Les liaisons sont essentielles pour une grande variété de produits, des batteries de véhicules électriques aux composants aérospatiaux. Pour garantir la sécurité des produits et une qualité à long terme, ces liaisons doivent être fiables et durables, notamment lorsqu’elles sont exposées à des contraintes, des charges et de hauts niveaux d’énergie.
Pour y parvenir, des liaisons solides sont essentielles.
Le fait de nettoyer la surface avant d’y coller différents matériaux permet de créer des liaisons bien plus solides. Nous évoquerons ce sujet en détail dans cet article.
Toutefois, nous nous intéresserons dans un premier temps aux éléments théoriques clés en lien avec la résistance d’adhésion.
Table des matières
- Qu’est-ce que la résistance d’adhésion ?
- Qu’est-ce qu’une liaison chimique ?
- Qu’est-ce qu’une liaison mécanique ?
- Comment la résistance d’adhésion est-elle mesurée ?
- Préparation des surfaces pour améliorer la résistance d’adhésion
Qu’est-ce que la résistance d’adhésion ?
La résistance d’adhésion désigne la force qui maintient différents matériaux ou atomes ensemble. Elle mesure la quantité d’énergie nécessaire pour rompre différents types de liaisons, comme les liaisons chimiques et les collages par adhésif. Plus la liaison est solide, plus il faudra d’énergie pour la rompre.
Qu’est-ce qu’une liaison chimique ?
Lorsque deux surfaces se lient, de puissantes forces chimiques sont en jeu. Les atomes forment ce que l’on nomme des « liaisons chimiques » entre eux.
Les liaisons chimiques sont des forces électrostatiques qui relient des atomes afin de former des molécules, comme les molécules d’eau ou d’oxygène. Les liaisons chimiques fonctionnent également comme une force naturelle capable de relier différentes surfaces.
Pourquoi les atomes forment-ils des liaisons ?
Les atomes forment des liaisons chimiques parce qu’ils cherchent à s’équilibrer grâce à une charge électrique neutre. Ils fonctionnent un peu comme des aimants : les charges similaires se repoussent alors que les charges opposées s’attirent. De la même manière, les atomes avec une charge positive veulent se lier à des atomes avec une charge négative.
Le rôle des charges électriques dans les liaisons
Les atomes sont composés de protons, de neutrons et d’électrons, qui présentent tous une charge électrique différente. Les protons ont une charge électrique positive, les neutrons n’ont pas de charge électrique et les électrons ont une charge électrique négative. La différence entre les protons et les électrons d’un atome détermine sa charge électrique.
Par conséquent, les atomes avec une charge électrique positive (appelés « cations ») sont attirés par des atomes avec une charge électrique négative (nommés « anions »). Les atomes peuvent atteindre la stabilité électrique en se liant les uns aux autres.
Bien que le nombre de protons d’un atome soit immuable, son nombre d’électrons, quant à lui, peut changer. Les liaisons chimiques sont créées par l’interaction des électrons de différents atomes, entraînant ainsi la formation de composants stables.
Les trois types de liaisons chimiques
Trois types de liaisons chimiques peuvent se former pour atteindre la stabilité électrique : les liaisons covalentes, les liaisons ioniques et les liaisons métalliques. Pour lier des surfaces différentes, seules les liaisons covalentes et ioniques sont pertinentes.
Une liaison covalente se crée lorsque des atomes partagent des électrons avec d’autres atomes. Ce partage d’électrons permet à chaque atome de remplir sa couche externe d’électrons (appelée la couche de valence). Cette liaison chimique se forme presque exclusivement avec des non-métaux. Par exemple, une molécule d’eau (H2O) est composée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène maintenus par des liaisons covalentes. Ses liaisons covalentes sont les suivantes : l’atome d’oxygène partage deux de ses électrons (un avec chaque atome d’hydrogène) et chaque atome d’hydrogène partage son électron unique avec l’atome d’oxygène. Au total, quatre électrons sont partagés. |
Les liaisons covalentes qui lient les atomes d’oxygène et d’hydrogène pour former des molécules d’eau. Image avec l’aimable autorisation d’ErrantScience.
