harders, Harald/ Bäker, Martin, Mechanisches Verhalten von Werkstoffen, B.G. Tebner Verlag, 2006, Wiesbaden 10

11 Types de vieillissement Lors de la photolyse, n photon est absorbé et cette énergie déclenche ne réaction chimiqe qi se dérole sans oxygène. H H H H + hʋ C C C HC = CH C +m HCI H Cl n H Cl m À l inverse, la photooxydation reqiert non selement l énergie photoniqe, mais assi l oxygène présent dans l air por déclencher n processs de vieillissement. RH + hʋ R + H R + O 2 RO 2 RO 2 + RH ROOH + R En revanche, la photocatalyse ne pet avoir lie qe si la srface d matéria présente des propriétés semi-condctrices. L énergie photoniqe liée a rayonnement solaire entraîne alors la formation de radicax libres, si bien q ne oxydation pet avoir lie dans le matéria. Bande de condction e Excitation Recombinaison Écart énergétiqe Bande de valence h + 11

12 Vieillissement artificiel Q est-ce qe le vieillissement artificiel? On parle de vieillissement artificiel lorsq on essaie de reprodire le processs de vieillissement d n matéria par le biais de sollicitations artificielles. À cet effet, il est par exemple possible d tiliser des chambres de simlation environnementale et des installations d essai de résistance ax intempéries o ax vibrations. En règle générale, le vieillissement artificiel est tilisé por les noveax développements o dans les travax de recherche. Même pendant le développement, il est important d observer et de docmenter les modifications des propriétés. Il fat bien entend obtenir alors n résltat reprodctible. Il est ainsi possible de prendre en considération la probabilité de défaillance. Une défaillance pet notamment désigner la décoloration o le janissement d n composant en raison d rayonnement solaire, par ex. dans l habitacle d ne voitre. En raison des nombrex matériax différents devant être somis à n vieillissement artificiel, des normes et directives très variées ont été établies ces dernières années. Elles définissent les paramètres et les dispositifs de contrôle por obtenir des résltats reprodctibles. Dans le domaine des matériax isolants électriqes, les normes de contrôle les pls importantes por les sollicitations thermiqes sont les normes CEI 60216, ASTM D5423 et ASTM D5374. Les essais visant à déterminer les propriétés thermiqes à long terme, tels q ils sont décrits dans les normes ssmentionnées, sont réalisés dans des étves de laboratoire spéciales, comme par ex. BINDER FP 115-S. 12

13 Vieillissement artificiel Vieillissement accéléré L importance d vieillissement accéléré ne cesse de croître, car les résltats des essais sont disponibles pls rapidement, ce qi permet de rédire les coûts et de gagner d temps. La base d vieillissement accéléré est la modification pls rapide des propriétés dans le temps grâce ax différentes méthodes employées. Ces méthodes sont par ex. l absence de temps de repos, l omission de sections moins sollicitées o la hasse d nivea de sollicitation. Les assemblages collés qe l on tilise a qotidien sont par exemple assi somis à n vieillissement accéléré. Un exemple qe tot le monde connaît : les pces des cartes de crédit. Elles sont collées et doivent résister ax sollicitations climatiqes et mécaniqes les pls variées. À cet effet, les assemblages collés sont non selement somis à n stockage à températres élevées, mais assi à des essais de changements climatiqes. Ces essais sont réalisés dans des chambres de simlation environnementale, comme celles proposées par la société BINDER. Le problème d vieillissement artificiel est qe les composants qi présentent ne défaillance pendant les essais pevent différer de cex qi seront défaillants sr le terrain. Cela s expliqe par la qantité d énergie d activation déployée por la réaction chimiqe. Lors d vieillissement thermiqe accéléré, on essaie d obtenir ne accélération en agmentant la températre. Dans ce contexte, l énergie d activation sffisante por les réactions n est pas identiqe à celle présente sr le terrain. Il est donc impératif de vérifier la conception de l essai, comme c est par ex. le cas dans le domaine des intempéries. Dans ce cas, la conception d ne installation de résistance ax intempéries est sovent contrôlée par le biais d ne exposition libre ax intempéries. Les échantillons d essai sont somis en parallèle ax différentes sollicitations en plein air, pis comparés avec les échantillons de l installation de résistance ax intempéries. Les srfaces d exposition libre ax intempéries pevent alors être par ex. le toit d laboratoire o de l immeble de breax. Portant, on constate ne intensification constante des demandes visant à accélérer encore les tests et les procédés por obtenir des résltats pls rapides. À cet effet, le nivea de sollicitation ne cesse d agmenter. L objectif est alors srtot de gagner d temps lors des essais de vieillissement et donc de faire des économies de coûts pendant le développement. 13

14 Vieillissement artificiel Analyse et évalation Après l exéction des tests de sollicitation, cex-ci doivent être analysés. Por povoir procéder à l analyse, le vieillissement d n matéria doit povoir être mesré. À cet effet, il est possible de prendre en considération la probabilité de défaillance à l aide de plsiers échantillons d essai. Le temps qi s école jsq à la défaillance d n nombre donné d échantillons est alors déterminant. Une atre possibilité de mesre consiste à prendre en considération les modifications des propriétés pendant ne période définie. Dans ce cadre, il fat néanmoins noter qe les différentes propriétés ne changent pas forcément à la même vitesse. L analyse et l évalation qi s ensivent indiqent tot d abord si n composant, n élément o n matéria est adapté o non à l sage prév. Dans certaines circonstances, il fat chercher ne novelle composition de matéria o n atre composant et répéter les essais. Cela impliqe ne prolongation d temps de développement et ne agmentation des coûts. Néanmoins, ces coûts restent raisonnables en comparaison ax éventels coûts indits. 14

15 Mentions légales Ater Ina Kanngiesser occpe la fonction de Prodct Manager Environmental Simlation chez BINDER GmbH et est responsable des chambres de simlation environnementale tilisées dans les secters de la science et l indstrie. Profil de la société BINDER est le spécialiste mondial des chambres de simlation por les laboratoires scientifiqes et indstriels. Grâce à ses soltions techniqes, la société contribe por ne grande part à améliorer drablement la santé et la sécrité des individs. Sa gamme de prodits convient assi bien ax applications corantes q ax travax points en matière de recherche et de développement, de prodction et d assrance qalité. Avec près de 400 employés dans le monde et n tax d exportation de 80 %, la société BINDER a enregistré en 2014 n chiffre d affaires de pls de 60 millions d eros. Contact BINDER GmbH Im Mittleren Ösch Tttlingen Tél. : +49(0) info@binder-world.com 15

16 Mentions légales Sorces Mortimer, Charles E./ Müller, Ulrich, Chemie Das Basiswissen der Chemie, 8 e édition entièrement reve, Georg Thieme Verlag, 2003, Stttgart Rösler, Joachim/ Harders, Harald/ Bäker, Martin, Mechanisches Verhalten von Werkstoffen, B.G. Tebner Verlag, 2006, Wiesbaden Ehrenstein, Gottfried W./ Pongratz, Sonja, Beständigkeit von Knststoffen Band 1, 1 ère édition, Carl Hanser Verlag,