Défense de thèse en sciences physiques

Fundamental study of the Adhesion Phenomena in Polymer-Metal hybrid Materials obtained by Laser Welding

Jury

• SPORKEN Robert (UNamur), Président
• HOUSSIAU Laurent (UNamur), Promoteur et secrétaire
• PLAPPER Peter (Université du Luxembourg)
• TERRYN Herman (Vrije Universiteit Brussel)
• LÉONARD Didier (Université Lyon 1)
• NOËL Céline (IMEC)

Abstract

On one hand, to lower the impact of the transport industry on the greenhouse gas emissions, hence their environmental impact, it is urgent to create lightweight structures. On the other hand, the biomedical industry is striving for more biocompatible and more functionalized implants. The two problems lead to the same solution: hybrid polymer-metal assemblies. The question now is to assemble such extremely different materials. Amongst all the technique available –mechanical fastening, adhesive bonding, and welding- one technique is catching more and more attention: laser welding. This technology presents many advantages, such as fast processing, easy automation, high design freedom and no need for intermediate materials. Nonetheless, the root causes of adhesion are still not well understood. The adhesion theory proposes four phenomena to explain it: mechanical interlocking, chemical bonding, diffusion and electrostatic interaction. In this thesis the chemical bonding at the interface was thoroughly investigated for two materials combinations of interest for the industry: aluminum/polyamide-6.6 and titanium/polyamide-6.6. For the two combinations three types of samples were prepared: welded samples, spin-coated samples and model samples. The welded samples consist in near industrial samples with thick metal and polymer sheets welded together. To analyze those samples, a new methodology was developed combining breaking the samples and dissolving the polymer residue to access the interface for XPS and ToF-SIMS analysis. The spin-coated samples consist simply in a spin-coated layer of polymer on mirror polished metal. The model samples consist in the deposition of a molecule presenting only the reactive part of the polymer structure, N-methylformamide. The combination of the XPS and ToF-SIMS results of the three samples allowed to determine the existence, the nature of the bond, a C-O-M bond (M=Al or Ti), and the reaction mechanism. The proof of concept of diffusion in the case of laser welding on the combination aluminum/polyamide-6.6 is also done at the end.

Résumé

L’industrie des transports a besoin de structures de plus en plus légères pour permettre de diminuer les émissions de gaz polluants, et donc leur impact environnemental. Par ailleurs, l’industrie biomédicale cherche à développer des implants de plus en plus fonctionnalisés mais qui soient biocompatibles. Ces deux problèmes, en apparence très éloignés, mènent en réalité à la même solution : des assemblages hybrides polymères-métaux. Une des difficultés est d’assembler ces matériaux qui sont très différents par nature. Parmi toutes les techniques qui existent -la fixation mécanique, le collage, et la soudure- une technique attire de plus en plus l’attention : la soudure laser. Cette technique est prometteuse car elle est rapide, permet une grande liberté de conception et ne nécessite pas de matériaux intermédiaires. Néanmoins, les causes du phénomène d’adhésion ne sont pas encore bien comprises. La théorie de l’adhésion prévoit quatre phénomènes pour l’expliquer : l’ancrage mécanique, des liaisons chimiques, la diffusion et des interactions électrostatiques. Ce travail de thèse s’est penché sur deux combinaisons de matériaux présentant un fort intérêt industriel pour étudier les liaisons chimiques à l’interface : la combinaison aluminium/polyamide-6.6 et la combinaison titane/polyamide-6.6. Pour les deux combinaisons, trois types d’échantillons différents ont été préparés : des échantillons soudés, des échantillons spin-coatés et des échantillons modèles. Les échantillons soudés ont été préparés en soudant une plaque de métal au polymère. Pour analyser leurs interfaces, une nouvelle méthodologie a été élaborée en combinant fracture des échantillons et dissolution du résidu de polymère restant. Les échantillons spin-coatés ont été réalisés en déposant une fine couche de polymère sur du métal poli miroir. Les échantillons modèles ont été obtenus en déposant une molécule composée uniquement de la partie réactive du polymamide-6.6, le N-méthylformamide. Les résultats XPS et ToF-SIMS de ces trois types d’échantillons ont permis de montrer l’existence, la nature et le mécanisme de formation de la liaison chimique entre les deux matériaux : une liaison C-O-M (M= Al ou Ti). Enfin l’existence d’un phénomène de diffusion est aussi mis en évidence dans la combinaison aluminium/polyamide-6.6.

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