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Une liaison ionique se forme lorsque des électrons sont transférés d’un atome à un autre. Cet échange d’électrons se produit généralement entre des métaux et des non-métaux. Au cours de cet échange, les métaux perdent généralement des électrons alors que les non-métaux en gagnent. Les atomes à charge positive sont attirés par des atomes à charge négative, ce qui crée une attraction électrostatique qui les lie. Par exemple, le sel de table est formé par des liaisons ioniques. Le sodium (un métal) transfère un électron au chlore (un non-métal), ce qui produit un ion de sodium chargé positivement (Na+) et un ion de chlore chargé négativement (Cl−). Avec leurs charges électriques opposées, les deux atomes s’attirent mutuellement et forment un composé ionique stable. |
La liaison ionique qui lie les atomes de sodium (Na) et de chlore (Cl) pour former du sel de table ordinaire. Image avec l’aimable autorisation d’Encyclopædia Britannica.
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Une liaison métallique se forme lorsque plusieurs atomes d’un même métal (comme le cuivre, le fer ou l’aluminium) partagent des électrons dans un réseau métallique. Ce réseau métallique est généralement décrit comme une mer d’électrons flottants, car les électrons ne sont pas liés aux atomes. Étant donné que les atomes de métal perdent des électrons dans le réseau métallique, leur charge devient positive. Cela crée une force électrostatique qui lie les atomes de métal au réseau métallique, dont la charge est négative. |
La mer d’électrons flottants entre les liaisons métalliques. L’image provient de Wikipédia.
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Qu’est-ce qu’une liaison mécanique ?
Contrairement aux liaisons chimiques, les liaisons métalliques n’impliquent pas les électrons. Une liaison mécanique se réfère à l’enchevêtrement physique de différents composants. Elle est énormément utilisée pour lier des matériaux dissemblables. Les attaches mécaniques (comme les vis, les boulons et les rivets) ainsi que les adhésifs sont souvent utilisés pour créer des liaisons mécaniques.
La friction entre différentes surfaces permet également de créer des liaisons mécaniques (appelées « entrelacements mécaniques »). Les fabricants utilisent différentes méthodes pour augmenter la friction entre les surfaces liées, comme le décapage à l’abrasif, la texturation par laser et la gravure chimique. La friction permet aux adhésifs de s’entrelacer mécaniquement avec les irrégularités de la surface et de renforcer leur résistance d’adhésion.
Des liaisons mécaniques plus avancées sont également obtenues au niveau moléculaire, où les différentes molécules s’imbriquent les unes dans les autres pour créer une liaison qui les entrelace physiquement. Les rotaxanes et les caténanes sont des exemples de molécules liées mécaniquement, mais leur mise en œuvre pratique dans le cadre de véritables applications est toujours en cours d’étude et de développement.
Comment la résistance d’adhésion est-elle mesurée ?
Mesures des liaisons chimiques
L’énergie nécessaire pour rompre une liaison chimique se mesure en kilojoules par mole (kJ/mol). C’est ce que l’on appelle l’énergie de dissociation (pour une liaison unique) ou l’énergie de liaison (pour plusieurs liaisons).
Par exemple, l’énergie requise pour rompre une liaison H-O unique dans l’eau s’élève à environ 492 kJ/mol. Étant donné qu’une molécule d’eau compte 2 liaisons H-O, une énergie d’environ 984 kJ/mol est nécessaire pour rompre une seule molécule d’eau.
Il est important de noter que, lorsque plusieurs molécules d’eau sont liées, des liaisons hydrogène se forment entre elles. Ces liaisons sont faibles et leur rupture nécessite peu d’énergie, mais il est important de les prendre en compte lorsque l’on essaie de rompre un volume d’eau.
Lorsqu’une liaison chimique est rompue, son énergie est relâchée. Cette énergie est appelée « changement d’enthalpie » et elle est essentielle pour comprendre les réactions thermodynamiques (c.-à-d. la quantité de chaleur relâchée lors de réactions chimiques).
Mesures des liaisons mécaniques
L’énergie nécessaire pour rompre une liaison mécanique est généralement mesurée en mégapascals, une unité de mesure de la pression qui exprime le nombre de newtons par millimètre carré (force par surface). Le mégapascal (MPa) peut mesurer la force des collages par adhésif ou d’autres types de liaisons mécaniques. Les mesures des liaisons mécaniques peuvent aider à estimer les performances des matériaux dans des applications pratiques, garantissant ainsi qu’ils sont assez résistants pour supporter les conditions auxquelles ils seront exposés. Voici quelques caractéristiques communes utilisées pour mesurer la résistance des liaisons mécaniques :
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Cinq types de contraintes pouvant entraîner la rupture de liaisons mécaniques. Image tirée de Adhesive bonding in microelectronics and photonics de Yacobi et coll. |
D’autres aspects de la résistance des liaisons mécaniques peuvent également être testés, comme la résistance au clivage ou la résistance à la compression. Vous pourrez visualiser ici les animations des différents types de contraintes conçues par l’entreprise 3M.
Préparation des surfaces pour améliorer la résistance d’adhésion
Il est essentiel de préparer la surface pour optimiser la résistance de la liaison entre deux surfaces. La résistance d’adhésion peut être renforcée en éliminant les contaminants, en rendant la surface rugueuse et en modifiant sa composition chimique. Différentes méthodes peuvent être utilisées pour préparer les surfaces au collage, notamment le nettoyage laser, l’abrasion mécanique, le nettoyage chimique et les traitements par plasma.
Intéressons-nous à présent à la manière dont chaque aspect de la préparation des surfaces renforce les liaisons :
- Les contaminants (comme les oxydes, la poussière, les graisses et les huiles) doivent être éliminés parce qu’ils interfèrent avec le collage. Ils créent une barrière entre l’adhésif et la surface, entraînent des réactions chimiques non désirées et diminuent l’énergie disponible pour les forces adhésives entre les molécules.
- Les surfaces rugueuses augmentent la surface disponible pour le collage et renforcent l’entrelacement mécanique à l’aide de pics et de creux.
- La composition chimique de la surface peut être modifiée pour créer des conditions favorables aux liaisons chimiques et aux forces intermoléculaires (comme les liaisons hydrogène et les forces de Van der Waals).
Pour observer la manière dont les différentes méthodes renforcent la résistance d’adhésion, nous avons étudié l’effet de la texturation par laser et du sablage sur des joints en aluminium collés à l’aide de Loctite EA 9460. Examinons les résultats des tests.
Résistance à l’arrachement et au cisaillement
Les résultats indiquent que la texturation par laser fournit des liaisons plus solides que le sablage, aussi bien en matière de résistance au cisaillement que de résistance à l’arrachement.
- La résistance au cisaillement s’élevait à 14 MPa avec la texturation par laser, alors qu’elle était de 7 MPa avec le sablage.
- La résistance à l’arrachement était de 23 MPa avec la texturation par laser, alors qu’elle s’élevait à 17 MPa avec le sablage.
Rupture adhésive et rupture cohésive
Image avec l’aimable autorisation de Tom Brown
Si vous appliquez assez de force, les liaisons finiront par se rompre. La manière dont une liaison se rompt indique son point le plus fragile.
- Une rupture adhésive se produit lorsque la liaison entre l’adhésif et le substrat se rompt.
- On parle de rupture de cohésion lorsque la liaison à l’intérieur de l’adhésif se rompt.
Si une rupture de cohésion se produit, cela signifie que le collage par adhésif est assez résistant et qu’il existe un point plus fragile à l’intérieur de l’adhésif qui se rompra en premier.
Au cours de nos tests :
- la préparation de la surface avec la texturation par laser a provoqué une rupture de cohésion. Cela signifie que la liaison avec le substrat était plus solide que la liaison à l’intérieur de l’adhésif ;
- la préparation de la surface par sablage a entraîné une rupture d’adhésion. Cela signifie que la liaison entre le substrat et l’adhésif était plus fragile.
Ces résultats démontrent que la texturation par laser est plus efficace que le sablage.
Contactez-nous pour savoir comment optimiser la résistance d’adhésion de vos collages
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